CN109382517A - 一种基于激冷技术的激光沉积制造装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激冷技术的激光沉积制造装置和方法，属于增材制造技术领域。该激光沉积制造装置包括熔覆头和设置在熔覆头后方的激冷机构，激冷机构与熔覆头产生联动。该基于激冷技术的激光沉积制造方法包括在激光沉积过程中对刚凝固沉积的金属表面进行激冷处理的步骤。本发明通过对刚刚凝固的沉积区域表面进行激冷处理，使呈现拉应力状态的沉积区域及邻近部位急速收缩，产生拉伸塑性变形，降低沉积层热积累，实现对激光沉积制造产品残余应力和热输入的有效控制和管理，降低成形件变形开裂的问题，大大提高成形质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光沉积制造技术领域，特别是涉及一种基于激冷技术的激光沉积制造装置和方法。
背景技术
金属激光沉积制造技术是基于层层叠加制造原理，以激光为热源，对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化沉积，来成形具有三维形状的金属零件的技术。该项技术在航空航天中得到广泛应用，尤其是在钛合金等材料大型零部件的直接成形制造和修复领域。
然而，在制造过程中，成形件的变形开裂和成形质量问题是阻碍该项技术发展的主要障碍，尤其是大面积和大体积金属零件的激光沉积制造。导致这个原因的因素是多方面的，包括材料、工艺、设备等。但其主要的原因在于，利用激光将粉末加热融化、冷却凝固后，沉积工件呈现出高的残余拉伸应力状态，造成变形开裂。另外，由于激光的多层扫描，使沉积工件表面热积累较严重，层间温度较高，利用原有的工艺参数下，熔池尺寸发生变化，沉积出的熔覆层的层宽层高出现变化，进而影响沉积质量。
目前，工程上解决层间温度过高导致熔池尺寸变化引起成形质量差的途径有：一种是通过增大层间停留时间，进而降低层间温度，但过长的层间停留时间牺牲了生产效率；一种是根据现场工艺人员的经验实时改变工艺参数，但是这对工艺人员的要求特别严格，并且需要人为持续干预，无法实现自动化。还有解决成形工件残余拉伸应力大导致变形开裂的途径是通过对基板进行预热，降低温度梯度，但是对于像钛合金这样热导率较低的材料和一些成形形状复杂不利于传热的工件，并不能很好的降低残余拉伸应力。
因此，急需一种能够在激光沉积制造过程中降低残余拉伸应力和热积累的装置和方法，进而降低沉积制造过程中的变形开裂，提高成形质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于激冷技术的激光沉积制造装置，使其能够在激光沉积制造过程中降低残余拉伸应力和热积累，从而克服现有的激光沉积制造装置的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激冷技术的激光沉积制造装置，所述激光沉积制造装置包括熔覆头和设置在所述熔覆头后方的激冷机构，所述激冷机构与所述熔覆头产生联动。
进一步地，所述激冷机构通过传送机构实现与所述熔覆头的联动。
进一步地，所述传送机构上设置有第一运动单元和第二运动单元，所述熔覆头设置在第一运动单元上，所述激冷机构设置在第二运动单元上；使用时，第一运动单元始终在第二运动单元的运动方向的前方运动。
进一步地，所述激冷机构还包括用于调整激冷介质流量和流速的控制器。
进一步地，所述激冷机构设置在所述熔覆头后方20～50mm处。
本发明还公开一种基于激冷技术的激光沉积制造方法，所述方法包括在激光沉积过程中对刚凝固沉积的金属表面进行激冷处理的步骤。
进一步改进，所述激冷处理步骤是采用上述的激光沉积制造装置中的激冷机构完成。
进一步改进，所述激冷机构采用的激冷介质为液态氩气、液态氦气或液态氮气。
进一步改进，所述激冷介质的流量和流速根据待成形零件的特征及激光成形参数调整。
