CN108326432A - 一种slm成型tc4合金的激光抛光装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种SLM成型TC4合金的激光抛光装置和方法，属于激光加工技术领域。抛光前期影响表面粗糙度的是材料表面大颗粒物质，需要多遍扫描抛光去除大颗粒物质，多遍扫描后会出现两道搭接凸起的部分；所述的扫描是垂直前一遍激光运动方向水平移动少于半个光斑距离，保持前一遍激光扫描的参数不变进行扫描抛光。因为在垂直激光运动方向上移动了一定的距离，第二遍扫描的抛光区域会覆盖第一遍激光扫描过程中两道搭接凸起的部分。材料表面的大颗粒物质会随着抛光遍数的增加会逐渐熔化，从而去掉低频得到相对平整的表面。随着扫描遍数的增加，材料表面的高频部分会被熔化掉，从而得到有金属光泽的加工件。此种装置和方法简单快捷。

Description

一种SLM成型TC4合金的激光抛光装置和方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别是涉及一种用于SLM成型TC4合金的抛光装置以及使用该装置的抛光方法。

背景技术

由于激光抛光具有非接触式抛光、微区抛光、复杂结构抛光、提高标准元件的生产率等特点，激光抛光得到了广泛的重视。同时不同的激光器具有不同的输出参数，激光抛光的应用范围涵盖了金属和非金属等众多领域。但是针对于某些特殊领域，比如SLM成型的牙齿和模具钢等，依据现有的技术，激光抛光的粗糙度还需要进一步降低。

激光大面积扫描抛光会出现两道搭接凸起的部分。这是由于激光的光斑大小远小于抛光件的尺寸，大面积抛光必然有两道激光的搭接。并且激光功率越大，扫描遍数越多，凸起部分越明显。这会提高整体表面的粗糙度，而对于激光抛光表面颗粒度非常高的SLM成型制造件，又必须进行高功率、多重扫描，从而去掉表面非常粗糙的部分。

如何进一步降低SLM制造件表面粗糙度已成为一个急需要解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有加工简单、使用方便的激光抛光装置以及其使用方法。

本发明的技术方案采用一种SLM成型TC4合金的激光抛光装置，包括激光光源(1)、电脑控制装置(2)、光纤(3)、激光加工头(4)、气体保护喷嘴(5)、气体保护瓶(6)和工作平台(7)；气体保护喷嘴(5)和气体保护瓶(6)连接，激光光源(1)通过光纤(3)与激光加工头(4)连接，激光光源(1)和电脑控制装置(2)连接，工作平台(7)上放置待抛光的工件，激光加工头(4)和气体保护喷嘴(5)对准工作平台(7)上待抛光的工件表面；激光加工头(4)与电脑控制装置(2)连接，工作平台(7)固定不动，由电脑控制装置(2)控制激光加工头(4)相对工作平台(7)进行运动。

所述激光光源为1080nm均匀分布单模连续光纤激光器。均匀分布的激光光束即平顶光束，对抛光表面的平整化和降低整体粗糙度有重要作用。

所述激光加工头能调整与工件表面之间的距离即Z向距离和控制X-Y两轴向运动。采用激光加工头，加工件不动的方式，能有效避免加工过程中因为加工件固定不稳或者晃动而造成抛光效果不理想；并且该系统具有预跑和延时开光的功能，在避免激光加工头加速和减速过程中出光，最大程度保证抛光是匀速直线加工。

所述气体保护瓶和气体保护喷嘴共同组成保护系统，气体保护瓶设有气阀能控制输出氩气流速，避免气流过大影响表面抛光效果，又能避免气流过小达不到保护的效果；保护喷嘴的设计最大程度扩大保护范围，保护抛光区域不受氧化。

