CN109746441B - 一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法 - Google Patents

一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,包括以下步骤:1)建立零件的模型将切片信息导入到增材制造设备中;2)设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数;3)工作时送粉腔上升一个厚度,成形腔下降一个厚度,通过增材制造设备的水平刮板运动,使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上;4)计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹,使熔融粉末材料形成零件的一个层面;5)动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层,使其覆盖到在成形腔上面,进行表面激光冲击强化。本发明添加了牺牲层,可以阻止激光强化过程中激光能量对基体的不良影响,提高基体性能。

Description

一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法
技术领域
本发明是一种在激光增材制造中添加具有约束层和牺牲层的激光冲击强化的方法及装置,是一种通过结合激光冲击强化,达到调控激光增材制造微观组织和力学性能的目的。本发明具有非接触、热影响区小、可控性、残余压应力高等突出优点。
背景技术
增材制造技术即快速成型是一种基于微积分思维的制造技术,包括选区激光熔化(SLM)和选区激光烧结(SLS)。二者成形原理相似,区别在于SLS技术成形工艺较复杂,由于制造过程是由材料粉末颗粒交界处或覆膜的低熔点黏结剂熔化,使粉末相互黏结,逐步得到各层轮廓并实现逐层黏结的,所以制件表面是粉粒状的,因此SLS技术成形件表面质量不高、致密度无法接近100%并且需要较复杂的后处理及辅助工艺。相比较而言,SLM技术则没有这些不足,因而在金属零件产品制造领域具有独特的优势。SLM技术以高功率或高亮度激光为热源,逐层熔化金属粉末,直接制造出任意复杂形状的零件,其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程。该技术具有如下独特的优点:(1)制造速度快,节省材料,降低成本;(2)不需采用模具,使得制造成本降低15%~30%,生产周期节省45%~70%;(3)可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的功能金属零件。
但是由于成型中不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用,增材制造零件会存在内应力甚至会产生孔隙、翘曲、裂纹等微观缺陷,影响材料的微观组织、疲劳强度、抗腐蚀性能等参数。激光冲击强化(LSP)是一种常用的表面强化方法,其通过利用功率密度为GW每平方厘米量级、脉冲宽度为ns量级的强激光辐照材料表面产生GPa量级的冲击波来提高金属材料的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性能,在材料表面形成一定的残余压应力,能够有效改善增材制造零件的微观组织和力学性能。
发明内容
本发明提供了一种具有约束层和牺牲层的激光冲击强化调控增材制造的方案,并且提出了一种约束层和牺牲层的自动铺设装置。
为达到上述发明目的,本发明采用的技术方案是:激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,通过移动约束层和牺牲层,实现对零件的激光选区熔化和激光冲击强化,包括以下步骤:
1)建立零件的模型,对模型进行切片处理,并将切片信息导入到增材制造设备中;
2)根据强化效果和加工需求,设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数;
3)铺粉阶段:工作时送粉腔上升一个厚度,成形腔下降一个厚度,通过增材制造设备的水平刮板运动,使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上;
4)激光选区熔化阶段:计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹,使熔融粉末材料形成零件的一个层面;
5)激光冲击强化阶段:重复步骤3)-步骤4),在完成若干层之后,动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层,使其覆盖到在成形腔上面,进行表面激光冲击强化,之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层;
6)返回步骤3),直至零件加工完成。
所述切片信息包括厚度、切片方向和二位扫描轨迹。
所述约束层和牺牲层上下贴合,通过动力装置控制导轨滑块机构带动其水平方向运动。
激光选区熔化的工艺参数包括激光功率100-500w、光斑直径20-200μm、扫描速度50-200mm/s;激光冲击强化的工艺参数包括脉冲频率1-10Hz、脉冲宽度5-20ns、单脉冲能量1-30J,光斑直径0.1-3mm。
所述增材制造设备的激光器为两个,分别用于激光选区熔化和激光冲击强化。
在所述增材制造设备上加装一个激光器2和分光镜;在激光器1的输出光路上设置分光镜,分光镜上方设置激光器2;激光冲击强化时激光器1输出的激光通过分光镜透射、通过振镜垂直反射至成型腔;激光增材制造时激光器2输出的激光依次经分光镜、振镜反射至成型腔。
所述约束层为玻璃或石英。
所述牺牲层为黑胶带或铝箔。
本发明具有以下有益效果及优点:
1.本发明适用于调控选取激光熔化后零件内部的组织和残余应力,有效地抑制疲劳裂纹的萌生,并使材料发生晶粒细化,晶体取向发生偏转,甚至形成纳米晶。冲击部位晶粒得到细化、表层硬度、耐磨损性能提高,可实现激光诱导等离子冲击与激光增材制造的复合加工处理
2.本发明在激光增材制造的激光冲击强化中添加了约束层,可以提高等离子体的冲击力和持续时间,大大提高冲击效果。添加了牺牲层,可以阻止激光强化过程中激光能量对基体的不良影响,提高基体性能。并设计了约束层和牺牲层自动铺设装置。
附图说明
图1激光冲击强化原理图。
图2加工工艺流程图。
图3约束层和牺牲层自动输送装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图3所示,一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法。
1、利用三维CAD软件建立代加工零件的模型并将数据导入专用的软件中,对模型进行切片处理、设计加工参数;将处理好的切片信息导入到加工设备中。
