CN109773187B - 一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，所述方法采用金属粉末与激光同轴送粉的方式，利用激光热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量激励激光熔池产生超声能场，从而使熔池熔凝过程形成致密且细晶的沉积层组织结构，其包括如下步骤：1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式；3）设定脉冲振荡激光束作用模式；4）启动成形制造程序，开始成形制造过程至制造流程完成。其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。
Description
技术领域
本发明涉及三维快速成形制造，具体涉及一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法。
背景技术
三维快速成形（增材制造）技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件增材制造的技术基础是焊接/连接，近20年来，国内外增材制造实现了两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把激光、电子束、电弧等高能束流热源的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。相对于传统的材料切、削、磨等加工技术，增材制造是一种“自下而上”的制造方法，可以有效地缩短产品开发周期，提高产品质量，因此得到了迅速的发展。
三维快速成形制造优势在于制造周期短，适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造，以及复杂结构零件制造，在航空航天、机械制造、产品开发阶段、计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前，三维快速成形制造技术是传统大批量制造技术的一个补充，相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属构件的三维快速成形制造应用于产品研发，还存在使用成本高、制造效率低、制造质量尚不能令人满意等问题，其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。
目前较为成熟的激光增材制造方法并不适合对铝合金构件的成形，这主要是由于铝合金对激光具有极高的反射率，例如对CO2激光的放射率超过90％。而且，铝合金构件自身又具有良好的导热性，从而造成铝合金增材制造过程中对激光的能量吸收不足。增材制造铝合金构件中极易出现气孔、粗大柱状晶组织等。因此，需要开发一种能够用于铝合金增材制造的激光快速成形制造方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料结构的激光快速成形制造成形。
本发明所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，所述方法采用脉冲振荡激光束辅助主热源激光束组成的双激光束熔化同轴送进的金属粉，并激励激光熔池产生超声能场，从而在熔池熔凝过程中形成致密且细晶的沉积层组织结构，其包括如下步骤：
1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；
2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：
当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；
当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：
当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；需要说明的是，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲也为峰值；
当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲为基值；
3）设定脉冲振荡激光束作用模式，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡激光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；
4）启动快速成形制造程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始快速成形制造过程至制造流程完成。
进一步，所述主热源激光束为非脉冲模式或脉冲模式，当主热源激光束为脉冲模式时，其与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲。
进一步，所述主热源激光束为光纤激光或半导体激光等材料加工用激光束，脉冲振荡激光束为Q调制的Nd:YAG脉冲激光。
所述脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束或同轴双激光束；当脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束时，以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；当脉冲振荡激光与主热源激光为同轴双激光束时，脉冲振荡激光束位于主热源激光束光路内部同轴出射，脉冲振荡激光束能量作用于主热源激光束产生的熔池中心。
进一步，所述快速成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成快速成形制造程序。
进一步，所述主热源激光束的额定功率范围为0.3~6kW。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明利用主热源激光束作为熔化金属粉末并使其沉积成型所需要的主要能量，借助高频脉冲振荡激光能量作用于主热源激光熔池区域，使熔池受激产生超声能场。在超声能场诱发超声流、超声脉动冲击波等物理效应作用下加速熔池中气体溢出，减少宏、微观孔隙，显著提高熔凝结构致密度。同时，高频脉冲振荡激光激励熔池产生的超声能场诱发声空化效应，提高了熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。
2、本发明通过限定脉冲振荡激光束参数，结合主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式和能量匹配方式，保证了主热源激光束作为热源使用，脉冲振荡激光束起到激励熔池超声能场的作用。-峰值匹配将使脉冲振荡激光脉冲在主热源激光脉冲作用产生熔池的同时在熔池中激励产生超声能场，并在熔池中诱发产生超声脉动冲击波，影响熔池对流和固液界面晶粒形核，使熔池中气相加速逸出以及提高晶核形核率。当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲时，除了脉冲能量峰值-峰值匹配时产生熔池超声能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激励产生超声能场，使上述对熔池的作用效果得以强化。
3、本发明的金属沉积率高，金属构件成形效率高，且制得的金属内部结构致密，晶粒均匀、细小。
4、本发明能够实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。
附图说明
图1是基于激光超声的双光束激光快速成形制造系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一的主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲的波形示意图；
图3是本发明实施例二的主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲的波形示意图；
图中，1—脉冲振荡激光器，2—主热源激光器，3—电源，4—送粉器，5—脉冲振荡激光束，6—主热源激光束，7—基板，8—成形件，10—主热源激光脉冲，11—脉冲振荡激光脉冲。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
