CN110202149B - 一种激光立体成形加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光立体成形加工装置及方法。所述装置包括：激光发射装置、磁场发生装置和成形平台；激光发射装置发出激光作用于待加工材料上，形成熔池；磁场发生装置包括螺旋铜线圈、第一电极和第二电极；螺旋铜线圈由一根铜管螺旋绕制而成；第一电极和第二电极分别设置在铜管的两端，用于加载交变电压，使螺旋铜线圈产生交变磁场；在任意时刻，螺旋铜线圈均套在激光与待加工材料的作用点外。在螺旋铜线圈上加载交变电压，产生交变磁场，熔池内的熔体流动切割磁感线产生感应电流，带电的熔体在磁场中运动产生与其运动方向相反的洛伦兹力，抑制熔体流动，减少熔池周围未熔待加工材料颗粒的粘附，改善激光立体成形零件表面光洁度。

Description

一种激光立体成形加工装置及方法

技术领域

本发明涉及激光立体成形技术领域，特别是涉及一种激光立体成形加工装置及方法。

背景技术

激光立体成形，是一种利用高能激光束作为热源，对金属粉末或金属丝进行高温熔化，然后在基板上快速冷却凝固成形的技术。电脑软件首先对零件的三维模型进行切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列的二维轮廓信息，然后通过高能激光束将每一层的分层信息作为路径进行扫描，通过逐层堆积最终形成与零件几何尺寸相同的实体金属构件。

近年来这项技术被广泛应用于航空航天、医疗器械等领域的金属零件制造，特别是航空航天领域中的高性能大尺寸钛合金、镍基高温合金等关键构件。高能激光束作用于金属粉末或金属丝形成的单道熔池近似等于激光的光斑尺寸，因此金属零件的成形精度基本能达到设计尺寸要求。

然而，在其相对独立的逐层扫描堆积的成形过程中，虽然激光立体成形技术在理论上可以打印出任意结构的实体零件，但是，零件的表面光洁度控制一直面临较大问题。

在激光立体成形过程中，金属微熔池内存在由高温度梯度引起金属熔体由熔池中心向四周的流动，使气液自由界面不稳定；同时在热传递的影响下，熔池边界会有大量未完全熔化的金属粉末或金属丝粘附。这些附着在金属熔池周围的颗粒对金属零件的表面光洁度造成严重影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光立体成形加工装置及方法，提升激光立体成形金属零件表面的光洁度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种激光立体成形加工装置，所述装置包括：激光发射装置、磁场发生装置和成形平台；

所述成形平台水平设置，用于放置待加工材料；

所述激光发射装置位于所述成形平台的正上方，用于发出激光作用于所述待加工材料上，形成熔池；

所述磁场发生装置包括螺旋铜线圈、第一电极和第二电极；

所述螺旋铜线圈由一根铜管螺旋绕制而成；

所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述铜管的两端，用于加载交变电压，使所述螺旋铜线圈产生交变磁场；

