CN109834390B - 一种多自由度柔性增材制造设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合增材制造相关技术领域，其公开了一种多自由度柔性增材制造设备及方法，该制造设备包括至少两个激光器组件、电弧焊机组件及调节组件，所述调节组件用于承载所述激光器组件及所述电弧焊机组件，并分别用于调节所述激光器组件及所述电弧焊机组件的位姿，进而调节所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件产生的电弧之间的相对位置；至少两个所述激光器组件绕所述电弧焊机组件设置，且至少两个所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件传送的焊丝相交于同一点；至少两个所述激光器组件能同时或者分时输出激光束。本发明实现了激光束的单独控制，消除了可能出现的气孔缺陷，便于操作。

Description

一种多自由度柔性增材制造设备及方法

技术领域

本发明属于复合增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种多自由度柔性增材制造设备及方法。

背景技术

作为一种新型增材制造技术，激光电弧复合增材制造(以下简称为复合增材)能通过激光对电弧的吸引，使电弧的热量更集中在熔池一侧，抑制弧根漂移，能够同时提高电弧的高速稳定性和能量输入效率，进一步提高电弧增材制造的精度和沉积效率。根据激光和电弧的排列方式，可以分为旁轴和同轴复合两种。其中，因为设备相对简单及灵活度高等特点，旁轴复合式应用较为广泛，如专利CN107283061A公开了一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成型系统，将激光和CMT电弧作为复合热源，感应线圈作为预热装置，实现对铝合金构件的增材制造成形，但是其光丝间距为-6mm～6mm，因而存在下述技术问题：1.由于CMT电弧和激光光源的非同轴性，因为沉积方向的不同可分为激光引导和电弧引导两种方式，根据成形材料特性和实际需求，一般只采用单一引导方式进行增材，因此需要配合变位机旋转工件位置，降低了成形精度，且难以用于复杂曲面的增材；2.过大或者过小的光丝间距在成形拐角处不易保持稳定，导致激光-电弧相互作用对电弧燃烧、熔滴过渡以及材料沉积的稳定增强效应减弱，成形和过程稳定性变差，显微组织不均匀甚至出现制件性能下降等问题，尤其是对铝合金等轻质合金的影响更为严重。

针对上述问题，专利CN206605170U公开了一种激光-CMT电弧同轴复合增材制造装置，其通过分光镜将入射光分成至少两束反射激光，并采用反射聚焦镜将上述反射激光接收并反射成聚焦激光，与中空垂直布置的CMT焊机形成同轴对称分布的复合热源，解决了激光与电弧的不同轴问题，避免了沉积方向性的问题。但是同样存在以下一些问题，主要包括：1.由于采用同一束激光进行分光，激光功率不可调控；2.对光学组件精度要求较高，光路调节复杂；3.功能单一，主要以复合热源为主，不能边增材边激光改性，并不适用于需要进行激光改性或者有其他需求的材料；4.由于各沉积层未熔透，高功率激光极易产生的气孔缺陷并不能得到很好的解决。相应地，本领域存在着发展一种可调控性较好的多自由度柔性增材制造设备及方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多自由度柔性增材制造设备及方法，简单的采用同轴式复合增材制造设备并不能完全满足复合增材的同时提高沉积效率和成形精度的要求，基于于此，所述制造设备将激光与电弧形成复合热源，并搭配激光发射器上设置的振镜组件，如此不仅可以实现同轴复合增材制造，并能提供后续的激光改性/补焊功能，配合相关组件和工艺调节，消除了可能出现的气孔缺陷，同时具备便于操控和后期易维护等特点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多自由度柔性增材制造设备，所述制造设备包括至少两个激光器组件、电弧焊机组件及调节组件，所述调节组件用于承载所述激光器组件及所述电弧焊机组件，并分别用于调节所述激光器组件及所述电弧焊机组件的位姿，进而调节所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件产生的电弧之间的相对位置；

至少两个所述激光器组件绕所述电弧焊机组件设置，且至少两个所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件传送的焊丝相交于同一点；至少两个所述激光器组件能同时或者分时输出激光束。