进一步改进，所述待成形零件的特征包括成形材料、表面形状和体积大小，所述激光成形参数包括激光功率、扫描速度和送粉速度。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明基于激冷技术的激光沉积制造装置通过在现有熔覆头的后方设置激冷机构，能实现对刚刚沉积的金属沉积表面进行激冷处理，为实现激光沉积制造过程中对沉积区域残余拉伸应力进行抵消甚至消除并且降低沉积过程的热积累起到极有效的作用。
本发明基于激冷技术的激光沉积制造方法能够实现对激光沉积制造产品残余应力和热输入的有效控制和管理，能降低成形件变形开裂的问题，大大提高成形质量。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明基于激冷技术的激光沉积制造装置的结构示意图；
图2是本发明基于激冷技术的激光沉积制造装置的传送机构结构示意图；
1.熔覆头；2.激冷机构；3.传送机构；31.第一运动单元；32.第二运动单元；4. 喷射嘴。
具体实施方式
本发明基于激冷技术的激光沉积制造装置是在现有激光沉积制造装置的基础上进行改进而成的，具体改进点如下：
参照附图1和图2所示，本发明基于激冷技术的激光沉积制造装置包括熔覆头1和设置在该熔覆头1后方的激冷机构2，该激冷机构2与该熔覆头1产生联动。
采用上述技术方案，通过在现有熔覆头的后方设置激冷机构，能实现对刚刚沉积的金属沉积表面进行激冷处理，为实现激光沉积制造过程中对沉积区域残余拉伸应力进行抵消甚至消除并且降低沉积过程的热积累起到极有效的作用。
结合上述实施例，进一步地，本实施例中，该激冷机构2通过传送机构3实现与该熔覆头1的联动，该传送机构3可采用现有的任何传送机构，目的在于实现该激冷机构2与该熔覆头1的联动。具体地，如图2所示，传送机构3的结构如图2所示，传送机构3为现有技术中任何可以实现传送的机构，在所述传送机构3上设置有第一运动单元31和第二运动单元32，所述熔覆头1设置在第一运动单元31上，激冷机构2包括喷射嘴4，喷射嘴4设置在第二运动单元32上，且该激冷机构2设置在该熔覆头1的后方20～50mm处，其中该熔覆头1的后方是指与该熔覆头按预先设置的前进方向A相反的方向。
采用上述技术方案，该喷射嘴能喷射激冷介质至该熔覆头熔融且刚凝固的金属沉积层上表面，使该刚凝固沉积的金属表面得到激冷处理。
结合上述实施例，进一步地，本实施例中，该激冷机构2还包括一控制器，该控制器用于调整激冷介质的流量和流速，以控制该激冷介质的激冷源强度。控制器可以采用现有技术中任意可以实现流量控制和流速控制的控制器，例如采用型号为ELR23DC的流量控制仪。
本发明还提供一种采用上述的激光沉积制造装置的基于激冷技术的激光沉积制造方法，即该方法包括在激光沉积过程中对刚凝固沉积的金属表面进行激冷处理的步骤。且该激冷处理步骤是通过激光沉积制造装置中的激冷机构完成的。
本发明激冷机构采用的激冷介质为液态氩气、液态氦气或液态氮气等。该激冷介质的流量和流速可根据待成形零件的特征及激光成形参数调整，其中，该待成形零件的特征包括成形材料、表面形状和体积大小，该激光成形参数包括激光功率、扫描速度和送粉速度。具体地，用于激冷技术的的激光沉积工艺条件如下：光斑直径为3-10mm，激光功率为1500-8000W，沉积速度为800-1400mm/min，搭接率为30-60%；沉积厚度为0.5-1.5mm；在该工艺条件下，激冷介质的管道横截面积为2mm至5mm时，一般需要控制激冷介质的流速为1-10m/min，即可实现本发明所述目的。
为了更加体现出本发明的目的，在上述实施例的基础上，进一步举例说明。本实施例中提供一种基于激冷技术制备钛合金零件的激光沉积制造方法，其中制备的钛合金零件尺寸为120mm×120mm×40mm，采用的激冷介质为液态氮气，具体实施步骤为：
（1）将基板固定在工作台上，向激冷机构内通入激冷介质；
（2）建立待打印零件的三维模型，利用切片软件对三维模型进行切片，并规划激光扫描路径，制定激光沉积成型的制造方案；
