CN107335805A - 一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法 - Google Patents

一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，其基于激光热效应和冲击波力学效应复合制造工艺，在热源熔化金属丝形成熔覆区的同时，对熔覆区同步进行激光冲击处理，在一步制造工序中完成成形与强化工艺，具有高效、高质量的显著特点，解决了二次强化工艺导致的二次加热、热应力和效率降低的缺点，节约了大量时间和大幅降低了生产成本，还可以精确调控激光束直径与形状、脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等参数，以适应于各种材料和复杂结构件高质量成形；同时基于连续激光采用光‑丝同轴输送熔覆成形，可以高效利用金属丝成形高质量的熔覆层。

Description

一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造 方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法
背景技术
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，增材制造区别于传统的“去除型”制造，不需要原胚和模具，该技术不仅可以完成难加工复杂形状金属零件的快速制造，还可以根据零件不同部位的工作条件和特殊的性能要求实现梯度功能材料零件的快速成形，因此在航空航天、汽车、医疗、金属、模具等工业领域具有重要的应用前景。激光熔覆3D成形工艺其实质是“自由增材成形”工艺。在激光熔覆成形制造技术中，最关键的是熔覆材料连续、均匀。准确的与激光同步传送至加工位置，材料通过热效应瞬间融化形成熔池。现有较为先进的技术，中国专利CN101386111A和CN105562951A分别公开了一种激光熔覆激光光内送丝方法和装置，利用光路变换原理将由激光器发射的圆形实心激光束切割变换为中空的圆环锥形光束，在圆环锥形光束中空区同轴置入送丝管，金属丝材通过送丝管再由送丝喷嘴输出，然后经热效应被加热融化垂直进入熔池中。
然而在成形过程中基于离散-堆积和添加成型的工作原理导致成型金属零件内部不可避免的会产生以下缺陷(1)未熔合、裂纹和缩松等；(2)热应力与变形开裂。因此，如何在通过金属增材制造金属零件时，尽量避免未融合和缩松等缺陷问题，同时提高成形零件的机械力学性能，是本领域技术人员亟待解决的问题。为解决现有金属零件激光增材制造在熔覆成形零件内部所产生的未熔合、裂纹和缩松以及热应力与变形开裂等技术问题，中国专利CN103862050A公开了一种基于层间冲击强化工艺的金属3D打印机及打印方法，该发明专利的特殊之处在于，采取每熔敷一定的层数后，停止3D打印成形，然后通过加热装置将熔覆层上表面加热到100℃-700℃，再对熔覆层进行激光冲击强化或机械喷丸强化。这是熔敷-加热-强化三道工序的组合，加热和强化是熔敷层的后处理工艺，不是复合加工。这三道工序的工艺参数选择各自独立，不影响，单独实施。然而熔覆层冷却后再激光冲击强化，其塑性变形小，很难消除熔敷层内部的缩松、微裂纹等内部缺陷，如何更高效的对不同结构金属零件整体或局部区域进行冲击强化，更进一步消除熔敷层内部的缩松、微裂纹等内部缺陷仍然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了避免以上问题，本发明提供了一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，该方法包括以下步骤：
首先，将连续激光束的圆形实心光束经光路变换为中空圆锥形聚焦光束，采用光内同轴送丝法利用热效应对被熔金属丝材进行熔覆，同时另一束脉冲激光束利用冲击波力学效应对易发生塑性变形温度区域的熔覆层进行同步冲击锻打，进行复合制造；然后熔覆层逐层堆叠形成工件。
进一步地，所述连续激光束的同轴送丝速度实行在线监测与控制，送丝速度影响金属熔覆层的厚度和宽度，如送丝速度超出连续激光处理量，则降低连续激光束移动速度，同时提高脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；如送丝速度未达到连续激光处理量，则提高连续激光束移动速度，同时降低脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，激光冲击锻打频率与压力参数的选择又约束着激光熔敷速度与送丝参数的选择，激光熔覆成形参数的选择与冲击锻打参数的选择相互影响、相互协调，形成闭环耦合控制，使整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
进一步地，将金属材料塑性变形的温度范围和尺寸范围设定为目标函数，所述连续激光束温度场由红外热成像仪采集进行在线监测与控制，短脉冲激光束在金属材料熔覆-冷却后处于塑性成形最佳温度区间对其进行冲击锻打，如果温度过高导致金属熔积区间温度偏移最佳塑形成形温度区，则降低连续激光温度；如果温度过低导致金属熔积区间温度偏移最佳塑形成形温度区，则升高连续激光温度，形成闭环控制，保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。
进一步地，双激光束复合制造工艺参数以机器人姿态，实行远距离在线检测和控制，所述短脉冲激光束通过法向冲击、正面冲击、侧面冲击实现对熔覆层多向锻打，锻打方向任意组合，短脉冲激光束的喷嘴中心线与熔覆层夹角在15°～165°范围内任意角度位置变换。
与现有技术相比本方案具有如下优点：
