CN107385430A - 一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法 - Google Patents

一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法，方法基于激光内同轴送粉技术，熔覆激光束利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束同步利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行冲击锻打，二者同时同步耦合进行不等宽构件首层的复合制造；另外，在熔覆过程中熔覆激光光头采用变姿态以及变光斑工艺。本发明有效地解决了内应力、气孔、微裂纹与开裂等内部缺陷，提高了零件的综合机械力学性能和抗变形与开裂能力，大大体改提高了不等宽构件成形精度。

Description

一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及 方法
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法。
背景技术
目前，激光熔覆成形不等宽构件均是采用多道搭接熔覆。搭接率直接影响成形表面宏观平整度。其选择不合理将直接导致成形表面宏观倾斜角度增大，影响成形表面尺寸精度，易造成熔覆层冷却不均匀引起能量累积，而导致熔覆层开裂等缺陷产生。而且在传统激光熔覆成形过程中，熔覆激光光头始终保持竖直方向，在水平方向上做不同的路径扫描，而在水平方向相对已成形体表面给出不同的偏移量，即水平分层的方式进行空间熔覆成形。但是随着角度的变大，层与层之间的错位量越来越大，逐渐达到半错位甚至全错位，导致熔池流淌，无法继续堆积，从而无法获得有倾斜面、悬臂的零部件。
对于专利ZL200610024264.6一种激光变斑熔覆成形工艺及用于该工艺的同轴喷头。其采用轮廓法规划成形零件每一层片的扫描路径；用小光斑和小口径管送粉进行层片内轮廓的熔覆，大光斑和大口径管送粉进行层片区域的熔覆，单粉束和光束同轴并垂直于成型表面，粉斑直径略大于光斑直径。这是用离焦法调节同轴心双层直管结构的送粉管，进行变光斑激光熔覆成形的方法，其存在如下问题：(1)用同轴心双层粉管结构，不同口径改变光斑直径，不易操作控制，存在并联运行的误差；(2)熔覆成形新的层片时，需要移动成形零件与光粉喷头的相对位置，离焦法调整送粉管的送粉量，存在精度误差；(3)分步激光熔覆成形层片内轮廓和层片区域，非均匀冷却下非平衡固态相变也存在时间差，造成表面损伤和内部缺陷，获得不同部位不同的表面质量和性能。
对于专利CN201310174650.3一种不等宽构件的激光直接成形方法。其采用一次扫描直接成形出一层不等宽熔道，完成一层后，提升喷嘴一个分层高度，在已成形熔覆层上继续熔覆新的熔道，直至三维零件成形。其存在如下问题：(1)这样熔覆一层继续熔覆下一层直至零件成形后，再激光冲击强化，其塑性变形小，很难消除内部缺陷；(2)根据熔道尺寸调节光斑大小，不能改变光斑形状(圆形或方形)；(3)激光头和激光束固定垂直于工作平台，需要移动与熔覆层相对位置，才能激光熔覆不等宽构件的不同曲面。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成形精度高、能解决内应力、气孔、微裂纹与开裂等内部缺陷、提高不等宽构件的综合机械力学性能和抗变形与开裂能力的不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：包括工件旋转设备、熔覆激光器、熔覆激光器控制系统、机器人、熔覆激光器功率调节设备、计算机、实时跟踪反馈系统、短脉冲激光器功率调节设备、在线监测系统、短脉冲激光器控制系统、短脉冲激光器以及工作平台；其中，工件固定在工作平台上，工作平台安装在工件旋转设备上由工件旋转设备带动旋转，熔覆激光器和短脉冲激光器位于工件侧；熔覆激光器控制系统分别与熔覆激光器功率调节设备和熔覆激光器连接，而短脉冲激光器控制系统分别与短脉冲激光器功率调节设备和短脉冲激光器连接；在线监测系统通过实时跟踪反馈系统分别与熔覆激光器功率调节设备、短脉冲激光器功率调节设备、机器人连接；工件旋转设备、熔覆激光器功率调节设备、短脉冲激光器功率调节设备、实时跟踪反馈系统均与计算机连接。
进一步地，系统还包括有光粉同轴装置和同轴送粉驱动装置，光粉同轴装置安装在熔覆激光器内，同轴送粉驱动装置连接于熔覆激光器和熔覆激光器控制系统之间。