进一步地，所述制造设备还包括控制器，所述激光器组件、所述电弧焊机组件及所述调节组件分别连接于所述控制器，所述控制器用于控制所述调节组件动作以分别调节所述激光器组件及所述电弧焊机组件的位姿。

进一步地，所述激光器组件包括连接于所述调节组件的激光发射器，所述激光发射器上设置有振镜组件，所述振镜组件用于实现激光束的摆动。

进一步地，所述调节组件包括第一调节机构及第二调节机构，所述第一调节机构与所述第二调节机构之间形成啮合连接，所述电弧焊机组件设置在所述第一调节机构上；所述激光器组件设置在所述第二调节机构上。

进一步地，所述激光器组件的数量与所述第二调节机构的数量相同，均为四个；所述制造设备处于初始状态时，四个所述第二调节机构绕所述第一调节机构均匀分布。

进一步地，所述第一调节机构为中空结构，其包括大齿轮及设置于所述大齿轮的套筒，所述电弧焊机组件设置在所述套筒上。

进一步地，所述第二调节机构包括小齿轮、弧形轨道、三维调节件及伺服电机，所述小齿轮与所述大齿轮相啮合，所述三维调节件设置在所述小齿轮上，且其连接于所述激光器组件的激光发射器；所述激光发射器与所述弧形轨道滑动连接，其能沿所述弧形轨道所形成的弧形槽滑动；所述伺服电机还连接于所述激光器组件的激光发射器的腔体，其用于带动所述腔体移动，进而改变设置在所述腔体上的聚焦镜的位姿。

按照本发明的另一个方面，提供了一种多自由度柔性增材制造方法，该方法包括以下步骤：

首先，提供如上所述的多自由度柔性增材制造设备，所述制造设备按照待制造零件各个区域的性质进行成形方式的选择及划分；接着，所述制造设备采用选择的成形方式增材制造所述零件。

进一步地，激光束扫描频率为0Hz～500Hz，扫描振幅为0mm～4mm，扫描图形为直线或者圆形；至少两个所述激光器组件发射的激光束中除了作为主光源外剩余的激光束作为备用光源或者用于后续的激光改性或者补焊。

进一步地，所述调节组件的第二调节机构通过绕所述电弧焊机组件旋转来改变所述激光器组件相对于所述电弧焊机组件的位姿，且所述第二调节机构的旋转范围为0°～90°。

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，本发明提供的多自由度柔性增材制造设备及方法主要具有以下有益效果：

1.至少两个所述激光器组件能同时或者分时输出激光束，激光束可以实现分时或同时控制，因而可以实现激光功率分别调控，具有复合增材+激光改性/补焊功能，必要时可以实现单一热源的增材制造及二次激光改性/补焊，提高制件的性能，功能较齐全，适用性较强。

2.通过将电弧与激光同轴复合成对称热源，使得沉积过程中不受沉积方向的影响，进而可以用于非线性平面及三维曲面的增材制造，适用性较强。

3.所述激光发射器上设置有振镜组件，所述振镜组件用于实现激光束的摆动，有利于消除未熔透情况下的气孔缺陷，并均匀化组织，进一步提高力学性能。

4.该增材制造设备不仅可以用于增材制造领域，还能用于单独电弧焊接、激光焊接以及激光电弧复合焊接等焊接领域；且所述制造设备对光路依赖性低，光路调节简单，便于设备的调试和后期维护，灵活性较好。

附图说明

图1是本发明提供的多自由度柔性增材制造设备的结构示意图；

图2是图1中的多自由度柔性增材制造设备的激光器组件的结构示意图；

图3是图1中的多自由度柔性增材制造设备的电弧焊机组件的结构示意图；

图4是图1中的多自由度柔性增材制造设备的调节组件及电弧焊枪的结构示意图；

图5是图1中的多自由度柔性增材制造设备的局部示意图；

图6是采用本发明提供的多自由度柔性增材制造方法构建的实体零件的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：4-激光器，5-激光发射器，6-电弧电源，7-电弧焊枪，8-送丝机构，9-大齿轮，10-套筒，12-弧形轨道，13-三维调节件，14-小齿轮，15-伺服电机。

