CN110315082A - 一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法，属于金属零件制造领域，该系统包括微铸模块、激光冲击织构模块、五轴联动工作台和控制装置，其中微铸模块与激光冲击织构模块通过机床主轴相连，五轴联动工作台的双轴变位机构位于所述微铸模块和激光冲击织构模块下方，其用于放置待成形金属零件，控制装置包含检测装置，并分别与微铸模块、激光冲击织构模块和五轴联动工作台相连。本发明采用微铸与激光冲击织构工艺复合进行金属零件加工制造，可解决增材制造金属零件时存在的内部缺陷、组织性能差、强韧性等力学性能差的问题，适合高性能复杂构件的加工。

Description

一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法

技术领域

本发明属于金属零件制造领域，更具体地，涉及一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法。

背景技术

金属零件的传统制造工艺主要是通过铸造或锻造，结合车削、铣削、磨削等机械减材加工得到满足质量和精度要求的零件，但是存在加工周期长、材料利用率低、制造成本高等问题。

增材制造技术基于离散-堆积-控制原理采用材料逐层累加的方法制造零件，金属增材制造技术无需模具，可以根据零件三维模型直接成形，具备效率高、成本低等特点。因其无约束复杂几何边界与移动热源快速加热/急冷凝固的交互作用，造成热力学条件呈不确定复杂变化，导致晶粒生长与组织形态尺寸分布的不确定性和低可控性，导致大型件成形精度不高、动载荷力学性能指标难以达标，从而影响制件性能的稳定可靠性。

针对上述问题，现有研究采用增材制造与轧制挤压工艺，从而提高金属零件打印后的组织性能和表面质量。例如，目前采用的一种锤击强化电弧增材制造铝镁合金结构件的方法，其通过在与熔融软化的区域相接触处安装微型锤击装置，调整锤头中心与焊道中心至重合，按照成型路径行走锤击，进行压缩成形与加工，从而降低零件气孔率，但是，该工艺无法改善零件的组织分布不均匀，组织性能差等缺陷，对于零件承力部位的性能无法保证。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法，由此解决目前增材制造零件内部缺陷难以避免，组织均匀性影响整体性能的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统，包括微铸模块、激光冲击织构模块、五轴联动工作台和控制装置；

其中，所述微铸模块与所述激光冲击织构模块通过机床主轴相连；所述五轴联动工作台用于放置待成形金属零件；

加工时，所述微铸模块与所述激光冲击织构模块在所述控制装置的协调控制下完成切换和工作，以逐层进行熔融沉积和激光冲击织构，并在预设的结构设计下，在气氛室内的保护气包裹下完成所述待成形金属零件的复合加工制造。

优选地，所述微铸模块包括依次相连的送料机构、热源、送料管道、第一固定架和喷嘴；

加工时，所述送料机构将金属原材料送入所述热源中获得熔融的金属，所述熔融的金属通过置于所述第一固定架中的所述送料管道通过所述喷嘴逐层沉积于所述五轴联动工作台上得到半凝固金属。

优选地，所述激光冲击织构模块包括第二固定架和激光头；

所述激光头位于所述第二固定架的下端；

加工时，所述熔融的金属每沉积一层得到半凝固金属后，所述激光头对所述半凝固金属进行激光冲击织构。

优选地，所述五轴联动工作台包括水平工作台、双轴变位机构和机床主轴，所述水平工作台上安装有基板，所述基板用于放置所述待成形金属零件，所述机床主轴可沿三个维度方向移动；所述双轴变位机构安装在所述水平工作台下方，用于使所述水平工作台沿两个方向轴向旋转。

优选地，所述系统还包括与所述控制装置相连的在线检测装置；

所述在线检测装置，用以进行零件形貌及加工环境实时检测，并将检测结果向所述控制装置进行反馈，用以调节增材制造与激光冲击的加工参数。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述任意一项所述系统的微铸激光冲击织构的金属零件制造强化方法，包括如下步骤：

S1：根据待成形金属零件的优化目标及所述待成形金属零件的使用环境，施加约束信息，以进行整体织构的结构设计，预设激光冲击织构强化轨迹；

S2：根据所述待成形金属零件的三维模型，输入特征、分区分层和加工工艺参数，预设增材成形轨迹；

S3：放置固体作为基板，并将所述基板紧固在水平工作台上，添加陶瓷支撑，并结合固体形成支撑体，用于支撑后续加工；

S4：金属原材料粉材或丝材通过微铸模块变为熔融的金属，并在控制装置的控制下，所述熔融的金属沿所述预设增材成形轨迹沉积在五轴联动工作台的基板上得到所述待成形金属零件，随后所述控制装置控制激光冲击织构模块沿着所述预设激光冲击织构强化轨迹对所述待成形金属零件进行强化织构；

S5：在线检测装置检测所述待成形金属零件的形貌数据及温度数据，并向所述控制装置反馈数据，以由所述控制装置根据形貌检测数据分析熔融材料流淌，确定所述待成形金属零件的实际尺寸，确定激光冲击强化织构实际加工位置，并结合温度检测数据优化调整激光冲击的工艺参数，维持温度稳定；