在线监测系统和实时跟踪反馈系统分布与两激光器中间，相隔一定距离(根据熔覆和强化温度场的交融计算)，并在激光熔覆成形的同时工作，先后调节短脉冲激光器和熔覆激光器参数，二者相隔一段时间差(由熔覆成形和激光冲击锻打相对速度和温度场决定)，三者的同步作用实现了相关参数的自动补偿。
为实现上述目的，本发明另外提供一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形方法,其基于激光内同轴送粉技术，具体步骤如下：
S1.不等宽构件激光熔覆冲击锻打预处理；
S2.根据三维成形零件模型，进行一次变光斑多姿态激光熔覆成形，获得待成形金属零件的第一层片；
S3.在线监测系统和实时跟踪反馈系统配合，将熔覆成形后的零件表面性能和结构尺寸等参数先后反馈给短脉冲激光器和熔覆激光器，自动补偿短脉冲激光器的相关参数；
S4.短脉冲激光器在最佳塑性成形温度区进行冲击锻打，和熔覆激光器同时同步耦合作用；
S5.在线监测系统和实时反馈系统单独作用，在不等宽构件上一层复合制造完成后，收集不等宽构件表面性能和结构尺寸的参数以及激光器参数，记录保存数据并进行误差分析，自动补偿短脉冲激光器和熔覆激光器的相关参数；
S6.根据误差分析改变熔覆激光光斑形状和大小、扫描速度以及熔覆激光头姿态，重复步骤S2-S4进行不等宽构件下一层的复合成形；
S7.重复步骤S5-S6依次进行待成形不等宽构件的不同层片的复合成形，直至不等宽构件完全成形且其表面质量和内部性能均达到相关要求。
进一步地，步骤S1不等宽构件激光熔覆冲击锻打预处理的具体步骤如下：
S11.用计算机建立不等宽构件三维模型，通过软件对模型进行分层处理；
S12.获取不等宽构件的轮廓层面信息，规划路线；
S13.根据加工部位尺寸，选择激光光斑形状，调节激光光斑大小，同步调节熔覆激光器功率，扫描速度及送粉量；
S14.进行一次扫描；
S15.根据进行一次扫描后不等宽构件的曲面尺寸和厚度，以及步骤S11-S13的参数，机器人控制熔覆激光头的姿态发生变化，以多姿态方式调节待成形表面与熔覆激光器光束焦点间的距离。
进一步地，所述熔覆激光器和短脉冲激光器互相耦合，短脉冲激光器锻打参数分别由在线监测系统和实时跟踪反馈系统进行监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光器冲击锻打参数的选择又约束着熔覆激光器熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
进一步地，所述短脉冲激光器通过法向冲击、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，本方案的原理以及相应的有益效果如下：
熔覆激光器利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束同步利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行冲击锻打，二者同时同步耦合进行不等宽构件首层的复合制造，能有效解决内应力、气孔、微裂纹与开裂等内部缺陷，提高零件的综合机械力学性能和抗变形与开裂能力。另外，在熔覆过程中熔覆激光光头采用变姿态以及变光斑工艺，使大大体改提高不等宽构件成形精度。
上述的变光斑方式，即：一次扫描而非多道搭接直接熔覆不等宽熔覆层。在变光斑过程中，实时调整激光扫描速度，可使进入熔池的激光能量密度及粉末重量密度保持不变，熔覆出高度增长一致，宽度逐渐变化的熔覆层。同时采用空间连续变方向变姿态熔覆成形，使得光头轴线方向始终与已成形基体表面的中心轴线方向一致，光头的姿态不断地变化来适应成形件的不同曲面的熔覆。应用空间变姿态切向分层、空间变姿态轴线偏移补偿、空间熔道变角度生长自适应等技术，使上下层熔道完全结合，有效解决了因错层分层造成的成形件表面粗糙以及成形件形状受限制等问题。
附图说明
图1为本发明中一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统结构示意图；
图2为本发明中一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形方法的工作流程图。