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。

请参阅图1、图2、图3、图4及图5，本发明提供的多自由度柔性增材制造设备，所述制造设备包括激光器组件、电弧焊机组件及调节组件，所述调节组件用于承载所述激光器组件及所述电弧焊机组件，并用于分别调节所述电弧焊机组件及所述激光器组件的位姿，进而分别调节激光束及电弧的相对位置。所述激光器组件的数量为至少两个，至少两个所述激光器组件相对于所述电弧焊机组件设置，且至少两个所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件传送的焊丝相交于同一点。本实施方式中，所述激光器组件的数量为四个，四个所述激光器组件可以同时或者分时输出四束激光，以用于同轴复合增材制造以及增材制造+激光改性/补焊等。

所述激光器组件包括激光器4及激光发射器5，所述激光器4连接于所述激光发射器5。所述激光器4可以为光纤激光器、碟片激光器或者脉冲激光器。所述激光器4上设置有振镜组件，所述振镜组件用于实现激光束的摆动，以有利于消除气孔缺陷。

所述电弧焊机组件包括电弧电源6、送丝机构8及电弧焊枪7，所述电弧电源6连接于所述送丝机构8，所述电弧焊枪7设置在所述送丝机构8上。所述电弧电源6用于提供产生电弧的能量，所述送丝机构8用于安装焊丝并向焊丝送往所述电弧焊枪7，其与送丝调节器相连接以对送丝速度进行调节。所述电弧焊枪7用于控制来自所述送丝机构8的焊丝的方向与传输速度。所述电弧焊枪7所在的电弧焊机可以为MIG焊机/MAC焊机、TIG焊机或者等离子体焊机。

所述调节组件包括第一调节机构及四个第二调节机构，所述第一调节机构与所述第二调节机构之间形成啮合连接。初始状态时，四个所述第二调节机构绕所述第一调节机构均匀分布。所述电弧焊机组件设置在所述第一调节机构上，四个所述激光器组件分别设置在四个所述第二调节机构上。所述第一调节机构用于调节所述电焊机组件的位姿，进而调节所述电弧焊机组件产生的电弧的位姿；所述第二调节机构用于调节所述激光器组件的位姿，继而调节对应的所述激光器组件产生的激光束的位姿，由此调节所述电弧与所述激光束的相对位姿，使得所述激光束与所述焊丝相交于一点。

所述第一调节机构为中空结构，其包括大齿轮9及套筒10，所述套筒10设置在所述大齿轮9的齿圈内，其用于承载所述电弧焊枪7。通过改变所述套筒10的位姿来改变所述电弧焊枪7的位姿。

所述第二调节机构包括小齿轮14、弧形轨道12、三维调节件13及伺服电机15，所述小齿轮14与所述大齿轮9相啮合，其可带动所述大齿轮9转动。本实施方式中，所述小齿轮14可以绕所述电弧焊枪7做90°旋转，且其旋转角度和转速均可控。所述三维调节件13设置在所述小齿轮14上，且其连接于所述激光发射器15。所述激光发射器5与所述弧形轨道12滑动连接，其可以沿所述弧形轨道12所形成的弧形槽滑动。所述伺服电机15还连接于所述激光发射器5的腔体，其用于带动所述腔体移动，进而改变设置在所述腔体上的聚焦镜的位姿。本实施方式中，所述三维调节件13用于调节所述激光发射器5的空间位置，所述伺服电机15用于带动所述激光发射器5的腔体移动以实现离焦量的调节，所述激光发射器5沿所述弧形轨道12滑动以调节所述激光发射器5的偏转角度。

所述制造设备还包括控制器，所述激光器组件、所述电弧焊机组件及所述调节组件分别连接于所述控制器。所述控制器用于控制所述调节组件，以使所述调节组件调节所述激光束与所述电弧之间的相对位置。

