CN109434110A - 一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法与装置，属于金属材料增减材制造领域。该方法基于等离子束熔覆技术、激光冲击锻打技术、激光切割技术三种技术于一体，三种技术相互耦合影响，在等离子束熔覆成形的同时短脉冲激光对成形区域进行激光冲击锻打，去除内部残余拉应力，解决成型区域的开裂变形问题；在成形三层或多层后对成型区域进行激光铣削，基于激光加工无接触切削力，热影响小和可进行特殊面加工的特点，解决了成形区域的挂渣，粗糙度大的问题，同时该方法不需要频繁的移动工件，避免了由于机械铣削装夹引起的误差，变形的问题。该方法集等离子束熔覆的热量集中，热影响，不需要真空环境等的优点;激光冲击锻打能增加材料内部残余压应力，消除零件内部气孔、缺陷，细化晶粒组织的优点；激光切削无切削力，热影响小的优点于一身，形成互补，提高了增材制造零件的力学性能和表面质量。

Description

一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及增减材制造技术领域，尤其涉及一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置。

背景技术

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。近二十年来，AM技术取得了快速的发展。

作为增材制造中的热源，是制约增材制造发展的重要因素。以激光束作为热源，虽然加工精度高，但是激光器成本高，能量转化效率低（20%~45%）；电子束能量密度高、加工效率高，但是电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵，而等离子束作为21世纪的三大高能束之一，相比于其他两个有一定的优势，等离子束热量集中，可控性和稳定性高，能量转换率达到95%，温度在几万摄氏度至几百摄氏度不等，不需要真空系统，用于表面熔覆时，工件不需任何表面处理且造价比激光束要低。是目前全球能用于3D打印的最佳热源。但是也存在一定的技术问题，如工件的变形、涂层开裂和表面精度较差等，这就在一定程度上制约了该技术的发展和应用。

中国专利CN106166615A公开了基于层流等离子技术的3D打印设备，利用层流等离子作为热源、打印部件能够自由灵活运动，但是该专利没有考虑等离子束熔覆的一些技术缺陷如工件的变形、涂层开裂和表面精度较差等问题，无法保证零件的内部质量和力学性能、外部的尺寸精度和表面的粗糙度。中国专利CN107570707A等离子增材与激光切削的3D打印设备，虽然采用等离子弧作为3D成形打印的热源，可以使粉末熔化的效率提高10～30倍以上，极大的改善了目前3D打印存在的成形效率低的问题，同时辅之激光切削装置通过激光对工件的轮廓精密切削，提高3D打印成形件的精度。但是没有考虑到等离子束熔覆后内部组织的力学性能，由于熔覆参数的变化引起的内部缺陷的问题。

因此需要对现有的技术进行进一步的融合和改善，以保证零件的性能和质量。

发明内容

本发明在克服上述现有技术不足的情况下，提供一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置，这种方法可以结合等离子束熔覆，激光锻打，激光铣削的优势，通过三个技术相互弥补劣势，达到最佳的零件增减材制造方案，改变以往提供一种三种技术相互耦合，实时变换参数，精确可控的方式。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括等离子束发生器、激光发生器、同轴送粉系统、等离子束熔覆系统、激光锻打系统、激光铣削系统、激光分光束系统、高速三维测量系统、温度传感系统，中央控制系统，计算机服务器； 在等离子束熔覆成形的同时，根据温度传感器的实时反馈的数据和零件的分层切片图中熔覆的不同部位，设置不同的激光冲击锻打参数，对熔覆区域进行激光锻打，解决零件内部的裂纹缺陷、应力分布不平衡的问题；在熔覆三层或多层后，根据高速三维测量系统的数据，设置激光铣削参数，对熔覆区进行激光铣削，解决零件外部的挂渣，粗糙度大，尺寸精度低的问题；等离子束熔覆系统、激光锻打系统、激光铣削系统三大主要系统有机结合，相互耦合影响，形成闭环系统，同时解决增材制造中零件的外部和内部的问题，提高零件的性能和寿命。

进一步地，等离子束熔覆系统和激光锻打系统的耦合影响是通过计算机服务器和中央控制系统，通过把温度传感器的数据和熔覆区所在零件的部位的数据反馈到计算机，计算机发出指令到中央控制系统，控制激光器设置冲击锻打参数后发射激光束到激光锻打系统对激光熔覆区域进行激光冲击锻打，同时激光冲击锻打的参数和速率又制约着等离子束的参数和速率，形成闭环系统。