在任意时刻，所述螺旋铜线圈均套在所述激光与所述待加工材料的作用点外。

可选的，所述装置还包括调节装置，

所述调节装置与所述螺旋铜线圈连接，用于调节所述螺旋铜线圈的水平位置及所述螺旋铜线圈与所述成形平台的夹角。

可选的，所述调节装置包括转动圆盘；

所述铜管两端沿同一个方向伸出，分别与所述转动圆盘连接；

所述转动圆盘用于旋转带动所述螺旋铜线圈转动，调节所述螺旋铜线圈与所述成形平台之间的夹角。

可选的，所述调节装置还包括X方向移动轴和X方向导轨；

所述X方向导轨水平设置；

所述X方向移动轴分别垂直于所述转动圆盘和所述X方向导轨；

所述X方向移动轴一端插在所述转动圆盘上，与所述转动圆盘转动连接；

所述X方向移动轴另一端与所述X方向导轨沿所述X方向导轨的延伸方向滑动连接。

可选的，所述调节装置还包括两个Y方向导轨；

两个所述Y方向导轨相互平行设置；

两个所述Y方向导轨均与所述X方向导轨垂直；

所述X方向导轨架设在两个所述Y方向导轨上，分别与两个所述Y方向导轨沿所述Y方向导轨的延伸方向滑动连接。

可选的，所述调节装置还包括Z方向导轨和移动平台；

所述移动平台水平设置；

两个所述Y方向导轨均固定在所述移动平台上；

所述Z方向导轨与所述移动平台垂直；所述移动平台上设置有孔；

所述Z方向导轨穿过所述孔与所述移动平台滑动接触；

所述移动平台沿所述Z方向导轨上下滑动。

可选的，所述铜管为空心结构，一端设置有冷却水进水阀门，另一端设置有冷却水出水阀门；通过向空心铜管内通入循环冷却水进行水冷散热。

可选的，所述激光发射装置为CO₂气体激光器、Nd-YAG激光器以及光纤激光器中的任意一种。

一种激光立体成形加工方法，所述方法包括：

将待加工材料均匀送至成形平台上；

向螺旋铜线圈上加载设定大小的交变电压，产生交变磁场；

调节所述螺旋铜线圈的水平位置及所述螺旋铜线圈与所述成形平台的夹角，使所述待加工材料位于交变磁场中；

控制激光发射装置发出激光，以设定路径作用于所述待加工材料上，使对应位置的所述待加工材料熔化形成熔池；

通过多个熔池堆积，得到成形零件。

可选的，所述将待加工材料均匀送至成形平台上，具体包括：

通过惰性气体气动作用和所述待加工材料的重力作用将所述待加工材料均匀吹至所述成形平台上。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过设置螺旋铜线圈，并在所述螺旋铜线圈上加载交变电压，产生垂直水平面方向的交变磁场，激光发射装置发出激光作用于待加工材料上，产生熔池，熔池内的熔体由中心向四周流动，流动方向与磁感线方向垂直，流动熔体切割磁感线产生感应电流，带电的熔体在磁场中运动产生与其运动方向相反的洛伦兹力，抑制熔池中的熔体流动，使金属熔池有向中心收缩的效果，减少金属熔池周围未熔待加工材料颗粒的粘附，改善激光立体成形零件表面光洁度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光立体成形加工装置结构图；

图2为本发明实施例提供的激光立体成形加工装置主视图；

图3为本发明实施例提供的螺旋铜线圈结构图；

图4为本发明实施例提供的螺旋铜线圈剖面图；

附图标记说明：

1-激光发射装置，2-螺旋铜线圈，3-熔池，4-零件，5-成形平台，6-第一电极，7-转动圆盘，8-冷却水进水阀门，9-X方向移动轴，10、Z方向导轨，11-冷却水出水阀门，12、移动平台，13-第二电极，14-X方向导轨，15-Y方向导轨。

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。

本发明的目的是提供一种激光立体成形加工装置及方法，提升激光立体成形金属零件表面的光洁度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的激光立体成形加工装置结构图；图2为本发明实施例提供的激光立体成形加工装置主视图；如图1、2所示，一种激光立体成形加工装置，所述装置包括：激光发射装置1、磁场发生装置和成形平台5；

所述成形平台5水平设置，用于放置待加工材料；

所述激光发射装置1位于所述成形平台5的正上方，用于发出激光作用于所述待加工材料上，形成熔池3；激光发射装置1的发射功率为0.1～6KW，频率为1～109Hz，发出激光束的光斑直径为0.2mm与待加工材料作用。

图3为本发明实施例提供的螺旋铜线圈结构图；图4为本发明实施例提供的螺旋铜线圈剖面图，如图3、4所示，所述磁场发生装置包括螺旋铜线圈2、第一电极6和第二电极13；

所述螺旋铜线圈2由一根铜管螺旋绕制而成；

所述第一电极6和所述第二电极13分别设置在所述铜管的两端，用于加载交变电压，使所述螺旋铜线圈2产生交变磁场；本实施例中在螺旋铜线圈2的空心铜管上加载电压为0～380V的交变电压。