本发明提供的多自由度柔性增材制造方法包括以下步骤：

步骤一，所述制造设备按照待制造零件各个区域的性质进行成形方式的选择及划分。具体地，对于功能一致的材料，采用激光电弧复合增材制造工艺；对于功能梯度材料，可分别采用复合增材制造或复合增材制造+激光改性/补焊工艺。其中，对于热输入和成形效率有严格要求而对精度要求低的部分，采用复合增材制造工艺，对于需要进行激光改性/补焊增强某些性能的部分，采用复合增材制造+激光改性/补焊工艺。

步骤二，所述制造设备采用选择的成形方式进行增材制造。

初始状态时，为了便于表述，前置的激光为第一激光束，后置的激光为第二激光束，左置的激光为第三激光束，右置的激光为第四激光束，实际过程中，各个小齿轮可以绕电弧焊枪分别做90°旋转，旋转角度和转速由所述控制器来控制。

对于复合增材制造工艺，采用同轴复合增材加后续激光改性/补焊，即第一激光束与电弧焊枪的夹角为15度～30度，避免方向性的影响。第二激光束垂直布置，并与焊枪保持一定距离，以用于对沉积完成后的激光改性/补焊处理；

对于复合增材制造工艺，采用分时控制方式，第一激光束与电弧焊枪同时出光出弧，以进行复合增材制造；第二激光束滞后出光，待沉积层完成凝固后进行激光改性/补焊。

对于复合增材制造工艺，第一激光束的功率为500W～2000W，离焦量优先范围为0mm～20mm。第二激光束的功率为1000W～2000W，离焦量优先范围为20mm～40mm。采用的MIG焊枪的焊丝直径为0.8mm～1.6mm，干伸长量根据焊丝直径选择8mm～18mm，选用CMT模式，送丝速度优选为4m/min～8m/min。根据成形材料的不同选用不同保护气成分，并保持气体流量为15L/min～25L/min，以形成保护气氛，保证电弧稳定性。选用的基板厚度为15mm，沉积速度为0.3m/min～1.2m/min，沉积策略为“S”形往复式扫描。各层各道的等待时间优选为30s～90s，且需提前送保护气1s～3s，沉积完成后继续送保护气3s～5s。

对于复合增材制造工艺，激光束扫描频率为0Hz～500Hz，扫描振幅为0mm～4mm，扫描图形为直线或者圆形，也可根据需要自行设计扫描图形。

所述的第三激光束和第四激光束，既可以作为备用光源，也可与第一激光束或第二激光束进行光束耦合，实现高功率激光输出，还可以用于对已沉积部分进行二次改性；当其中的某一束激光出现问题时，及时更换，提高设备利用率。

步骤三，对增材制造得到的零件进行后续机加工直至成品。

以下结合具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

请参阅图6，不锈钢构件的尺寸为160mm(长)×25mm(宽)×40mm(高)，由50层沉积层构成，每层平均层高为0.8mm，单道层宽为4.5mm，层高为1.2mm。每层由7道填充金属组成，并对各层各道行激光改性/补焊处理。

保持第一激光束倾角30度并与MIG焊枪同轴，第二激光束保持垂直并与MIG焊枪的间距保持在其后100mm处，采用分时控制方式，第一激光束与电弧焊枪同时出光出弧，以进行复合增材制造，第二激光束滞后出光，待沉积层完成凝固后进行激光改性/补焊。第一激光束的功率为1000W，离焦量为5mm，第二激光束的功率为2000W，离焦量为30mm。焊丝采用直径1.0mm的ER316L奥氏体不锈钢焊丝，干伸长为11mm，采用CMT电弧模式，送丝速度为6m/min，电弧保护气采用高纯氩+2.5％CO₂，气体流量为25L/min。基板为15mm厚的Q235低碳钢，沉积速度为1.2m/min，沉积策略为“S”形往复式扫描。各层各道的等待时间为60s，且需提前送气3s，沉积完成后继续送气3s。第一激光束在X方向的振荡扫描位移范围为-2mm～2mm，在Y轴方向的扫描位移为-2mm～2mm，振荡频率为200Hz，扫描图形为圆形。第三激光束和第四激光束作为备用光源，不出光。在沉积同一层时，每完成一道需要水平移动3mm，保持搭接宽度为1.3mm。沉积完一层后，升高0.8mm并回到上一层第一道的结束位置，继续沉积，直至完成该实体。增材结束后依据需要进行适当的铣削加工。依照上述工艺制备的零件致密度为100％，经X射线检测后气孔率为0，能满足实际应用。