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不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统，包括工件旋转设备1、光粉同轴装置2、熔覆激光器3、同轴送粉驱动装置4、熔覆激光器控制系统5、机器人6、熔覆激光器功率调节设备7、计算机8、实时跟踪反馈系统9、短脉冲激光器功率调节设备10、在线监测系统11、短脉冲激光器控制系统12、短脉冲激光器13以及工作平台14；其中，工件固定在工作平台14上，工作平台14安装在工件旋转设备1上由工件旋转设备1带动旋转，熔覆激光器3和短脉冲激光器13位于工件侧；熔覆激光器控制系统5分别与熔覆激光器功率调节设备7和熔覆激光器3连接，而短脉冲激光器控制系统12分别与短脉冲激光器功率调节设备10和短脉冲激光器13连接；在线监测系统11通过实时跟踪反馈系统9分别与熔覆激光器功率调节设备7、短脉冲激光器功率调节设备10、机器人6连接；工件旋转设备1、熔覆激光器功率调节设备7、短脉冲激光器功率调节设备10、实时跟踪反馈系统9均与计算机8连接。
工作步骤如下：
S1.不等宽构件激光熔覆冲击锻打预处理，预处理步骤如下：
S11.用计算机8建立不等宽构件三维模型，通过软件对模型进行分层处理；
S12.获取不等宽构件的轮廓层面信息，规划路线；
S13.根据加工部位尺寸，选择激光光斑形状，调节激光光斑大小，同步通过熔覆激光器功率调节设备7调节熔覆激光器3功率，扫描速度及送粉量；
S14.进行一次扫描；
S15.根据进行一次扫描后不等宽构件的曲面尺寸和厚度，以及步骤S11-S13的参数，机器人6控制熔覆激光器3的激光头的姿态发生变化，以多姿态方式调节待成形表面与熔覆激光光束焦点间的距离；
S2.预处理完成后，根据三维成形零件模型，进行一次变光斑多姿态激光熔覆成形，获得待成形金属零件的第一层片；
S3.在线监测系统11和实时跟踪反馈系统9配合，将熔覆成形后的零件表面性能和结构尺寸等参数先后反馈给短脉冲激光器13和熔覆激光器3，自动补偿短脉冲激光器13的相关参数；
S4.短脉冲激光器13在最佳塑性成形温度区通过法向冲击、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，短脉冲激光器13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，和熔覆激光器3同时同步耦合作用：短脉冲激光器13锻打参数分别由在线监测系统11和实时跟踪反馈系统9进行监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光器13冲击锻打参数的选择又约束着熔覆激光器3熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻；
S5.在线监测系统11和实时反馈系统9单独作用，在不等宽构件上一层复合制造完成后，收集不等宽构件表面性能和结构尺寸的参数以及激光器参数，记录保存数据并进行误差分析，自动补偿短脉冲激光器13和熔覆激光器3的相关参数；
S6.根据误差分析改变熔覆激光光斑形状和大小、扫描速度以及熔覆激光器3的激光头姿态，重复步骤S2-S4进行不等宽构件下一层的复合成形；
S7.重复步骤S5-S6依次进行待成形不等宽构件的不同层片的复合成形，直至不等宽构件完全成形且其表面质量和内部性能均达到相关要求。
本实施例中熔覆激光器利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束同步利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行冲击锻打，二者同时同步耦合进行不等宽构件首层的复合制造，有效解决内应力、气孔、微裂纹与开裂等内部缺陷，提高了零件的综合机械力学性能和抗变形与开裂能力。另外，在熔覆过程中熔覆激光光头采用变姿态以及变光斑工艺，大大体改提高不等宽构件成形精度。
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 (7)

