CN110280904A - 一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，包括激光增材制造系统、基板、磁场耦合辅助装置和超声辅助单元，所述基板安装在实验支架台上，所述激光增材制造系统用于基板上的增材加工，所述磁场耦合辅助装置安装在基板附近，用于在基板附近产生磁场；所述超声辅助单元安装在基板底部，用于产生超声振动。所述磁场耦合辅助装置包括横向磁场辅助单元和轴向磁场辅助单元；所述基板附近设有轴向磁场辅助单元，且所述轴向磁场辅助单元与所述激光增材制造系统的激光喷嘴同轴；所述基板附近设有横向磁场辅助单元。本发明可提高激光增材制造加工质量与加工效率，通过移动监测装置可对熔池形貌、沉积层高度及其实时变化情况进行监测。

Description

一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置
技术领域
本发明涉及激光制造与加工技术领域，特别涉及一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置。
背景技术
激光增材制造是激光加工的一种重要方式，它是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。与传统制造技术相比，激光增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。
在激光增材制造过程中，一般通过高功率的激光束作为能量源，将光能转化为热能，通过高热量将粉末和基板熔化后形成熔池，同时粉末在惰性保护气的引导下，经由送粉喷嘴注入熔池中熔化。激光头向前移动时，熔池在固体的非表面张力的作用下沿着激光加工的方向移动。激光头后方的熔池在失去激光持续能量的作用下，迅速冷却凝固形成致密的合金体。熔池的稳定性是表征加工过程稳定性的一个重要指标，亦与加工质量密切相关，因此对熔池形貌进行监测具有重要意义。然而，熔池形貌难以直接观测，传统的观测方法角度单一，且也易受到飞溅、耀斑、未熔化粉末颗粒、热粒子、熔池表面扰动等的影响。此外，激光增材制造过程中，构件多存在残余应力、裂纹、孔隙等缺陷，材料表面受热汽化产生的大量等离子体也会对激光能量产生屏蔽作用，影响制造质量与效率。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，利用液基超声和可调磁场耦合辅助效应，提高激光增材制造加工质量与加工效率，并通过可移动式监测装置，对熔池形貌、沉积层高度及其实时变化情况等进行全方位、多角度的监测，并记录分析相关数据。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，包括激光增材制造系统和基板，所述基板安装在实验支架台上，所述激光增材制造系统用于基板上的增材加工，还包括磁场耦合辅助装置和超声辅助单元；所述磁场耦合辅助装置安装在基板附近，用于在基板附近产生磁场；所述超声辅助单元安装在基板底部，用于产生超声振动。
进一步，所述磁场耦合辅助装置包括横向磁场辅助单元和轴向磁场辅助单元；所述基板附近设有轴向磁场辅助单元，且所述轴向磁场辅助单元与所述激光增材制造系统的激光喷嘴同轴，用于产生轴向磁场；所述基板附近设有横向磁场辅助单元，用于产生与轴向磁场垂直的横向磁场。
进一步，所述横向磁场辅助单元包括横向电磁极、横向磁场控制器和横向磁场夹具，两个所述横向电磁极通过横向磁场夹具分别对称安装在基板外侧；所述横向磁场控制器用于控制横向电磁极。
进一步，所述轴向磁场辅助单元包括轴向电磁极、轴向磁场控制器和轴向磁场夹具，一个所述轴向电磁极通过一个轴向磁场夹具安装在基板底部，另一个所述轴向电磁极通过另一个轴向磁场夹具安装在激光喷嘴上，两个所述轴向电磁极对称布置，所述轴向磁场控制器用于控制轴向电磁极。
进一步，所述超声辅助单元包括超声振动元件和超声波发生器，所述实验支架台安装在无盖水箱内；所述超声振动元件安装在无盖水箱的底部，且位于基板下方；所述超声波发生器用于控制超声振动元件。
进一步，还包括监测装置，所述监测装置包括环形导轨装置、高速摄像机、支撑主轴和计算机处理装置，所述环形导轨装置通过回转支撑安装在工作台上，通过传动装置使环形导轨装置旋转；所述工作台上设有穿过所述环形导轨装置和回转支撑的支撑主轴，所述支撑主轴上安装无盖水箱；所述高速摄像机移动安装在环形导轨装置上；所述高速摄像机与计算机处理装置连接。