本发明提供的多自由度柔性增材制造设备及方法，其采用多个激光器组件绕所述电弧焊枪设置，可以同时或者分时发出多个激光束，且多个所述激光束可以被分别控制，实现了激光功率的单独控制。此外，所述激光发射器上设置有振镜组件，以有效抑制激光电弧复合热源中可能出现的气孔缺陷，提高了成型率及精度，灵活性较好。

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 (10)

1.一种多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：

所述制造设备包括至少两个激光器组件、电弧焊机组件及调节组件，所述调节组件用于承载所述激光器组件及所述电弧焊机组件，并分别用于调节所述激光器组件及所述电弧焊机组件的位姿，进而调节所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件产生的电弧之间的相对位置；

至少两个所述激光器组件绕所述电弧焊机组件设置，且至少两个所述激光器组件发射的激光束与所述电弧焊机组件传送的焊丝相交于同一点；至少两个所述激光器组件能分时输出激光束，实现了激光束的分时控制，且激光功率能分别调控，不仅能够实现同轴复合增材制造，还能实现增材制造+激光改性/补焊。

2.如权利要求1所述的多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：所述制造设备还包括控制器，所述激光器组件、所述电弧焊机组件及所述调节组件分别连接于所述控制器，所述控制器用于控制所述调节组件动作以分别调节所述激光器组件及所述电弧焊机组件的位姿。

3.如权利要求1所述的多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：所述激光器组件包括连接于所述调节组件的激光发射器（5），所述激光发射器（5）上设置有振镜组件，所述振镜组件用于实现激光束的摆动。

4.如权利要求1所述的多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：所述调节组件包括第一调节机构及第二调节机构，所述第一调节机构与所述第二调节机构之间形成啮合连接，所述电弧焊机组件设置在所述第一调节机构上；所述激光器组件设置在所述第二调节机构上。

5.如权利要求4所述的多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：所述激光器组件的数量与所述第二调节机构的数量相同，均为四个；所述制造设备处于初始状态时，四个所述第二调节机构绕所述第一调节机构均匀分布。

6.如权利要求4所述的多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：所述第一调节机构为中空结构，其包括大齿轮（9）及设置于所述大齿轮（9）的套筒（10），所述电弧焊机组件设置在所述套筒（10）上。

7.如权利要求6所述的多自由度柔性增材制造设备，其特征在于：所述第二调节机构包括小齿轮（14）、弧形轨道（12）、三维调节件（13）及伺服电机（15），所述小齿轮（14）与所述大齿轮（9）相啮合，所述三维调节件（13）设置在所述小齿轮（14）上，且其连接于所述激光器组件的激光发射器（5）；所述激光发射器（5）与所述弧形轨道（12）滑动连接，其能沿所述弧形轨道（12）所形成的弧形槽滑动；所述伺服电机（15）还连接于所述激光器组件的激光发射器（5）的腔体，其用于带动所述腔体移动，进而改变设置在所述腔体上的聚焦镜的位姿。

8.一种多自由度柔性增材制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先，提供权利要求1-7任一项所述的多自由度柔性增材制造设备，所述制造设备按照待制造零件各个区域的性质进行成形方式的选择及划分；接着，所述制造设备采用选择的成形方式增材制造所述零件。

9.如权利要求8所述的多自由度柔性增材制造方法，其特征在于：激光束扫描频率为0Hz～500Hz，扫描振幅为0mm～4mm，扫描图形为直线或者圆形；至少两个所述激光器组件发射的激光束中除了作为主光源外剩余的激光束作为备用光源或者用于后续的激光改性或者补焊。

10.如权利要求8所述的多自由度柔性增材制造方法，其特征在于：所述调节组件的第二调节机构通过绕所述电弧焊机组件旋转来改变所述激光器组件相对于所述电弧焊机组件的位姿，且所述第二调节机构的旋转范围为0°~90°。

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