CN109530919A - 一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，包括激光装置、送丝机构、基板、丝材导向头、电磁超声发生器、电磁超声探头、控制器和保护气体保护箱；激光装置包括激光光源、光纤和激光头，激光光源通过光纤连接所述激光头；电磁超声发生器设置于所述丝材导向头的入口处；电磁超声探头设置在所述基板上，以用于接收堆积体的振动信号并传送给控制器，从而实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；所述基板、丝材导向头、电磁超声发生器、电磁超声探头均位于所述保护气体保护箱内。本发明可大幅度提高增材制造工艺的灵活度，使堆积层不容易出现塌陷现象，从而提高堆积体的力学性能、抑制变形，并能够加快增材过程的速度。

Description

一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备及方法。

背景技术

增材制造技术克服了传统“去材”制造对原材料的大量浪费，同时又具有快速成型，细化晶粒，均匀组织等优点，已成为复杂结构件快速成型技术的首选。相比于其他金属增材制造技术，激光熔丝增材技术以高能密度的激光作为热源，具有高成形效率的特点，并可按照预定的加工路径，对送进的丝材进行加热熔化、逐层堆积，最终实现金属零件的近净成形直接制造。该技术特别适合复杂大型结构件的制造，在汽车制造业、国防科技、航空航天等领域具有十分广泛的应用前景。

由于激光熔丝增材制造的成型速度较快，在进行复杂结构件的多层堆焊时，传统的焊接大多采用丝材侧向送进激光垂直作用方式，此种方式丝材侧向送进可达性差、焊接效率低，且激光垂直作用使能量直接作用于基板上的堆积层，增大了堆积体的热输入量，大幅度增加堆积体的变形，难以实现任意路径的堆积质量均匀性控制，每层工艺参数难以精确保证。

此外，增材制造中丝材过渡方式与成型件质量有着直接的关系，在“大熔滴过渡”时，堆积件表面极易呈现出串珠状，使得成形过程很不稳定，工件成形质量不良。因此，为了保证最后的成形质量，促进丝材稳定的层流“液桥过渡”，在激光熔丝增材制造过程中加入对熔丝过渡状态的现代监测控制技术，从而进行全面客观的实时监测并进行及时调整是十分必要的。目前，现有的增材制造技术监测系统大多是由摄像监控系统来实现的。例如，公告号为CN108274002A的发明专利，公开了“一种增材制造同步监测系统”，提出利用高速摄像机对增材制造过程进行实时监测。此种方式忽略了在增材制造过程中的高温环境、熔池飞溅等因素对摄像监测系统的影响。此外，由于丝材直径较小，将会导致摄像系统灵敏度降低，甚至难以监测等问题。

上述问题使得激光熔丝增材在实际应用过程中成形质量将难以控制，最终导致无法在合理时间内有效完成整个激光熔丝增材制造过程，严重制约了激光熔丝增材技术的发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备及方法，其使用方便，便于操作，能够克服传统激光直接垂直作用于基板的弊端，且可以实时监测熔滴过渡状态。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，包括激光装置、送丝机构、基板、丝材导向头、电磁超声发生器、电磁超声探头、控制器和保护气体保护箱，其中，

所述基板水平设置；

所述送丝机构用于输送丝材到所述丝材导向头上；

所述丝材导向头竖直安装在XY移动平台上并且位于所述基板的上方，以用于将所述送丝机构出来的所述丝材竖直输送出到所述基板的上方；

所述激光装置包括激光光源和激光头，并且所述激光光源连接所述激光头，所述激光头位于所述基板的上方并且相对于竖直面倾斜设置，以使发射出的激光倾斜照射到从丝材导向头的出口处出来的丝材上并使丝材熔化到所述基板上形成堆积体；

所述电磁超声发生器设置于所述丝材导向头的入口处，以用于对进入所述丝材导向头的丝材进行超声振动，其中，丝材穿过电磁超声发生器；

所述电磁超声探头设置在所述基板上，以用于接收堆积体的振动信号并传送给控制器，从而实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；

所述基板、丝材导向头、电磁超声发生器、电磁超声探头均位于所述保护气体保护箱内，以保证增材制造在保护气体氛围内进行。

优选地，所述丝材导向头上可转动安装有调节杆，所述调节杆上固定连接所述激光头，以用于调节所述激光头相对于竖直面的倾斜角度。

优选地，所述激光头设置有两个，这两个激光头发射出的激光束与从所述丝材导向头竖直出来的丝材的夹角分别为α和β，并且α＝β。

优选地，所述控制器包括滤波器、数据采集器和集成控制计算机，所述电磁超声探头依次连接所述滤波器、数据采集器和集成控制计算机。

优选地，所述保护气体为N₂或惰性气体。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备进行增材制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将激光头、电磁超声发生器、送丝机构、丝材导向头和安装于数控平台上，使之可以跟随数控平台运动，方便按照预定的轨迹进行运动。