本方案突破了传统金属熔覆成形的质量缺陷，基于激光热效应和冲击波力学效应复合制造工艺，在热源熔化金属丝形成熔覆区的同时，对熔覆区同步进行激光冲击处理，在一步制造工序中完成成形与强化工艺，具有高效、高质量的显著特点，解决了二次强化工艺导致的二次加热、热应力和效率降低的缺点，节约了大量时间和大幅降低了生产成本。还可以精确调控激光束直径与形状、脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等参数，以适应于各种材料和复杂结构件高质量成形；同时基于连续激光采用光-丝同轴输送熔覆成形，可以高效利用金属丝成形高质量的熔覆层。
附图说明
图1为本发明一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1所示，本实施例所述的一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，步骤如下：
(1)将连续激光束的圆形实心光束经光路变换为中空圆锥形聚焦光束，采用光内同轴送丝法利用热效应对被熔金属丝材进行熔覆，同时另一束脉冲激光束利用冲击波力学效应对易发生塑性变形温度区域的熔覆层进行同步冲击锻打，进行复合制造；
(2)熔覆层逐层堆叠形成工件。
制造过程中，连续激光束的同轴送丝速度实行在线监测与控制，送丝速度影响金属熔覆层的厚度和宽度，如送丝速度超出连续激光处理量，则降低连续激光束移动速度，同时提高脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；如送丝速度未达到连续激光处理量，则升高连续激光束移动速度，同时降低脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，激光冲击锻打频率与压力参数的选择又约束着激光熔敷速度与送丝参数的选择，激光熔覆成形参数的选择与冲击锻打参数的选择相互影响、相互协调，形成闭环耦合控制，使整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
连续激光束温度场由红外热成像仪采集进行在线监测与控制，短脉冲激光束在金属材料熔覆-冷却后处于塑性成形最佳温度区间对其进行冲击锻打，如果温度过高导致金属熔积区间温度偏移最佳塑形成形温度区，则降低连续激光温度，如果温度过低导致金属熔积区间温度偏移最佳塑形成形温度区，则升高连续激光温度，形成闭环控制，保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。
短脉冲激光束通过法向冲击、正面冲击、侧面冲击实现对熔覆层多向锻打，锻打方向任意组合，短脉冲激光束的喷嘴中心线与熔覆层夹角在15°～165°范围内任意角度位置变换。
本实施例突破了传统金属熔覆成形的质量缺陷，基于激光热效应和冲击波力学效应复合制造工艺，在热源熔化金属丝形成熔覆区的同时，对熔覆区同步进行激光冲击处理，在一步制造工序中完成成形与强化工艺，具有高效、高质量的显著特点，解决了二次强化工艺导致的二次加热、热应力和效率降低的缺点，节约了大量时间和大幅降低了生产成本。还可以精确调控激光束直径与形状、脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等参数，以适应于各种材料和复杂结构件高质量成形；同时基于连续激光采用光-丝同轴输送熔覆成形，可以高效利用金属丝成形高质量的熔覆层。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)将连续激光束的圆形实心光束经光路变换为中空圆锥形聚焦光束，采用光内同轴送丝法利用热效应对被熔金属丝材进行熔覆，同时另一束脉冲激光束利用冲击波力学效应对易发生塑性变形温度区域的熔覆层进行同步冲击锻打，进行复合制造；(2)熔覆层逐层堆叠形成工件。
2.根据权利要求1所述的一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，其特征在于：所述连续激光束的同轴送丝速度实行在线监测与控制，送丝速度影响金属熔覆层的厚度和宽度，如送丝速度超出连续激光处理量，则降低连续激光束移动速度，同时提高脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，激光冲击锻打频率与压力参数的选择又约束着激光熔敷速度与送丝参数的选择，激光熔覆成形参数的选择与冲击锻打参数的选择相互影响、相互协调，形成闭环耦合控制，使整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
3.根据权利要求1所述的一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，其特征在于：所述连续激光束温度场由红外热成像仪采集进行在线监测与控制，短脉冲激光束在金属材料熔覆-冷却后处于塑性成形最佳温度区间对其进行冲击锻打，如果温度过高导致金属熔积区间温度偏移最佳塑形成形温度区，则降低连续激光温度，如果温度过低导致金属熔积区间温度偏移最佳塑形成形温度区，则提高连续激光温度，形成闭环控制，保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。
4.根据权利要求1所述的一种金属零件激光光内送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，其特征在于：所述短脉冲激光束通过法向冲击、正面冲击、侧面冲击实现对熔覆层多向锻打，锻打方向任意组合，短脉冲激光束的喷嘴中心线与熔覆层夹角在15°～165°范围内任意角度位置变换。
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