进一步，所述无盖水箱材料为透明材料，所述无盖箱体内装有液体介质，所述液体介质的液面高度高于基板下表面，且低于基板上表面。
进一步，所述基板与实验支架台之间设有筛网。
进一步，所述横向磁场夹具包括半闭合套筒和挡板；所述半闭合套筒为半圆柱筒状，所述半闭合套筒两端连接挡板，所述挡板的中心位置留直径小于横向电磁极的圆孔，所述半闭合套筒与挡板之间安装横向电磁极。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，通过安装环形导轨装置，驱动并负载高速摄像机以熔池为圆心转动拍摄，能够进行更大范围的动态捕捉，并为熔池形貌监测提供更加丰富、多样的视角，从而使获监测数据更加准确。
2.本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，通过液体介质传递振动至基板加工位置，可以细化晶粒、消除残余应力、减少气孔和未熔化粉末颗粒等，从而使加工出的产品材料结合更加紧密，力学性能更佳。
3.本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，使用外加磁场辅助激光增材制造，磁场可以降低光致等离子体云的密度，减弱等离子体的屏蔽效应，使更多的激光能量用于增材制造，提高加工质量与效率。此外，磁场可以减弱熔池上方致密等离子体云对监测视野的遮蔽情况，改善监测环境。
4.本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，采用的磁场耦合辅助装置包括横向磁场辅助单元和轴向磁场辅助单元，且都通过两个相对安装的可调电磁极来产生磁场，因此在实验过程中可以根据需要添加横向磁场或轴向磁场来辅助加工，并且电磁极的磁场强度亦可通过磁场控制器的控制系统在一定范围内任意调节。磁场使用灵活方便，可以为进一步研究不同磁场对激光增材制造的影响规律提供条件。
附图说明
图1为本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置的结构示意图。
图2为本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置的原理图。
图3为本发明所述的监测装置的结构示意图。
图4为本发明所述的磁场耦合辅助装置和超声辅助单元安装示意图。
图5为本发明所述的无盖水箱及内部结构示意图。
图中：
1-光纤激光器；2-送粉器；3-激光头；3-1-激光喷嘴；3-2-同轴送粉喷嘴；4-机床底座；5-工作台；6-环形导轨装置；7-高速摄像机；8-无盖水箱；9-实验支架台；9-1-支架；9-2-筛网；10-支撑主轴；11-计算机处理装置；12-超声辅助单元；12-1-超声振动元件；12-2-超声波发生器；13-横向磁场辅助单元；13-1-横向电磁极；13-2-横向磁场控制器；13-3-半闭合套筒；13-4-挡板；14-轴向磁场辅助单元；14-1-轴向电磁极；14-2-轴向磁场控制器；15-基板；16-沉积层；17-熔池。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，包括激光增材制造系统、基板15、磁场耦合辅助装置、超声辅助单元12和监测装置；激光增材制造系统包括光纤激光器1、送粉器2、激光头3、机床底座4和工作台5，光纤激光器1产生的激光束，通过光学系统聚焦形成高能激光束照射于基板15预定位置，同时激光喷嘴3-1吹出保护气，送粉器2与同轴送粉喷嘴3-2连接，通过同轴送粉喷嘴3-2喷出加工粉末，高能激光束将粉末迅速升温熔化并在基板15上形成熔池17，随着激光头3的移动，熔池17迅速冷却凝固，从而形成致密的沉积层16。沉积层16的成形路径由激光头3的移动轨迹控制，激光头3可实现五轴联动精密控制和定位，能够沿着X、Y、Z方向移动。根据实际需要，通过数控编程，可改变激光头3的辐照路径，同时可实现多层沉积，从而可制造出不同形状和尺寸的零部件。所述基板15安装在实验支架台9上。如图5所示，所述实验支架台9包括支架9-1和筛网9-2，实验支架台9安装在无盖水箱8内，所述支架9-1为类梯形体结构，分为上下两层，支架9-1上层长度略大于无盖水箱8直径，并通过支架9-1上层两端点固定在无盖箱体8两侧，下层由筛网9-2铺成台面，以减少对磁场的屏蔽，筛网9-2为不锈钢材料，筛网9-2孔径略大于磁场辅助单元中螺栓外径，且小于垫片外圈直径。