在任意时刻，所述螺旋铜线圈2均套在所述激光与所述待加工材料的作用点外。

所述装置还包括调节装置，

所述调节装置与所述螺旋铜线圈2连接，用于调节所述螺旋铜线圈2的水平位置及所述螺旋铜线圈2与所述成形平台5的夹角。

所述调节装置包括转动圆盘7；

所述铜管两端沿同一个方向伸出，分别与所述转动圆盘7连接；

所述转动圆盘7用于旋转带动所述螺旋铜线圈2转动，调节所述螺旋铜线圈2与所述成形平台5之间的夹角。

所述调节装置还包括X方向移动轴9和X方向导轨14；

所述X方向导轨14水平设置；

所述X方向移动轴9分别垂直于所述转动圆盘7和所述X方向导轨14；

所述X方向移动轴9一端插在所述转动圆盘7上，与所述转动圆盘7转动连接；

所述X方向移动轴9另一端与所述X方向导轨14沿所述X方向导轨14的延伸方向滑动连接。

所述调节装置还包括两个Y方向导轨15；

两个所述Y方向导轨15相互平行设置；

两个所述Y方向导轨15均与所述X方向导轨14垂直；

所述X方向导轨14架设在两个所述Y方向导轨15上，分别与两个所述Y方向导轨15沿所述Y方向导轨15的延伸方向滑动连接。

所述调节装置还包括Z方向导轨10和移动平台12；

所述移动平台12水平设置；

两个所述Y方向导轨15均固定在所述移动平台12上；

所述Z方向导轨10与所述移动平台12垂直；所述移动平台12上设置有孔；

所述Z方向导轨10穿过所述孔与所述移动平台12滑动接触；

所述移动平台12沿所述Z方向导轨10上下滑动。

在激光立体成形过程中根据金属熔池3的位置变化，通过调节装置调节螺旋铜线圈2分别在X方向、Y方向和Z方向移动，以及通过转动圆盘7调节螺旋铜线圈2与成形平台5之间的夹角，使金属熔池3始终处于同一磁场强度位置，达到磁场控制金属熔池3的最佳效果。本实施例中，螺旋铜线圈2的水平位置分别在X方向、Y方向、Z方向上在0～500mm范围内进行调节，同时由转动圆盘7控制螺旋铜线圈2实现磁场方向与成形平台5在0°～45°之间进行调节。并且，外部电磁场的磁场强度能够根据待加工金属材料的不同物性参数在0～0.5T之间调节。

所述铜管为空心结构，一端设置有冷却水进水阀门8，另一端设置有冷却水出水阀门11；通过向空心铜管内通入循环冷却水进行水冷散热。在螺旋铜线圈2的铜管内通入循环冷却水减少通电螺旋铜线圈2内产生的热量，避免线圈过热而损坏。本实施例中。螺旋铜线圈2的铜管内部通入流速为0～1.5m/s的循环冷却水进行水冷散热。

所述激光发射装置1为CO₂气体激光器、Nd-YAG激光器以及光纤激光器中的任意一种。

待加工材料为粒径为1～200μm的金属粉末或者是直径为0.1～4.0mm的金属丝。待加工材料为无磁不锈钢系列材料、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料。

本发明的加工装置通过加载交变电压的螺旋铜线圈2产生交变磁场，磁感线与激光束方向平行，金属熔池3内熔体由中心向四周的流动，流动方向与磁感线方向垂直，流动熔体切割磁感线产生感应电流，带电的熔体在磁场中运动产生与其运动方向相反的洛伦兹力，抑制熔池3中的熔体流动，使得金属熔池3有向中部收缩的效果，减少金属熔池3周围未熔金属颗粒粘附。通过调节螺旋铜线圈2上加载的交变电压值改变磁场下熔池3内部流动熔体受力大小，减少每一个金属熔池3周围未熔金属颗粒粘附，增加熔池3与熔池3之间的直接接触部分，进而加强每一层熔池3之间的三维结合程度，改善激光立体成形零件4表面光洁度。