2、根据强化效果和加工需求,设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数。根据金属粉末和加工需求,设定激光选区熔化的工艺参数(激光功率100-500w、光斑直径20-200μm、扫描速度50-200mm/s等)。根据强化效果和加工需求,设定激光冲击强化的工艺参数(脉冲频率1-10Hz、脉冲宽度5-20ns、单脉冲能量1-30J,光斑直径0.1-3mm等)。
3、铺粉阶段:工作时送粉腔上升一个厚度,成形腔下降一个厚度,由水平刮板运动,使得送粉腔突出的粉末在成形腔的基板上均匀铺上一层,其层厚一般为20~100μm。
4、激光选区熔化阶段:计算机根据零件的切片信息数据控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地熔融粉末材料以形成零件的一个层面。
5、激光冲击强化阶段:在完成若干层之后(由铺粉厚度和激光强化残余应力层影响深度决定,一般为1-5层),对零件进行强化,动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层,使其覆盖到在成形腔上面,进行表面激光冲击强化,之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层。
6、重复3、4、5步骤直至零件加工完成。
本发明装置包括动力装置、导轨、滑块、牺牲层、约束层、挡板和相关增材制造设备(3D打印设备)。约束层和牺牲层铺设装置包括动力装置、导轨滑块机构,动力装置通过内部液压机构带动约束层和牺牲层在导轨滑块机构上水平移动。约束层和牺牲层铺设装置可以放置在成形腔水平面上三个方向中任意方向。
在增材制造中使用牺牲层和约束层的激光冲击强化,相比于直接激光冲击,添加的约束层,可以提高等离子体的冲击力和持续时间,大大提高冲击效果。添加的牺牲层,可以阻止激光强化过程中激光能量对基体的不良影响,提高基体性能。
在现有的增材制造设备上加装一个激光器2和分光镜,在原有激光器1的输出光路上设置分光镜,分光镜起到改变光路方向的作用,45度角,分光镜上方设置激光器2;激光冲击强化时原有激光器1输出的激光通过分光镜透射、通过振镜垂直反射至成型腔;激光增材制造时激光器2输出的激光通过分光镜反射、振镜反射至成型腔。
设计加工路径具有建立加工模型、加工轨迹自动规划、仿真模型的导入与生成、参数优化策略的制定等功能。
如图1-3所示,一种激光冲击强化辅助的激光增材制造约束层和牺牲层自动铺设装置:包括动力装置、导轨、滑块、牺牲层、约束层、挡板和相关增材制造设备。相关增材制造设备包括激光器、振镜、分光镜、水平刮板、基座、升降台、成形腔和送粉腔等。约束层和牺牲层自动铺设装置可以放置在成形腔三个方向中任意方向。由计算机控制动力装置,使其在特定时间推动约束层和牺牲层移动到成形腔上或从成形腔上撤回,牺牲层紧贴在约束层上,约束层与滑块相连,跟着滑块一起来回移动。约束层和牺牲层输送装置是一个由直线电机驱动沿高精密直线导轨运动的约束层和牺牲层,其运动过程为:冲击强化开始前,约束层和牺牲层沿高精密直线导轨向成形腔方向运动,使其覆盖到材料上从而进行激光冲击强化,然后约束层和牺牲层再沿高精密直线导轨向反方向运动,实现一次激光冲击强化加工操作。
激光冲击过程是通过激光熔覆金属粉末熔融后在表面铺上一层牺牲层和透明的约束层,当短脉冲、高峰值功率密度激光冲击激光束的辐射牺牲层时,产生高温、高压的等离子体,形成高强度压力冲击波,由于约束层的作用,冲击波向材料内部传播,导致工件表面发生超高应变率塑性形变,形成有益的残余压应力,抵消内部的拉应力,减少微观裂纹和缺陷的产生。激光冲击强化是通过调整工艺参数和运动机构调控零件每层表层的强度及应力状态,进而能够调控零件的综合性能,引入残余压应力(大小可控)、引发表面组织晶粒细化(厚度可控);激光冲击部位得以强化,有效的调控裂纹、气孔、夹杂等缺陷,从而达到提高材料机械性能的目的。
本发明公开了一种激光增材制造中激光冲击强化方法及约束层和牺牲层自动装置具体如下:
加工路径规划:
加工路径规划包括:建立加工模型、加工轨迹自动规划、仿真模型的导入与生成、参数优化策略的制定,离线编程系统通过软件在电脑里重建整个工作场景的三维虚拟环境,借助软件的动作指令控制激光头在虚拟环境里的运动,生成相应的运动控制指令,再经过软件仿真与调整轨迹生成控制系统程序,输入到控制器中。开发的激光冲击强化与激光增持制造复合加工离线编程系统具有编程智能化、操作简单、节约在线整定时间等优势,适应自动化生产要求。
具体开始过程:
使用激光器1开启,成形腔升降台下降,送粉腔升降台上升,水平刮板向左移动,将粉体送入成形腔,使用激光器1进行激光增材制造。激光器2开启,右侧使用动力装置如直流电机通过导轨将约束层和牺牲层铺到成形腔上,进行激光冲击强化,在强化后通过导轨撤去约束层和牺牲层,并检测牺牲层破损情况,若破损严重需要更换牺牲层。最后重复以上步骤直至零件加工完成。
利用控制系统软件,首先控制成形腔和送粉腔升降台运动,之后依次开启水平刮板、激光器和滑块运动,完成双束激光诱导等离子冲击熔覆层的复合处理加工;加工过程全程视频监控,监测功能主要体现为激光冲击加工相关参数的实时显示和记录,从而使操作人员可以实时观测激光加工系统的当前运行数据。该模块分别对激光器和控制系统实行监测,分别包括控制管理子模块、数据通信子模块、故障处理子模块、数据处理子模块等。报警功能可以实现激光器报警、冷却水装置报警。
激光冲击约束层与牺牲层要求:
激光冲击强化约束层为透明、且坚固的材料,如K9玻璃,一定程度起到固定牺牲层的要求;牺牲层可以选择激光冲击强化常用牺牲层,如黑胶带或铝箔
实施例1
本发明针对Ti合金粉末熔覆层激光冲击强化进行较优条件为:
根据Ti合金金属粉末和加工需求,设定激光增材制造的工艺参数:
激光功率200W、光斑直径0.01mm、扫描速度200mm/s(高纯氩气保护);
根据Ti合金强化效果和加工需求,设定激光冲击强化的工艺参数:
脉冲频率5Hz、脉冲宽度14ns、单脉冲能量7J、光斑直径2mm、波长1064nm、频率2Hz、搭接率为50%,约束层为K9玻璃,牺牲层为黑胶带。
为了对比激光增材制造后冲击与未冲击的调控残余应力效果,本发明还针对相同处理的试样在激光增材制造后未冲击情况下的性能,工艺参数相同,并与进行对比,对其进行显微硬度和残余应力的测试,测试结果如表一所示:
表一
显微硬度 残余应力
激光熔覆未冲击 325 265
激光熔覆冲击 378 -122
实施例2
本发明针对Ti合金粉末熔覆层激光冲击强化进行较优条件为:
根据Ti合金金属粉末和加工需求,设定激光熔覆的工艺参数:
激光功率200W、光斑直径0.01mm、扫描速度200mm/s(高纯氩气保护);
根据Ti合金强化效果和加工需求,设定激光冲击强化的工艺参数:
脉冲频率5Hz、脉冲宽度14ns、单脉冲能量7J、光斑直径2mm、波长1064nm、频率1Hz、搭接率为40%,约束层为K9玻璃,牺牲层为黑胶带。
为了对比激光增材制造后冲击与未冲击的调控残余应力效果,本发明还针对相同处理的试样在激光增材制造后未冲击情况下的性能,工艺参数相同,并与进行对比,对其进行显微硬度和残余应力的测试,测试结果如表二所示:
表二
显微硬度 残余应力
激光熔覆未冲击 285 198
激光熔覆冲击 308 -170