1.一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统，其特征在于：包括工件旋转设备(1)、熔覆激光器(3)、熔覆激光器控制系统(5)、机器人(6)、熔覆激光器功率调节设备(7)、计算机(8)、实时跟踪反馈系统(9)、短脉冲激光器功率调节设备(10)、在线监测系统(11)、短脉冲激光器控制系统(12)、短脉冲激光器(13)以及工作平台(14)；其中，工件固定在工作平台(14)上，工作平台(14)安装在工件旋转设备(1)上由工件旋转设备(1)带动旋转，熔覆激光器(3)和短脉冲激光器(13)位于工件侧；熔覆激光器控制系统(5)分别与熔覆激光器功率调节设备(7)和熔覆激光器(3)连接，而短脉冲激光器控制系统(12)分别与短脉冲激光器功率调节设备(10)和短脉冲激光器(13)连接；在线监测系统(11)通过实时跟踪反馈系统(9)分别与熔覆激光器功率调节设备(7)、短脉冲激光器功率调节设备(10)、机器人(6)连接；工件旋转设备(1)、熔覆激光器功率调节设备(7)、短脉冲激光器功率调节设备(10)、实时跟踪反馈系统(9)均与计算机(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统，其特征在于：还包括有光粉同轴装置(2)和同轴送粉驱动装置(4)，光粉同轴装置(2)安装在熔覆激光器(3)内，同轴送粉驱动装置(4)连接于熔覆激光器(3)和熔覆激光器控制系统(5)之间。
3.一种用于权利要求1所述不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统的方法，其特征在于：基于激光内同轴送粉技术，根据不等宽构件三维实体模型的不同曲面和层次，用机器人实现熔覆激光器的激光头空间变姿态、变方向分层、变光斑工艺，进行激光熔覆成形，同时，控制短脉冲激光器对易塑性变形温度区熔覆层冲击锻打，二者耦合作用实现不等宽构件的复合成形。
4.根据权利要求3所述的一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1.不等宽构件激光熔覆冲击锻打预处理；
S2.根据三维成形零件模型，进行一次变光斑多姿态激光熔覆成形，获得待成形金属零件的第一层片；
S3.在线监测系统和实时跟踪反馈系统配合，将熔覆成形后的零件表面性能和结构尺寸等参数先后反馈给短脉冲激光器和熔覆激光器，自动补偿短脉冲激光器的相关参数；
S4.短脉冲激光器在最佳塑性成形温度区进行冲击锻打，和熔覆激光器同时同步耦合作用；
S5.在线监测系统和实时反馈系统单独作用，在不等宽构件上一层复合制造完成后，收集不等宽构件表面性能和结构尺寸的参数以及激光器参数，记录保存数据并进行误差分析，自动补偿短脉冲激光器和熔覆激光器的相关参数；
S6.根据误差分析改变熔覆激光光斑形状和大小、扫描速度以及熔覆激光头姿态，重复步骤S2-S4进行不等宽构件下一层的复合成形；
S7.重复步骤S5-S6依次进行待成形不等宽构件的不同层片的复合成形，直至不等宽构件完全成形且其表面质量和内部性能均达到相关要求。
5.根据权利要求4所述的一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形方法，其特征在于：所述步骤S1不等宽构件激光熔覆冲击锻打预处理的具体步骤如下：
S11.用计算机建立不等宽构件三维模型，通过软件对模型进行分层处理；
S12.获取不等宽构件的轮廓层面信息，规划路线；
S13.根据加工部位尺寸，选择激光光斑形状，调节激光光斑大小，同步调节熔覆激光器功率，扫描速度及送粉量；
S14.进行一次扫描；
S15.根据进行一次扫描后不等宽构件的曲面尺寸和厚度，以及步骤S11-S13的参数，机器人控制熔覆激光头的姿态发生变化，以多姿态方式调节待成形表面与熔覆激光光束焦点间的距离。
6.根据权利要求3所述的一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形方法，其特征在于：所述熔覆激光器和短脉冲激光器互相耦合，短脉冲激光器锻打参数分别由在线监测系统和实时跟踪反馈系统进行监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光器冲击锻打参数的选择又约束着熔覆激光器熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
7.根据权利要求3所述的一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形方法，其特征在于：所述短脉冲激光器通过法向冲击、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，短脉冲激光器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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