本实施例还提供一种激光立体成形加工方法，所述方法包括：

将待加工材料均匀送至成形平台5上；

向螺旋铜线圈2上加载设定大小的交变电压，产生交变磁场；

调节所述螺旋铜线圈2的水平位置及所述螺旋铜线圈2与所述成形平台5的夹角，使所述待加工材料位于交变磁场中；

控制激光发射装置1发出激光，以设定路径作用于所述待加工材料上，使对应位置的所述待加工材料熔化形成熔池3；

通过多个熔池3堆积，得到成形零件4。

所述将待加工材料均匀送至成形平台5上，具体包括：

通过惰性气体气动作用和所述待加工材料的重力作用将所述待加工材料均匀吹至所述成形平台5上。

本实施例中的待加工材料为金属粉末，由于氩气密度大于空气，氩气将金属粉末送至成形平台5上后会在金属粉末周围形成一个氩气氛围，这个氩气氛围能够保护成形过程中的金属熔池3不被氧化。

具体的，选用镍基高温合金粉末作为待加工材料，在激光立体成形过程中，用惰性气体氩气作为保护气体在氩气的气动作用与合金粉末自身的重力作用下将粒径为0.1mm的镍基高温合金粉末以100g/s的速度均匀送至成形平台5上。利用CO2激光器发射出功率为700W的高能激光束与镍基高温合金粉末作用，镍基高温合金粉末熔融后在成形平台5上形成一个金属熔池3，在热传递的作用下，形成的熔池3的大小会略大于激光束的光斑直径0.2mm。在1～100匝的螺旋铜线圈2上加载0～380V交变电压，螺旋铜线圈2周围会产生0～0.5T的交变磁场，并且利用外部输送装置在螺旋铜线圈2的铜管中通入流速为0～1.5m/s的循环冷却水防止铜线圈过热而被损坏。通过转动圆盘7旋转实现螺旋铜线圈2与成形平台5夹角在0～45°之间的调节，进而改变磁场的方向。并由X方向移动轴9在X方向导轨上以0～100mm/s的速度移动进行X方向的调节，同时将X方向导轨在Y方向导轨15上以0～100mm/s的速度移动进行Y方向的调节，并将移动平台12沿Z方向导轨10以0～100mm/s的速度移动进行Z方向的调节，实现螺旋铜线圈2在水平面内X、Y、Z方向的位置调节，实现磁场随熔池3位置变化而变化，使得金属熔池3始终处于同一磁场强度位置，达到磁场控制金属熔池3的最佳效果。

加载了交变电压的螺旋铜线圈2将产生0～0.5T的交变磁场，而交变磁场会与熔池3内的流动熔体相互作用，使得金属熔池3有向中部收缩的效果。通过调节螺旋铜线圈2上加载的交变电压值改变磁场下熔池3内部流动熔体受力大小，达到直接控制熔池3的效果，减少金属熔池3周围金属颗粒粘附，改善激光立体成形零件4表面光洁度。

本发明的一种激光立体成形加工装置及方法，产生如下技术效果：

1.本发明结合电场与磁场，解决了激光立体成形金属零件快速凝固过程中熔池3不可控的难题，实现对激光立体成形金属熔池3的直接控制，通过磁场与熔池3熔体作用产生方向与熔体流动相反的洛伦兹力，使得熔池3流动改变产生中心收缩，大幅度改善了激光立体成形金属零件的表面光洁度。

2.本发明中的磁场是通过加载交变电压的螺旋铜线圈2装置产生的，设备相对独立，不需要对激光立体成形设备进行大改造，并且具有非常好的磁场强度可调性、磁场位置可调性、磁场方向可调性等显著特点。