S2：打开保护气体瓶，使保护气体进入惰性气体保护箱内，以使增材制造能够在保护气体的保护作用下进行；

S3：调整送丝机构的送丝速度及丝材导向头与基板的距离，以使得丝材能够垂直送至基板上，再通过调节杆对激光头的位置进行调节，然后调整激光束作用于丝材的光斑大小和激光入射角度，使激光束作用于丝材上的光斑略大于丝材的直径，保证丝材的稳定熔化，通过对丝材熔化过程的调节，逐层堆积形成堆积体；

S4：打开电磁超声发生器，通过控制丝材振动的幅度和频率，使丝材产生合适的振动，则振动可沿着丝材进入堆积体中；

S5：电磁超声探头接收堆积体中传输过来的振动信号，并传输给控制器，以实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；

S6：控制器基于电磁超声探头发送的振动信号对丝材过渡方式进行判断，当判断为滴状过渡时，则对送丝机构的送丝进行调节，直至丝材过渡方式为液桥过渡；当判断为液桥过渡时，保持该状态继续进行增材制造。

优选地，所述激光束作用在所述丝材上的作用点位于所述堆积体的上方，以抑制堆积体变形和塌陷，同时提高熔化金属的冷却速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的激光光源通过光纤可实现长距离传输，对丝材进行远程能量施加，使激光头不用太靠近送丝位置，不会与丝材导向头发生干涉，避免干扰整个送丝过程，大幅度提高增材制造工艺的灵活度。

(2)本发明的丝材导向头的竖直放置使得丝材垂直于基板送进成为可能，可达性好，而且激光侧向作用的方式避免了激光能量直接作用于堆积体与基板上，此种方式通过采用多束激光对垂直送进的丝材进行轴对称加热，可使丝材堆积成形路径方向与丝材送进方向的夹角保持一致，并能使丝材周向均匀熔化形成稳定过渡，从而实现对任意路径的堆积质量均匀性控制。

(3)本发明的多光束激光束周向分布加热的方法，利用多束激光束共同作用，可使丝材在较短时间内熔化并过渡到基板上，使丝材金属液体的过渡温度不会过高，形成低温过渡；同时，多个激光一起工作避免了传统激光对丝材端部长时间的加热，减小了堆积体的总体热输入，大幅度减少堆积体的变形，使堆积层不容易出现塌陷现象，从而提高堆积体的力学性能、抑制变形，并能够加快增材过程的速度；

(4)本发明相比于传统的激光熔丝增材技术，通过电磁超声探头的高灵敏度、高监测效率，接收丝材由于振荡所产生的振动信号，并利用计算机分析丝材过渡方式。当判断为滴状过渡时，由于过渡过程不稳定，堆积面起伏较大且容易出现未熔合等缺陷，此时通过控制数据传输线对所述送丝机构进行调节，调节其送丝速度；当判断为液桥过渡时，保持该状态，最终由于过渡过程稳定且无飞溅产生，将使焊缝表面成形良好无明显缺陷。

(5)本发明的电磁超声发生器位于送丝机构与丝材导向头之间，并尽可能的靠近丝材导向头，可以减小丝材高频振荡的衰减。此外，其过渡模式相比于传统的方法，主要依靠丝材端部熔化的表面张力和超声对丝材的振荡进行过渡，使增材过程中丝材的过渡稳定性能够得到较好的控制。

(6)本发明的电磁超声发生器通过在丝材上产生合适的振动，可以促进丝材稳定的层流液桥过渡，有助于溢流从丝材上过渡到熔池中间，使凝固组织得到改善。并通过丝材熔化的液桥将超声振动传入熔池，有利于熔池液态金属中的气体充分溢出，避免和减少了气孔的产生，从而达到提高堆积过程稳定性和改善堆积体的力学性能的目的。

(7)本发明的滤波器可以把接收到的振动信号中的噪音进行过滤，保留所需的振动信号；所述的数据采集器可对振动信号进行采集，并转成计算机可以识别的数字信号，并通过控制数据传输线传输至所述集成控制计算机上。

(8)本发明可利用计算机分析丝材与熔池之间的状态关系，能够保证任意路径的堆积质量均一性，并能够实现对丝材过渡的稳定性、堆积体整体热输入、熔化金属冷却速度、凝固组织及力学性能进行控制。

(9)本发明结构简单，可操作性强，解决了现有加工过程中不能全程动态监测的问题；与此同时，其监测结果对于揭示激光熔丝增材过程、得到成形质量优良的产品或零部件具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中多束激光头焊接过程的俯视示意图；