如图4和图5所示，所述磁场耦合辅助装置包括横向磁场辅助单元13和轴向磁场辅助单元14；所述基板15附近设有轴向磁场辅助单元14，且所述轴向磁场辅助单元14与所述激光增材制造系统的激光喷嘴3-1同轴，用于产生轴向磁场；所述基板15附近设有横向磁场辅助单元13，用于产生与轴向磁场垂直的横向磁场。所述横向磁场辅助单元13包括横向电磁极13-1、横向磁场控制器13-2和横向磁场夹具，两个所述横向电磁极13-1通过横向磁场夹具分别对称安装在基板15外侧；所述横向磁场控制器13-2用于控制横向电磁极13-1。所述横向磁场夹具包括半闭合套筒13-3和挡板13-4；所述半闭合套筒13-3为半圆柱筒状，所述半闭合套筒13-3两端连接挡板13-4，所述挡板13-4的中心位置留直径小于横向电磁极13-1的圆孔，半闭合套筒13-3将横向电磁极13-1包裹置于筛网9-2上，螺栓穿过半闭合套筒13-3左右边缘四个预留孔，穿过筛网9-2网孔，垫上垫片后与螺母旋紧固定。
所述轴向磁场辅助单元14包括轴向电磁极14-1、轴向磁场控制器14-2和轴向磁场夹具，一个所述轴向电磁极14-1通过一个轴向磁场夹具安装在基板15底部，另一个所述轴向电磁极14-1通过另一个轴向磁场夹具安装在激光喷嘴3-1上，两个所述轴向电磁极14-1对称布置，所述轴向磁场控制器14-2用于控制轴向电磁极14-1。横向磁场控制器13-2和轴向磁场控制器14-2分别通过磁场连接线与横向电磁极13-1和轴向电磁极14-1连接，磁场控制器可以通过其直流电源控制系统调节磁场强度，同时根据实验需要，可以提供不同强度的横向磁场或轴向磁场进行辅助加工。
所述超声辅助单元12包括超声振动元件12-1和超声波发生器12-2，所述实验支架台9安装在无盖水箱8内；所述超声振动元件12-1安装在无盖水箱8的底部，且位于基板15下方；所述超声波发生器12-2用于控制超声振动元件12-1。
如图3所示，所述监测装置包括环形导轨装置6、高速摄像机7、支撑主轴10和计算机处理装置11，所述环形导轨装置6通过回转支撑安装在工作台5上，通过传动装置使环形导轨装置6旋转；所述工作台5上设有穿过所述环形导轨装置6和回转支撑的支撑主轴10，所述支撑主轴10上安装无盖水箱8；所述高速摄像机7移动安装在环形导轨装置6上；所述高速摄像机7与计算机处理装置11连接。无盖水箱8为圆形箱体，底座为不锈钢材料，侧壁为圆形高透玻璃材质，与环形导轨装置6配合使用可以避免对环形导轨装置6上的高速摄像机视野造成遮蔽，且无盖水箱8与环形导轨装置6同轴。无盖箱体8内装有液体介质，所述液体介质可以是水或者超声清洗液，液体介质的液面高度高于基板15下表面，且低于基板15上表面，实验过程中通过液体介质传递超声振动至基板15，提高超声传动效率。
本发明的工作过程：
开启磁场耦合辅助装置和超声辅助单元12，同时光纤激光器1产生的激光束聚焦照射于基板15上相应加工位置并导致温度急剧升高，同时激光喷嘴3-1吹出保护气体，同轴送粉喷嘴3-2及时喷射粉末材料至指定位置，高能激光束将粉末材料和基板15熔化，并在加工位置处形成熔池17，随着激光头3移动，后方熔池温度快速冷却凝固形成沉积层16。
通过液体介质传递振动至基板15加工位置，持续的超声振动可以细化晶粒、消除残余应力、减少气孔和未熔化粉末颗粒等影响，从而使加工出的材料结合更加紧密，力学性能更佳。
两块相对安置的电磁极会产生磁场，基板15加工位置位于磁场作用范围下，通过调节磁场控制器可以控制电磁极产生需要的磁场强度。在激光增材制造过程中，激光束照射在基板15上形成熔池17，材料受热熔化和汽化会产生等离子体，致密的等离子体云对激光加工和监测都造成很大干扰。通过外加磁场磁力线的作用，可以改变等离子体分布及形态，减小等离子密度，从而有效减弱等离子体对入射激光束的屏蔽效应与散射作用，提高激光增材制造效率，同时改善监测环境。两块相对安置的轴向磁场起到相似作用。
