CN107983955A - 一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置 - Google Patents

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李怀学
巩水利
陈哲源
刘琦
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Abstract

本发明公开了一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,与现有激光选区熔化设备相比,其工作环境是10‑1Pa以上的真空环境,真空环境对流很弱,热量不容易散失,可大幅度提高预热保温效果,且由于隔热性良好,即使高预热温度也不会使设备敏感部件明显升温造成其损害,因此本发明可使激光选区熔化设备的预热温度大幅提高;使用单台激光器作为热源,通过聚焦镜的移动实现预热扫描和成形扫描模式的转变,比使用两台激光器(一台用于预热扫描,一台用于成形扫描)具有更好的经济性;与电子束选区熔化设备相比,使用本发明的激光选区熔化设备特别适合用于成形带磁性或不导电材料,且可以使用更细的粉末,零件成形精度更高,市场前景广阔。

Description

一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置
技术领域
[0001]本发明属于激光材料加工领域,更具体地说,本发明涉及一种用于激光选区熔化 成形的预热保温装置。
背景技术
[0002]激光选区熔化技术是通过把零件3D模型沿一定方向离散成一系列微米量级薄层, 以激光为热源,根据每层预先设计好的加工路径,逐层扫描并选区熔化预铺的金属粉末床, 从而直接制造出任意复杂形状的净成形零件。成形零件可无需数控加工,仅需热处理和表 面光整处理即可投入使用。激光选区熔化技术特别适合复杂薄壁结构、空间曲面多孔结构、 封闭多流道结构等的快速制造,在航空航天、核工业、兵器等领域的新型号研制、现役型号 技术升级方面具有广阔的应用前景。
[0003]现有激光选区熔化设备的保护舱室一般采用充惰性气体(如氩气或氮气)进行保 护,气体对流导致热量散失快,隔热效果差,因此预热温度和预热范围受到严重制约。采用 电阻丝加热基板或双激光器扫描预热的方式进行整个成形尺寸范围的大幅面预热,预热温 度不超过200°c,提高预热温度,则必须缩小预热范围。由于预热温度的制约,现有激光选区 熔化设备主要针对TC4钛合金、316不锈钢、AlSilOMg合金、In718高温合金、MSI模具钢等成 形性较好的材料,对于超高强度钢、金属间化合物、陶瓷等脆性材料,成形过程易开裂,难以 满足成形需求,而提高预热温度,是抑制上述材料成形过程开裂的重要技术手段。
发明内容
[0004]本发明所要解决的问题是提供一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置。
[0005] 为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为: 一种用于激光选区溶化成形的预热保温装置,包括光路系统、真空成形舱室、控制系 统、外部抽真空装置和成型缸,所述控制系统控制光路系统、真空成形舱室、外部抽真空装 置和成型缸,所述光路系统置于真空成形舱室的上方,所述光路系统通过保护镜片与真空 成形舱室密封连接,所述真空成形舱室与外部抽真空装置连接。
[0006] 优选的,所述光路系统包括激光束、激光器、准直扩束镜、聚焦镜、X向和Y向偏摆 镜,所述激光束从激光器产生后经准直扩束镜、聚焦镜、X向和Y向偏摆镜,透过保护镜片,进 入真空成形舱室。
[0007] 优选的,所述聚焦镜片可在水平方向上来回移动,聚焦镜片靠近准直扩束镜时,照 射至加工平面上的激光束为散焦状态;聚焦镜片靠近X向和Y向偏摆镜时,照射至加工平面 上的激光束为聚焦状态。
[0008] 优选的,所述真空成形舱室与外部抽真空装置连接后成形舱室的真空度大于10— ipa。
[0009] 优选的,所述成形缸内设置有升降平台,所述升降平台上面设置有基板。
[0010] 优选的,所述基板和升降平台之间放置隔热材料,所述基板下方插入热电偶,所述 基板周围铺满粉末。
[0011]优选的,所述激光器设置为光纤激光器,,所述光纤激光器的功率范围为500-2000W。
[0012]优选的,所述聚焦镜放置于准直扩束镜、X向和Y向偏摆镜之间,或者聚焦镜放置于 X向和Y向偏摆镜、保护镜片固定基座之间。
[0013]有益效果:本发明提供了一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,与现有激 光选区熔化设备相比,其工作环境是K^Pa以上的真空环境,真空环境对流很弱,热量不容 易散失,可大幅度提高预热保温效果,且由于隔热性良好,即使高预热温度也不会使设备敏 感部件明显升温造成其损害,因此本发明可使激光选区熔化设备的预热温度大幅提高;使 用单台激光器作为热源,通过聚焦镜的移动实现预热扫描和成形扫描模式的转变,比使用 两台激光器(一台用于预热扫描,一台用于成形扫描)具有更好的经济性;与电子束选区熔 化设备相比,使用本发明的激光选区熔化设备特别适合用于成形带磁性或不导电材料,且 可以使用更细的粉末,零件成形精度更高,市场前景广阔。
附图说明
[0014]图1是一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置的结构示意图。
[0015] 其中:1一真空成形舱室、2—保护镜片、3—保护镜片的固定基座、4一X向和Y向偏 摆镜、5—聚焦镜、6—准直扩束镜、7—光纤头、8—激光器、9 一贮粉料斗、10—成型缸、11 一 升降平台、12—基板、13—隔热材料、14一粉末、15—刮刀、16—激光束、17—成形零件、18— 外部抽真空装置、19 一控制系统。
具体实施方式 [0016] 实施例: 一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,包括光路系统、真空成形舱室1、控制系 统19、外部抽真空装置18和成型缸10,所述控制系统19控制光路系统、真空成形舱室1、外部 抽真空装置18和成型缸10,所述光路系统置于真空成形舱室1的上方,所述光路系统通过保 护镜片2与真空成形舱室1密封连接,所述真空成形舱室1与外部抽真空装置18连接,所述光 路系统包括激光束16、激光器8、准直扩束镜6、聚焦镜5、X向和Y向偏摆镜4,所述激光束16从 激光器8产生后经准直扩束镜6、聚焦镜5、X向和Y向偏摆镜4,透过保护镜片2,进入真空成形 舱室1,所述成形缸1〇内设置有升降平台11,所述升降平台11上面设置有基板12,所述基板 12和升降平台11之间放置隔热材料13,所述基板12下方插入热电偶,所述基板周围铺满粉 末14,所述激光器8设置为光纤激光器,所述光纤激光器的功率为1000W,所述真空成形舱室 1与外部抽真空装置18连接后真空成形舱室1的真空度大于K^Pa。
[0017]所述聚焦镜放置于准直扩束镜、X向和Y向偏摆镜之间,或者聚焦镜放置于X向和Y 向偏摆镜、保护镜片固定基座之间。
[0018]工作原理:真空成形舱室1上部开孔,通过保护镜片2与光路系统密封连接,保护镜 片放置在固定基座3中,固定基座3与真空成形舱室1上部开孔处密封连接,基座3方便从真 空成形舱室1上取下来,使用一台1000W光纤激光器8,激光器8通过光纤头7与准直扩束镜6、 聚焦镜5、X向和Y向偏摆镜4连接,聚焦镜5可在A位置和B位置来回移动,其运动由控制系统 I9根据加工指令自动控制,聚焦镜5移动到A位置时,照射在加工平面上的激光束16为大光 斑散焦状态,方便扫描预热,参数如下:激光功率900W、扫描速度2m/s、光斑直径5mra、扫描方 式为往复扫描、相邻两道扫描间隔4ram,扫描预热完成后,聚焦镜5移动到B位置,此时照射在 加工平面上的激光束16处于焦点位置;成形缸1〇位于真空成形舱室1内,保护镜片2的正下 方,成形缸10内安装有升降平台11,基板12放置于升降平台11上面,基板12和升降平台11之 间放置隔热材料13,基板12下方插入热电偶,监测其温度情况,成形过程中基板12周围铺满 粉末14,粉末14起隔热作用,防止基板与成形缸10直接接触,从而导致成形缸10的温度过 高;控制系统19控制聚焦镜5在A位置和B位置来回移动、X向和Y向偏摆镜4的偏摆、升降平台 11的运动,保持成形舱室1的真空度在lO^Pa以上。
[0019]本发明提供了一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,与现有激光选区熔化 设备相比,其工作环境是H^Pa以上的真空环境,真空环境对流很弱,热量不容易散失,可大 幅度提高预热保温效果,且由于隔热性良好,即使高预热温度也不会使设备敏感部件明显 升温造成其损害,因此本发明可使激光选区熔化设备的预热温度大幅提高;使用单台激光 器作为热源,通过聚焦镜的移动实现预热扫描和成形扫描模式的转变,比使用两台激光器 (一台用于预热扫描,一台用于成形扫描)具有更好的经济性;与电子束选区熔化设备相比, 使用本发明的激光选区熔化设备特别适合用于成形带磁性或不导电材料,且可以使用更细 的粉末,零件成形精度更高,市场前景广阔。
[0020]以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员 来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明 的保护范围。