进一步地，通过高速三维测量系统对零件熔覆区域进行扫描，获得表面的凸点数据，传递给激光铣削系统，设定激光铣削的参数进行激光铣削，形成闭环控制。

进一步地，包括如下步骤：

S01：路径规划与参数的初步确定：利用三维软件生成零件3维模型，对零件进行切片处理，规划分层截面的等离子束熔覆路径、激光冲击锻打路径、激光铣削路径，并初步确定等离子束，激光束的相关参数，然后进入步骤S02；

S02：熔覆成形与激光冲击锻打：送粉/气装置送粉和保护气体氩气，等离子束按照分层切片数据同步熔覆金属粉末，温度传感器同步监测熔覆区温度变化，当温度达到最佳锻打温度区间，启动激光器发射激光束经过分光系统到达激光锻打系统，按照初始设置的激光锻打参数对熔覆区域进行激光冲击锻打；

S03：激光冲击锻打系统和等离子束熔覆系统耦合工作，实时变换两个系统的参数，等离子束系统的移动速度和工作台的移动速度，自动补偿两个系统的误差，实现最佳的配合参数，进入步骤S04；

S04：激光铣削：当熔覆层数达到三层时，自动移动工作台靠近激光切削区域，自动启动三维测量系统对零件外表面进行测量，获得内外轮廓的凸点数据，通过计算机的MATLAB软件处理后，转化为激光铣削系统能识别的代码，根据代码，自动确定激光器的参数并发射激光光束经过分光系统到达激光铣削系统，对成形区域进行铣削；

S05：根据三维测量系统反馈的凸点数据，实时变换激光器的功率密度、脉冲宽度、脉冲频率，工作台的移动速度，自动补偿误差，保持最佳的铣削参数；

S06：熔覆成形与激光冲击锻打：自动移动工作台到熔覆和锻打区域，重复步骤S02、S03当达到三层后，自动移动工作台靠近激光切削区域,重复步骤S04、S05直到完成整个零件的加工；

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明采用了先进的等离子束作为热源，热量集中，作用时间短，稳定可控，安全性能高的 ；

2、本发明采取的是等离子束与激光冲击锻打的方法，两个系统相互耦合影响，通过实时反馈，始终保持最佳的工作参数，形成闭环系统；

3、本发明采取的激光铣削不需要二次装夹零件，减少二次装夹带来的误差累积，省去了装夹这道工序，缩短了加工时间，提高了加工效率；

4、本发明的激光铣削系统和激光锻打的激光束来源采取的是同一激光器的发射光源，参数调节方便。

附图说明

图1为一种等离子束熔覆与激光锻打复合增减材制造实施例结构简图；

图2为一种等离子束熔覆与激光锻打复合增减材制造实施例工作原理图。

如图1所示，本发明公开了一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置，其中装置如下：1计算机、2等离子束发射器控制电源系统、3激光发生器、4保护气系统、5中央控制系统、6工作台控制器、7分光束系统、8激光铣削激光头、9保护气喷头、10三维测量系统、11激光锻打激光头、12、工作台（可以沿X/Y/Z方向移动）、13温度传感器、14等离子束熔覆头、15送粉/气头、16等离子束发生器、17储粉罐、18储气罐、19、工件、20支撑架、21导轨

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

该方法具体的工作步骤如下：

1、利用计算机1中的三维软件生成零件19的3维模型，对零件19的3维模型进行2维切片处理，规划分层截面的等离子束熔覆路径、激光冲击锻打路径、激光铣削路径，并初步确定等离子束，激光束的相关参数；

2、送粉17/送气18装置送粉和保护气体氩气到送粉/气头15，通过中央控制器5的代码指令，自动启动等离子控制电源系统2控制等离子束发生器16发射等离子束到等离子束熔覆头14按照分层切片数据同步熔覆金属粉末，同时工作台控制器6控制等离子束发生器16和工作台12在支撑架20上的导轨内移动，温度传感器13同步监测熔覆区温度变化，当温度达到最佳锻打温度区间，启动激光器3发射激光束经过分光系统7到达激光锻打系统11，按照初始设置的激光锻打参数对零件熔覆区域进行激光冲击锻打；

3、激光冲击锻打系统11和等离子束熔覆系统14耦合工作，根据零件的位置变化，熔覆的速度和锻打的速度，实时变换两个系统的参数，等离子束系统16的移动速度和工作台12的移动速度，通过计算机1和中央控制器5实现数据的处理后，形成代码，自动补偿两个系统的误差，实现等离子束系统16的移动速度和工作台12的移动速度最佳的配合；