参见图1，实现本发明方法的基于激光超声的双光束激光快速成形制造系统包括脉冲振荡激光器1、主热源激光器2、电源3、送粉器4和基板7，主热源激光器2与电源3连接，送粉器4输出端与主热源激光器2连接，实现同轴送粉，由脉冲振荡激光器1射出脉冲振荡激光束4，所述基板7固定于快速成形平台上，在基板7上沉积得到成形件8。
实施例一，一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其包括如下步骤：
1、基板7采用厚度为4mm的6061铝合金板，送粉器4内的粉末材料粒度为200~300目的铝合金粉末；将基板7水平固定于快速成形平台上，且基板7接电源3正极，主热源激光器2接电源3负极。调整脉冲振荡激光器1和主热源激光器2的相对位置，使得主热源激光器2出射的主热源激光束6和脉冲振荡激光器1出射的脉冲振荡激光束5位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域。
2、主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式，主热源激光采用额定功率为2kW的光纤激光，主热源激光脉冲频率为5kHz，输出功率为1.5kW，脉冲振荡激光采用额定功率为200W的Q调制Nd:YAG激光，脉冲频率为5kHz，脉冲激光峰值功率为20kW，脉冲宽度为200ns。主热源激光脉冲10与脉冲振荡激光脉冲11为同步脉冲能量匹配。参见图2，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲11为峰值时，主热源激光脉冲10也为峰值。
3、设定脉冲振荡激光束作用模式，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡激光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同。
4、启动快速成形制造程序，所述快速成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成快速成形制造程序。主热源激光器2和脉冲振荡激光器1工作，出射主热源激光束6和脉冲振荡激光束5，同时启动送粉器4，使送粉喷嘴喷射粉末流，送粉量为15g/min。快速成形过程中使用的保护气体为纯氩气，保护气体流量为20L/min，主热源激光束6的行走速度为12mm/s。制造过程结束时，先关停脉冲振荡激光束5出射，再关停主热源激光束6，并停止送粉器4，延迟停止保护气，结束全部制造流程，在基板7表面得到成形件8。
该实施例得到的成形件表面成形一致性好，表面精度高，适合对精度要求更高的小型薄壁成形件制造。
实施例二，一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其包括如下步骤：
1、基板7采用厚度为4mm的304不锈钢板，送粉器4内的粉末材料粒度为200~300目的奥氏体不锈钢粉末；将基板7水平固定于快速成形平台上，且基板7接电源3正极，主热源激光器2接电源3负极。调整脉冲振荡激光器1和主热源激光器2的相对位置，使得主热源激光器2出射的主热源激光束6和脉冲振荡激光器1出射的脉冲振荡激光束5位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域。
2、主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式，主热源激光采用额定功率为2kW的光纤激光，主热源激光脉冲频率为5kHz，输出功率为1.5kW。脉冲振荡激光采用额定功率为200W的Q调制Nd:YAG激光，脉冲频率为50kHz，脉冲激光峰值功率为20kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使主热源激光脉冲10与脉冲振荡激光脉冲11为异步脉冲能量匹配。参见图3，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲11为峰值时，主热源激光脉冲10为基值。
3、设定脉冲振荡激光束作用模式，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡激光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同。
4、启动快速成形制造程序，所述快速成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成快速成形制造程序。主热源激光器2和脉冲振荡激光器1工作，出射主热源激光束6和脉冲振荡激光束5，同时启动送粉器4，使送粉喷嘴喷射粉末流，送粉量为20g/min。快速成形过程中使用的保护气体为纯氩气，保护气体流量为20L/min，主热源激光束6的行走速度为12mm/s。制造过程结束时，先关停脉冲振荡激光束5出射，再关停主热源激光束6，并停止送粉器4，延迟停止保护气，结束全部制造流程，在基板7表面得到成形件8。
该实施例得到的成形件表面成形一致性好，表面精度高，适合对精度要求更高的小型薄壁成形件制造。
Claims (6)
1.一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述方法采用金属粉末与激光同轴送粉的方式，利用激光热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量激励激光熔池产生超声能场，从而形成致密且细晶的沉积层熔凝组织结构，其包括如下步骤：
1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；
2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：
当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；
当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：
当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；
当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲为基值；
3）设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡激光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；
4）启动成形制造程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频5kHz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始成形制造过程至制造流程完成。
2.根据权利要求1所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述主热源激光束为非脉冲模式或脉冲模式，当主热源激光束为脉冲模式时，其与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述主热源激光束为光纤激光或半导体激光，脉冲振荡激光束为Q调制的Nd:YAG脉冲激光。
4.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束或同轴双激光束；
当脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束时，以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；
当脉冲振荡激光与主热源激光为同轴双激光束时，脉冲振荡激光束与主热源激光束光路内部同轴出射，脉冲振荡激光束能量作用于主热源激光束产生的熔池中心。
5.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述快速成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成快速成形制造程序。
6.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述主热源激光束的额定功率范围为0.3~6kW。
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