Claims (5)

1.激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,其特征在于通过移动约束层和牺牲层,实现对零件的激光选区熔化和激光冲击强化,包括以下步骤:
1)建立零件的模型,对模型进行切片处理,并将切片信息导入到增材制造设备中;
2)根据强化效果和加工需求,设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数;
3)铺粉阶段:工作时送粉腔上升一个厚度,成形腔下降一个厚度,通过增材制造设备的水平刮板运动,使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上;
所述增材制造设备的激光器为两个,分别用于激光选区熔化和激光冲击强化;
在所述增材制造设备上加装一个激光器2和分光镜;在激光器1的输出光路上设置分光镜,分光镜上方设置激光器2;激光冲击强化时激光器1输出的激光通过分光镜透射、通过振镜垂直反射至成型腔;激光增材制造时激光器2输出的激光依次经分光镜、振镜反射至成型腔;
4)激光选区熔化阶段:计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹,使熔融粉末材料形成零件的一个层面;
5)激光冲击强化阶段:重复步骤3)-步骤4),在完成若干层之后,动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层,使其覆盖到在成形腔上面,进行表面激光冲击强化,之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层;
6)返回步骤3),直至零件加工完成;
所述约束层和牺牲层上下贴合,通过动力装置控制导轨滑块机构带动其水平方向运动。
2.根据权利要求1所述的激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,其特征在于所述切片信息包括厚度、切片方向和二维扫描轨迹。
3.根据权利要求1所述的激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,其特征在于激光选区熔化的工艺参数包括激光功率100-500w、光斑直径20-200μm、扫描速度50-200mm/s;激光冲击强化的工艺参数包括脉冲频率1-10Hz、脉冲宽度5-20ns、单脉冲能量1-30J,光斑直径0.1-3mm。
4.根据权利要求1所述的激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,其特征在于所述约束层为玻璃或石英。
5.根据权利要求1所述的激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法,其特征在于所述牺牲层为黑胶带或铝箔。
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