图3是本发明的工作示意图；

图4是本发明中集成控制计算机进行集成控制的示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-第一激光光源、2-第一光纤、3-送丝机构、4-电磁超声发生器、5-定位调节支架、6-调节杆、7-第一激光头、8-堆积体、9-丝材导向头、10-基板、11-丝材、12-激光束、13-电磁超声探头、14-滤波器、15-数据采集器、16-控制数据传输线、17-集成控制计算机、18-第二激光头、19-第二激光光源、20-第二光纤、21-惰性气体保护箱、22-保护气体瓶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图4所示，一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，包括激光装置、送丝机构3、基板10、丝材导向头9、电磁超声发生器4、电磁超声探头13、控制器和保护气体保护箱21，其中，

所述基板10水平设置；

所述送丝机构3用于输送丝材11到所述丝材导向头9上；所述送丝机构其具体为业内常用的送丝机构，可对送丝速度进行调节。

所述丝材导向头9竖直安装在XY移动平台上并且位于所述基板10的上方，以用于将所述送丝机构3出来的所述丝材11竖直输送出到所述基板10的上方；

所述激光装置包括激光光源和激光头，并且所述激光光源连接所述激光头，所述激光头位于所述基板10的上方并且相对于竖直面倾斜设置，以使发射出的激光倾斜照射到从丝材导向头9的出口处出来的丝材11上并使丝材11熔化到所述基板10上形成堆积体8；

所述电磁超声发生器4设置于所述丝材导向头9的入口处，以用于对进入所述丝材导向头9的丝材11进行超声振动，其中，丝材11穿过电磁超声发生器4；

所述电磁超声探头13设置在所述基板10上，以用于接收堆积体8的振动信号并传送给控制器，从而实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；

所述基板10、丝材导向头9、电磁超声发生器4、电磁超声探头13均位于所述保护气体保护箱21内，以保证增材制造在保护气体氛围内进行。优选地，所述保护气体为N₂或惰性气体。

进一步，所述丝材导向头9上可转动安装有调节杆6，所述调节杆6上固定连接所述激光头，以用于调节所述激光头相对于竖直面的倾斜角度。丝材导向头9与调节杆6共同构成定位调节支架5。所述定位调节支架可安装于数控机床或机器人上，跟随数控机床或机械臂运动按照预定的加工路径运动，从而调整激光束作用于丝材11的光斑大小和激光入射角度，实现对丝材11熔化过程的调节，逐层堆积形成零件。所述定位调节支架可同时调节激光作用位置与堆积体表面的距离，可实现堆积体整体热输入的调节。

调节杆6可通过螺栓装置安装在丝材导向头9上，当需要调节激光头的角度时，则拧松螺栓装置，待角度调节到位后，则拧紧螺栓装置。

进一步，所述激光头设置有两个，这两个激光头发射出的激光束12与从所述丝材导向头9竖直出来的丝材11的夹角分别为α和β，并且α＝β。作为一种优选，两个激光装置分别为第一激光装置和第二激光装置，第一激光装置包括第一激光光源1、第一光纤2和第一激光头7，第一激光光源1通过第一光纤2和第一激光头7连接，第二激光装置包括第二激光光源19、第二光纤20和第二激光头18。第二激光光源1通过第二光纤20和第二激光头18连接；第一激光头7和第二激光头18按照图2所示，对称分布于丝材11轴线周围，并与丝材11轴线保持相同角度。通过采用多束激光束对垂直送进的丝材进行轴对称加热，可使丝材堆积成形路径方向与丝材送进方向的夹角保持一致，并能使丝材周向均匀熔化形成稳定过渡，从而实现对任意路径的堆积质量均匀性控制。另外，激光光源的数量可与激光头相等，也可少于激光头的数量，当激光光源的数量少于激光头时，可进一步采用激光分叉器产生多束激光束。

另外，在进行简单待焊件的焊接时，可采用丝材垂直送进+一束激光束侧向作用的方式亦可满足焊接效率。

进一步，所述控制器包括滤波器14、数据采集器15和集成控制计算机17，所述电磁超声探头13通过控制数据传输线16依次连接所述滤波器14、数据采集器15和集成控制计算机17。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备进行增材制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将激光头、电磁超声发生器4、送丝机构3、丝材导向头9和安装于数控平台上，使之可以跟随数控平台运动，方便按照预定的轨迹进行运动。

S2：打开保护气体瓶22，使保护气体进入惰性气体保护箱内，以使增材制造能够在保护气体的保护作用下进行；

S3：调整送丝机构3的送丝速度及丝材导向头9与基板10的距离，以使得丝材11能够垂直送至基板10上，再通过调节杆6对激光头的位置进行调节，然后调整激光束12作用于丝材11的光斑大小和激光入射角度，使激光束12作用于丝材11上的光斑略大于丝材11的直径，优选光斑的直径为丝材11直径的1.1～1.2倍，保证丝材11的稳定熔化，通过对丝材11熔化过程的调节，逐层堆积形成堆积体8；