Claims (8)

1. 一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于,包括光路系统、真空成形 舱室、控制系统、外部抽真空装置和成型缸,所述控制系统控制光路系统、真空成形舱室、夕卜 部抽真空装置和成型缸,所述光路系统置于真空成形舱室的上方,所述光路系统通过保护 镜片与真空成形舱室密封连接,所述真空成形舱室与外部抽真空装置连接。
2. 按照权利要求1所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述光路系统包括激光束、激光器、准直扩束镜、聚焦镜、X向和Y向偏摆镜,所述激光束从激光 器产生后经准直扩束镜、聚焦镜、X向和Y向偏摆镜,透过保护镜片,进入真空成形舱室。
3.按照权利要求2所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述聚焦镜片可在水平方向上来回移动,聚焦镜片靠近准直扩束镜时,照射至加工平面上的 激光束为散焦状态;聚焦镜片靠近X向和Y向偏摆镜时,照射至加工平面上的激光束为聚焦 状态。
4.按照权利要求1所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述真空成形舱室与外部抽真空装置连接后成形舱室的真空度大于H^Pa。
5. 按照权利要求1所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述成形缸内设置有升降平台,所述升降平台上面设置有基板。
6. 按照权利要求5所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述基板和升降平台之间放置隔热材料,所述基板下方插入热电偶,所述基板周围铺满粉末。
7. 按照权利要求2所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述激光器设置为光纤激光器,所述光纤激光器的功率范围为500-2000W。
8. 按照权利要求2所述的一种用于激光选区熔化成形的预热保温装置,其特征在于:所 述聚焦镜放置于准直扩束镜、X向和Y向偏摆镜之间,或者聚焦镜放置于X向和Y向偏摆镜、保 护镜片固定基座之间。
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