所述同时电脑控制系统能控制激光加工头的离焦量、扫描速度、扫描路径、扫描遍数和扫描面积，控制激光光源的功率等参数；

激光从光纤激光器产生并发出，通过光纤进行传输，最后在激光加工头上实现输出，并在工件表面进行抛光。

使用SLM成型TC4合金的激光抛光装置进行抛光时，开启保护气体，利用电脑控制系统根据激光抛光最优参数在工件表面进行第一遍平行直线形貌的平面扫描，在工件表面扫描最终路径相当于是一组平行线性组合形貌，如图2所示；然后进行第二遍平行间隔直线形状的平面扫描，第二遍平行间隔直线形状的平面扫描方法与第一遍相同，且第一遍和第二遍两道平行线直线形貌之间具有部分重叠，即扫描上述部分重叠的两道直线平行形貌对应的激光间距是小于等于半个光斑；待激光加工头扫描完第一遍后回到原始位置，假设一道光斑为水平方向，垂直水平方向移动小于等于半个光斑的光斑距离，保持第一遍扫描的参数不变，进行第二遍扫描；重复上述步骤进行多遍扫描加工，直到表面粗糙度得到明显的改善，得到需要的光洁度。

依据主要技术特征进一步限定。从激光加工头发射出的激光，在电脑控制装置控制下，扫描路径可以是直线扫描路径或蛇形扫描路径，直线扫描路径能最大程度降低激光扫描热的积累，避免TC4氧化。当然也可以每遍扫描后停留一段时间的方式，待TC4完全冷却后再进行下一遍扫描；抛光前期影响表面粗糙度的是材料表面大颗粒物质，需要多遍扫描抛光去除大颗粒物质，多遍扫描后会出现两道搭接凸起的部分；所述的扫描是垂直前一遍激光运动方向水平移动少于等于半个光斑距离，保持前一遍激光扫描的参数不变进行扫描抛光。因为在垂直激光运动方向上移动了一定的距离，所以此遍扫描的抛光区域会覆盖前一遍扫描过程中两道搭接凸起的部分。材料表面的大颗粒物质会随着抛光遍数的增加会逐渐熔化，从而去掉低频得到相对平整的表面。随着扫描遍数的继续增加，材料表面的高频部分会被熔化掉，从而得到有金属光泽的金属件。

本发明设计了一种SLM成型TC4合金的激光抛光装置，TC4合金是没有通过任何机械处理的SLM成型件，表面粗糙度在10μm左右。通过使用均匀分布单模连续光纤激光器、移动多重扫描等技术手段，减少了由于激光重复扫描形成的比较明显的搭接凸起部分，大大降低了材料表面整体粗糙度。同时使用1080nm连续红外波段的光纤激光器，相比于脉冲激光器的去除抛光，表面微熔和浅熔的抛光机制，更适合对金属进行抛光。还有该系统具有预跑和延时开关的功能，在激光加工头加速和减速过程中，最大程度保证抛光是匀速直线加工。另外抛光不需要改变激光器和激光参数，只需要移动位置即可,实验装置和方法简单易行。最后这种方法也是可以应用于三维立体抛光。目前一般的3D打印工件的抛光粗糙度可达到500nm左右，而采用本装置可达100nm左右,相对于原始表面10um表面的粗糙度，工件表面粗糙度降低了99％。

附图说明

图1为本实施例中所述激光抛光装置的结构示意图；

图2为直线扫描路径示意图；

图3为蛇形扫描路径示意图；

图4为第N遍扫描激光路径横截面示意图；

图5为第二遍扫描激光路径(虚线)和第一遍(实线)对比示意图；

图6为第N遍扫描后加工件形貌示意图(下部分曲线)和第N+1遍扫描激光的起始位置(上部分箭头部分)；

图7为高斯光束和均匀单模光束的区别示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，此装置包括1激光光源、2电脑控制装置、3光纤、4激光加工头、5气体保护喷嘴、6气体保护瓶和7抛光平台等。