环形导轨装置6安装可移动的高速摄像机7，高速摄像机7的焦点与激光束的轴线相交于基板15上的加工位置，因观测范围较大，故采用较大感光面积的芯片，即可获得较大的视场角，从而捕捉比较大的动态范围，且不需要重复进行聚焦，高速摄像机7对准基板15上的加工位置，对激光增材过程中的熔池形貌等进行全方位、多角度监测，以提高监测的准确性，并通过数据线传输到外接的计算机处理装置11中进行分析。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，包括激光增材制造系统和基板(15)，所述基板(15)安装在实验支架台(9)上，所述激光增材制造系统用于基板上(15)的增材加工，其特征在于，还包括磁场耦合辅助装置和超声辅助单元(12)；所述磁场耦合辅助装置安装在基板(15)附近，用于在基板(15)附近产生磁场；所述超声辅助单元(12)安装在基板(15)底部，用于产生超声振动。
2.根据权利要求1所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述磁场耦合辅助装置包括横向磁场辅助单元(13)和轴向磁场辅助单元(14)；所述基板(15)附近设有轴向磁场辅助单元(14)，且所述轴向磁场辅助单元(14)与所述激光增材制造系统的激光喷嘴(3-1)同轴，用于产生轴向磁场；所述基板(15)附近设有横向磁场辅助单元(13)，用于产生与轴向磁场垂直的横向磁场。
3.根据权利要求2所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述横向磁场辅助单元(13)包括横向电磁极(13-1)、横向磁场控制器(13-2)和横向磁场夹具，两个所述横向电磁极(13-1)通过横向磁场夹具分别对称安装在基板(15)外侧；所述横向磁场控制器(13-2)用于控制横向电磁极(13-1)。
4.根据权利要求2所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述轴向磁场辅助单元(14)包括轴向电磁极(14-1)、轴向磁场控制器(14-2)和轴向磁场夹具，一个所述轴向电磁极(14-1)通过一个轴向磁场夹具安装在基板(15)底部，另一个所述轴向电磁极(14-1)通过另一个轴向磁场夹具安装在激光喷嘴(3-1)上，两个所述轴向电磁极(14-1)对称布置，所述轴向磁场控制器(14-2)用于控制轴向电磁极(14-1)。
5.根据权利要求1所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述超声辅助单元(12)包括超声振动元件(12-1)和超声波发生器(12-2)，所述实验支架台(9)安装在无盖水箱(8)内；所述超声振动元件(12-1)安装在无盖水箱(8)的底部，且位于基板(15)下方；所述超声波发生器(12-2)用于控制超声振动元件(12-1)。
6.根据权利要求5所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，还包括监测装置，所述监测装置包括环形导轨装置(6)、高速摄像机(7)、支撑主轴(10)和计算机处理装置(11)，所述环形导轨装置(6)通过回转支撑安装在工作台(5)上，通过传动装置使环形导轨装置(6)旋转；所述工作台(5)上设有穿过所述环形导轨装置(6)和回转支撑的支撑主轴(10)，所述支撑主轴(10)上安装无盖水箱(8)；所述高速摄像机(7)移动安装在环形导轨装置(6)上；所述高速摄像机(7)与计算机处理装置(11)连接。
7.根据权利要求5所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述无盖水箱(8)材料为透明材料，所述无盖箱体(8)内装有液体介质，所述液体介质的液面高度高于基板(15)下表面，且低于基板(15)上表面。
8.根据权利要求1所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述基板(15)与实验支架台(9)之间设有筛网(9-2)。
9.根据权利要求1所述的可调磁场耦合超声辅助激光增材制造及监测装置，其特征在于，所述横向磁场夹具包括半闭合套筒(13-3)和挡板(13-4)；所述半闭合套筒(13-3)为半圆柱筒状，所述半闭合套筒(13-3)两端连接挡板(13-4)，所述挡板(13-4)的中心位置留直径小于横向电磁极(13-1)的圆孔，所述半闭合套筒(13-3)与挡板(13-4)之间安装横向电磁极(13-1)。
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