4、当熔覆层数达到三层时，通过工作台控制器6自动移动工作台靠近激光切削区域，通过中央控制系统5自动启动三维测量系统10对零件19外表面进行测量，获得内外轮廓的凸点数据，通过计算机1的MATLAB软件处理后，转化为激光铣削系统8能识别的代码，根据代码，自动确定激光发生器3的参数并发射激光光束经过分光系统7到达激光铣削系统8，对成形区域进行铣削，同时控制保护气体发射器4发射保护气体到保护气头9喷射保护气体；

5、根据三维测量系统10反馈的凸点数据和零件的轮廓，实时变换激光发生器3的功率密度、脉冲宽度、脉冲频率，工作台12的移动速度，通过实时反馈的数据到达中央控制系统5和计算机1进行数据的处理，实现自动补偿误差，保持最佳的铣削参数；

6、自动移动工作12向右到熔覆和锻打区域，并降低工作台12的高度，和熔覆头保持的距离，并重复步骤2、3当达到三层后，自动移动工作台靠近激光切削区域,重复步骤4、5直到完成整个零件的加工。

Claims (4)

1.一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法，其特征在于，包括等离子束发生器、激光发生器、同轴送粉系统、等离子束熔覆系统、激光锻打系统、激光铣削系统、激光分光束系统、高速三维测量系统、温度传感系统，中央控制系统，计算机服务器；在等离子束熔覆成形的同时，根据温度传感器的实时反馈的数据和零件的分层切片图中熔覆的不同部位，设置不同的激光冲击锻打参数，对熔覆区域进行激光锻打，解决零件内部的裂纹缺陷、应力分布不平衡的问题；在熔覆三层或多层后，根据高速三维测量系统的数据，设置激光铣削参数，对熔覆区进行激光铣削，解决零件外部的挂渣，粗糙度大，尺寸精度低的问题；等离子束熔覆系统、激光锻打系统、激光铣削系统三大主要系统有机结合，相互耦合影响，形成闭环系统，同时解决增材制造中零件的外部和内部的问题，提高零件的性能和寿命。

2.根据权利要求1所述的一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法，其特征在于，等离子束熔覆系统和激光锻打系统的耦合影响是通过计算机服务器和中央控制系统，通过把温度传感器的数据和熔覆区所在零件的部位的数据反馈到计算机，计算机发出指令到中央控制系统，控制激光器设置冲击锻打参数后发射激光束到激光锻打系统对激光熔覆区域进行激光冲击锻打，同时激光冲击锻打的参数和速率又制约着等离子束的参数和速率，形成闭环系统。

3.根据权利要求1所述的一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法，其特征在于，通过高速三维测量系统对零件熔覆区域进行扫描，获得表面的凸点数据，传递给激光铣削系统，设定激光铣削的参数进行激光铣削，形成闭环控制。

4.根据权利要求1所述的一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：路径规划与参数的初步确定：利用三维软件生成零件3维模型，对零件进行切片处理，规划分层截面的等离子束熔覆路径、激光冲击锻打路径、激光铣削路径，并初步确定等离子束，激光束的相关参数，然后进入步骤S02；

S02：熔覆成形与激光冲击锻打：送粉/气装置送粉和保护气体氩气，等离子束按照分层切片数据同步熔覆金属粉末，温度传感器同步监测熔覆区温度变化，当温度达到最佳锻打温度区间，启动激光器发射激光束经过分光系统到达激光锻打系统，按照初始设置的激光锻打参数对熔覆区域进行激光冲击锻打；

S03：激光冲击锻打系统和等离子束熔覆系统耦合工作，实时变换两个系统的参数，等离子束系统的移动速度和工作台的移动速度，自动补偿两个系统的误差，实现最佳的配合参数，进入步骤S04；

S04：激光铣削：当熔覆层数达到三层时，自动移动工作台靠近激光切削区域，自动启动三维测量系统对零件外表面进行测量，获得内外轮廓的凸点数据，通过计算机的MATLAB软件处理后，转化为激光铣削系统能识别的代码，根据代码，自动确定激光器的参数并发射激光光束经过分光系统到达激光铣削系统，对成形区域进行铣削；

S05：根据三维测量系统反馈的凸点数据，实时变换激光器的功率密度、脉冲宽度、脉冲频率，工作台的移动速度，自动补偿误差，保持最佳的铣削参数；

S06：熔覆成形与激光冲击锻打：自动移动工作台到熔覆和锻打区域，重复步骤S02、S03当达到三层后，自动移动工作台靠近激光切削区域,重复步骤S04、S05直到完成整个零件的加工。