(1)对TC4进行表面清理，并置于抛光平台7上；

(2)确定抛光区域，并选定抛光区域的起始点，完成对刀；

(3)通过控制电脑装置2进行参数的设置；

(3)根据最优实验参数，选择扫描间距0.3mm，设置激光扫描为直线扫描路径,如图2所示，设置抛光的区域为2cm*2cm的矩形抛光区域；

(4)根据最优实验参数，设置调整激光加工头4与工件表面距离为正离焦量为9mm，设置扫描速度为80mm/s；

(5)将保护喷嘴5对准抛光区域，设置氩气的流速为8L/min；

(6)首先手动开启气体保护瓶6的气体气阀，开启激光器并启动加工平台进行第一遍扫描。扫描完成后，加工台自动回到起始点；

(7)待工件冷却10s后，将加工起始点往Y轴移动0.1mm，0.1mm小于光斑大小0.3mm，保持上述激光参数不变，进行第二遍扫描，第二遍扫描路径如图5虚线所示，实线为第一遍扫描的路径；

(8)重复步骤(7)直到抛光达到满意的效果，加工完成待工件冷却后手动关闭气体保护瓶6的保护气体气阀；

(9)经过6遍重复扫描后，使用视场范围为736nm*480nm的干涉仪观察抛光表面，粗糙度Ra值最小能到104.13nm，满足实际加工要求。

Claims (4)

1.一种SLM成型TC4合金的激光抛光装置，包括激光光源(1)、电脑控制装置(2)、光纤(3)、激光加工头(4)、气体保护喷嘴(5)、气体保护瓶(6)和工作平台(7)；气体保护喷嘴(5)和气体保护瓶(6)连接，激光光源(1)通过光纤(3)与激光加工头(4)连接，激光光源(1)和电脑控制装置(2)连接，工作平台(7)上放置待抛光的工件，激光加工头(4)和气体保护喷嘴(5)对准工作平台(7)上待抛光的工件表面；激光加工头(4)与电脑控制装置(2)连接，工作平台(7)固定不动，由电脑控制装置(2)控制激光加工头(4)相对工作平台(7)进行运动。

2.按照权利要求1所述的一种SLM成型TC4合金的激光抛光装置，其特征在于，所述激光光源为1080nm均匀分布单模连续光纤激光器。均匀分布的激光光束即平顶光束；

所述激光加工头能调整与工件表面之间的距离即Z向距离和控制X-Y两轴向运动，并且具有预跑和延时出光的功能；

所述气体保护瓶和气体保护喷嘴共同组成保护系统，气体保护瓶设有气阀能控制输出氩气流速；保护喷嘴的设计最大程度扩大保护范围，保护抛光区域不受氧化；

所述电脑控制系统能同时控制激光加工头的离焦量、扫描速度、扫描路径、扫描遍数和扫描面积，控制激光光源的功率参数；

激光从光纤激光器产生并发出，通过光纤进行传输，最后在激光加工头上实现输出，并在工件表面进行抛光。

3.采用权利要求1或2所述的SLM成型TC4合金的激光抛光装置进行抛光的方法，其特征在于，包括以下步骤：开启保护气体，利用电脑控制系统根据激光抛光最优参数在工件表面进行第一遍平行直线形貌的平面扫描，在工件表面扫描最终路径相当于是一组平行线性组合形貌，此时最优参数为激光能量密度刚好熔化TC4材料表面时的激光参数；然后进行第二遍平行间隔直线形状的平面扫描，第二遍平行间隔直线形状的平面扫描方法与第一遍相同，且第一遍和第二遍两道平行线直线形貌之间具有部分重叠，即扫描上述部分重叠的两道直线平行形貌对应的激光间距是小于等于半个光斑距离；待激光加工头扫描完第一遍后回到原始位置，假设一道光斑为水平方向，垂直水平方向移动小于等于半个光斑距离，保持第一遍扫描的参数不变，进行第二遍扫描；重复上述步骤进行多遍扫描加工，直到表面粗糙度得到明显的改善，得到需要的光洁度。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于，在电脑控制装置控制下，扫描路径可以是直线扫描路径或蛇形扫描路径。