（3）启动激光沉积设备，使熔覆头按预先设置的轨迹进行沉积，激光沉积工艺条件如下：光斑直径为5mm，激光功率为3500W，沉积速度为1100mm/min，搭接率为45%，沉积厚度为1.0mm；
（4）启动激冷机构，用激冷介质对刚刚沉积的沉积区域B进行喷淋处理，喷淋的具体过程如下：喷射嘴与激冷液体储罐（附图中不显示）通过管道连通，需要进行激冷液体喷射时，通过控制器调节管道中的激冷液体的流量和流速，在所需流量流速下进行喷射即可；本实施例中，输送激冷介质的管道横截面积为3mm，激冷介质的流速控制为5m/min；激冷过程中，根据成形零件的特征及激光成形参数可以实时调整激冷源强度，直至完成整个零件的沉积制造。
本发明能实现降低残余拉伸应力的目的，其工作原理为：激光沉积制造过程中，熔池附近的固态金属受热膨胀，热膨胀量受到周围较冷区域内金属的约束，形成了不均匀的压缩塑性变形。在冷却过程中，熔池凝固收缩时受到周围固态金属的约束而形成残余拉应力，邻近已发生塑性变形的固态金属也受到周围金属在不同程度上的拉伸作用，最终形成残余拉应力。当熔池凝固后降低到某一温度时，利用激冷介质对其表面进行喷淋处理，使呈拉应力状态的区域急剧收缩，当收缩应力克服材料在此温度下的屈服极限时，该部位发生拉伸塑性变形，如果沉积道温度超过某一临界温度值，则其拉伸塑性变形在全部抵消原来的压缩塑性变形的同时，还剩余了拉伸塑性变形，冷却后，剩余的拉伸塑性变形收到周围金属挤压而形成残余压应力场，这对防止成形工件开裂，提高成形工件的抗疲劳强度等性能具有很好的作用。
本发明是一种基于激冷技术的激光沉积制造方法属于对成形产品质量的主动控制方法，其目的是实现激光沉积制造过程中对沉积区域残余拉伸应力进行抵消甚至消除并且降低沉积过程的热积累，该方法能够实现对激光沉积制造产品残余应力和热输入的有效控制和管理，能降低成形件变形开裂的问题，大大提高成形质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于激冷技术的激光沉积制造装置，其特征在于，所述激光沉积制造装置包括熔覆头和设置在所述熔覆头后方的激冷机构，所述激冷机构与所述熔覆头产生联动。
2.根据权利要求1所述的激光沉积制造装置，其特征在于，所述激冷机构包括喷射嘴，所述喷射嘴用于喷射激冷介质。
3.根据权利要求2所述的激光沉积制造装置，其特征在于，所述激冷机构通过传送机构实现与所述熔覆头的联动；其中，所述传送机构上设置有第一运动单元和第二运动单元，所述熔覆头设置在第一运动单元上，所述激冷机构设置在第二运动单元上；使用时，第一运动单元始终在第二运动单元的运动方向的前方运动。
4.根据权利要求1所述的激光沉积制造装置，其特征在于，所述激冷机构还包括用于调整激冷介质流量和流速的控制器。
5.根据权利要求1~4任一所述的激光沉积制造装置，其特征在于，所述激冷机构设置在所述熔覆头后方20mm至50mm处。
6.一种基于激冷技术的激光沉积制造方法，其特征在于，包括在激光沉积过程中对刚凝固沉积的金属表面进行激冷处理的步骤。
7.根据权利要求6所述的激光沉积制造方法，其特征在于，所述激冷处理步骤是采用如权利要求1至5任一项所述的激光沉积制造装置中的激冷机构完成。
8.根据权利要求7所述的激光沉积制造方法，其特征在于，所述激冷机构采用的激冷介质为液态氩气、液态氦气或液态氮气。
9.根据权利要求8所述的激光沉积制造方法，其特征在于，所述激冷介质的流量和流速根据待成形零件的特征及激光成形参数调整。
10.根据权利要求9所述的激光沉积制造方法，其特征在于，所述待成形零件的特征包括成形材料、表面形状和体积大小，所述激光成形参数包括激光功率、扫描速度和送粉速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190226 |
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