S4：打开电磁超声发生器4，通过控制丝材11振动的幅度和频率，使丝材11产生合适的振动，则振动可沿着丝材11进入堆积体8中；

S5：电磁超声探头13接收堆积体8中传输过来的振动信号，并传输给控制器，以实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；

S6：控制器基于电磁超声探头13发送的振动信号对丝材11过渡方式进行判断(丝材为滴状过渡时，基板接收到的振动信号波动剧烈，振动信号的强度大部分远低于环境噪声标准(-70dB)；丝材为液桥过渡时，接收到的振荡信号较稳定，且其强度(-67～-62dB)明显高于环境噪声标准(-70dB))，当判断为滴状过渡时，则对送丝机构3的送丝进行调节，直至丝材11过渡方式为液桥过渡；当判断为液桥过渡时，保持该状态继续进行增材制造。

进一步地，在具体增材制造过程中，可对激光的作用点进行调整，当激光作用点的位置靠近堆积体8表面，激光直接作用于堆积体8的能量增加，整体热输入增加，当激光作用点位置远离堆积体8表面，激光直接作用于堆积体8表面的能量减少，整体热输入减小。所述激光束12作用在所述丝材11上的作用点位于所述堆积体8的上方，通过控制激光作用点尽量远离堆积体8表面，能够抑制堆积体8变形，同时提高熔化金属的冷却速度，抑制堆积体8塌陷。本发明具有结构简单、操作方便、可安全稳定的实现超声辅助的多光束激光熔丝增材制造的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，包括激光装置、送丝机构、基板、丝材导向头、电磁超声发生器、电磁超声探头、控制器和保护气体保护箱，其中，

所述基板水平设置；

所述送丝机构用于输送丝材到所述丝材导向头上；

所述丝材导向头竖直安装在XY移动平台上并且位于所述基板的上方，以用于将所述送丝机构出来的所述丝材竖直输送出到所述基板的上方；

所述激光装置包括激光光源和激光头，并且所述激光光源连接所述激光头，所述激光头位于所述基板的上方并且相对于竖直面倾斜设置，以使发射出的激光倾斜照射到从丝材导向头的出口处出来的丝材上并使丝材熔化到所述基板上形成堆积体；

所述电磁超声发生器设置于所述丝材导向头的入口处，以用于对进入所述丝材导向头的丝材进行超声振动，其中，丝材穿过电磁超声发生器；

所述电磁超声探头设置在所述基板上，以用于接收堆积体的振动信号并传送给控制器，从而实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；

所述基板、丝材导向头、电磁超声发生器、电磁超声探头均位于所述保护气体保护箱内，以保证增材制造在保护气体氛围内进行。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，所述丝材导向头上可转动安装有调节杆，所述调节杆上固定连接所述激光头，以用于调节所述激光头相对于竖直面的倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，所述激光头设置有两个，这两个激光头发射出的激光束与从所述丝材导向头竖直出来的丝材的夹角分别为α和β，并且α＝β。

4.根据权利要求1所述的一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，所述控制器包括滤波器、数据采集器和集成控制计算机，所述电磁超声探头依次连接所述滤波器、数据采集器和集成控制计算机。

5.根据权利要求1所述的一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备，其特征在于，所述保护气体为N₂或惰性气体。

6.权利要求1～5中任一所述的一种超声辅助的多光束激光熔丝增材制造装备进行增材制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将激光头、电磁超声发生器、送丝机构、丝材导向头和安装于数控平台上，使之可以跟随数控平台运动，方便按照预定的轨迹进行运动。

S2：打开保护气体瓶，使保护气体进入惰性气体保护箱内，以使增材制造能够在保护气体的保护作用下进行；

S3：调整送丝机构的送丝速度及丝材导向头与基板的距离，以使得丝材能够垂直送至基板上，再通过调节杆对激光头的位置进行调节，然后调整激光束作用于丝材的光斑大小和激光入射角度，使激光束作用于丝材上的光斑略大于丝材的直径，保证丝材的稳定熔化，通过对丝材熔化过程的调节，逐层堆积形成堆积体；

S4：打开电磁超声发生器，通过控制丝材振动的幅度和频率，使丝材产生合适的振动，则振动可沿着丝材进入堆积体中；

S5：电磁超声探头接收堆积体中传输过来的振动信号，并传输给控制器，以实现增材制造过程中熔滴过渡状态的监测；

S6：控制器基于电磁超声探头发送的振动信号对丝材过渡方式进行判断，当判断为滴状过渡时，则对送丝机构的送丝进行调节，直至丝材过渡方式为液桥过渡；当判断为液桥过渡时，保持该状态继续进行增材制造。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光束作用在所述丝材上的作用点位于所述堆积体的上方，以抑制堆积体变形和塌陷，同时提高熔化金属的冷却速度。