3.本发明中对激光金属熔池3的控制为非接触式，与现有方法相比几乎不会对激光熔池3带来任何杂质污染，对工作环境无特殊要求，理论上能够应用于各种金属材料的激光立体成形过程，极大减少了后续表面处理的时间和成本。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种激光立体成形加工装置，其特征在于，所述装置包括：激光发射装置、磁场发生装置和成形平台；

所述成形平台水平设置，用于放置待加工材料；

所述激光发射装置位于所述成形平台的正上方，用于发出激光作用于所述待加工材料上，形成熔池；

所述磁场发生装置包括螺旋铜线圈、第一电极和第二电极；

所述螺旋铜线圈由一根铜管螺旋绕制而成；

所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述铜管的两端，用于加载交变电压，使所述螺旋铜线圈产生交变磁场；

在任意时刻，所述螺旋铜线圈均套在所述激光与所述待加工材料的作用点外；

所述装置还包括调节装置，

所述调节装置与所述螺旋铜线圈连接，用于调节所述螺旋铜线圈的水平位置及所述螺旋铜线圈与所述成形平台的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种激光立体成形加工装置，其特征在于，

所述调节装置包括转动圆盘；

所述铜管两端沿同一个方向伸出，分别与所述转动圆盘连接；

所述转动圆盘用于旋转带动所述螺旋铜线圈转动，调节所述螺旋铜线圈与所述成形平台之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种激光立体成形加工装置，其特征在于，

所述调节装置还包括X方向移动轴和X方向导轨；

所述X方向导轨水平设置；

所述X方向移动轴分别垂直于所述转动圆盘和所述X方向导轨；

所述X方向移动轴一端插在所述转动圆盘上，与所述转动圆盘转动连接；

所述X方向移动轴另一端与所述X方向导轨沿所述X方向导轨的延伸方向滑动连接。

4.根据权利要求3所述的一种激光立体成形加工装置，其特征在于，

所述调节装置还包括两个Y方向导轨；

两个所述Y方向导轨相互平行设置；

两个所述Y方向导轨均与所述X方向导轨垂直；

所述X方向导轨架设在两个所述Y方向导轨上，分别与两个所述Y方向导轨沿所述Y方向导轨的延伸方向滑动连接。

5.根据权利要求4所述的一种激光立体成形加工装置，其特征在于，

所述调节装置还包括Z方向导轨和移动平台；

所述移动平台水平设置；

两个所述Y方向导轨均固定在所述移动平台上；

所述Z方向导轨与所述移动平台垂直；所述移动平台上设置有孔；

所述Z方向导轨穿过所述孔与所述移动平台滑动接触；

所述移动平台沿所述Z方向导轨上下滑动。

6.根据权利要求1所述的一种激光立体成形加工装置，其特征在于，

所述铜管为空心结构，一端设置有冷却水进水阀门，另一端设置有冷却水出水阀门；通过向空心铜管内通入循环冷却水进行水冷散热。

7.根据权利要求1所述的一种激光立体成形加工装置，其特征在于，

所述激光发射装置为CO₂气体激光器、Nd-YAG激光器以及光纤激光器中的任意一种。

8.一种激光立体成形加工方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任意一项所述的一种激光立体成形加工装置，所述方法包括：

将待加工材料均匀送至成形平台上；

向螺旋铜线圈上加载设定大小的交变电压，产生交变磁场；

调节所述螺旋铜线圈的水平位置及所述螺旋铜线圈与所述成形平台的夹角，使所述待加工材料位于交变磁场中；

控制激光发射装置发出激光，以设定路径作用于所述待加工材料上，使对应位置的所述待加工材料熔化形成熔池；

通过多个熔池堆积，得到成形零件。

9.根据权利要求8所述的一种激光立体成形加工方法，其特征在于，

所述将待加工材料均匀送至成形平台上，具体包括：

通过惰性气体气动作用和所述待加工材料的重力作用将所述待加工材料均匀吹至所述成形平台上。

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