S6：重复S4和S5，直至所述待成形金属零件的尺寸和质量均满足要求后，完成所述待成形金属零件的制造。

优选地，激光冲击织构时以所述预设激光冲击织构强化轨迹为基础，根据所述在线检测装置实时监测工艺参数与加工数据，使用所述控制装置完成对应加工轨迹的在线调整。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用微铸与激光冲击织构，结构设计复合，针对性的改善了增材制造金属零件的组织力学性能，容忍或者接纳零件非承力部分的组织性能差等缺陷的影响。同时配合五轴联动装置，精准控制激光光波的大小和范围完成对于复杂的构件的强化。

2、本发明采用的微铸激光冲击织构工艺，即在金属熔融沉积的过程中用激光冲击织构机构对半凝固区域同步进行激光冲击织构，激光冲击将等离子体运用激光诱导其爆炸，其爆轰波会在材料残余应力的导向下产生类似流体规律的流变，导致压应力区产生压塑性变形，拉应力区产生延长性变形。产生的冲击波在不锈钢构件中通过多次传播，最后逐渐衰减，成为弹塑性应力波并与构件残余应力叠加，从而消除残余应力，消减应力集中程度，对残余应力力场进行调整，强化金属熔融区域附近的金属，提高组织均匀性与强韧性。

3、本发明可以通过对激光冲击次数、范围、角度等的调整来有效消除不锈钢焊接残余应力，将焊接区晶粒进行针对性的细化，可使微观组织均匀细化，降低残余应力，同时消除气孔等内部缺陷，使零部件的精度、强度、刚度、疲劳等性能满足使用要求。

4、本发明在线检测金属零件的组织性能，实时调控加工步骤，合理高效的调控工艺参数，完成零件质量控制，提高性能可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种微铸与激光冲击织构复合的金属零件制造方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种网状织构方式示意图；

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：1-水平工作台，2-基板，3-待成形金属零件，4-喷嘴，5-热源，6-送料机构，7-送料管道，8-第一固定架，9-气氛室，10-控制装置，11-第二固定架，12-激光头，13-在线检测装置，14-双轴变位机构，15-机床主轴。

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。

本发明提供了一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法，其结合仿生结构设计优点，针对零件使用时负载等受力情况，进行受力分析并设计对应的承力结构，拓扑优化细微结构形成整体承力结构，利用增材制造数字化制造，在金属熔融沉积过程中逐层进行激光冲击强化织构出对应整体结构，激光逐层冲击将等离子体运用激光诱导其爆炸，其爆轰波会在材料残余应力的导向下将材料组织均匀分布，提升组织性能，保证整体织构结构不存在缺陷问题，整体强化织构结构作为一个承力主体，从而可以容忍或者接纳织构间填充金属的组织性能差等缺陷问题。

如图1所示为本发明实施例提供的一种微铸激光冲击织构的金属零件制造强化系统，该系统包括微铸模块、激光冲击织构模块、五轴联动工作台和控制装置10，其中：微铸模块与激光冲击织构模块通过机床主轴15相连；五轴联动工作台的双轴变位机构14位于微铸模块和激光冲击织构模块下方，其用于放置待成形金属零件3；控制装置10控制检测装置13同时分别与微铸模块、激光冲击织构模块和五轴联动工作台相连，加工时，微铸模块、激光冲击织构模块在控制装置10的协调控制下完成切换和工作，以逐层进行熔融沉积和激光冲击织构，并在预设的结构设计下，在气氛室9内保护气包裹下完成待成形金属零件3的复合加工制造。

在本发明实施例中，微铸模块包括依次相连的送料机构6、热源5、送料管道7、第一固定架8和喷嘴4，加工时，送料机构6将金属原材料送入热源5中获得熔融的金属，熔融的金属通过置于第一固定架8中的送料管道7通过喷嘴4逐层沉积于五轴联动工作台上得到半凝固金属。

在本发明实施例中，激光冲击织构模块包括第二固定架11和激光头12，激光头12位于第二固定架11下端，加工时，熔融的金属每沉积一层得到半凝固金属后，激光头12对该半凝固金属进行激光冲击织构。

在本发明实施例中，五轴联动工作台包括水平工作台1、双轴变位机构14和机床主轴15，水平工作台1上安装有基板2，基板2用于放置待成形金属零件3，机床主轴15可沿三个维度方向移动；双轴变位机构14安装在水平工作台1下方，用于使水平工作台1沿两个方向轴向旋转。

在本发明实施例中，系统中的在线检测装置13，用以进行零件形貌及加工环境实时检测，并反馈给控制装置10，用以调节增材制造与激光冲击强化轨迹，激光冲击次数、范围、角度等加工参数。

采用上述系统制造金属零件，流程如图2所示，具体包括如下步骤：

S1：选定待成形金属零件3的优化目标如组织性能、结构刚度等，根据待成形金属零件3的具体使用环境，施加位移约束、载荷大小、受力方向等约束信息，进行整体织构结构设计，预设激光冲击织构强化轨迹；

S2：通过待成形金属零件3的三维CAD模型和特征、分区分层、加工工艺参数，生成适合待成形金属零件3结构的增材成形轨迹；

S3：放置固体作为基板2，并使用基板2紧固装置使其紧固在水平工作台1上，并添加陶瓷复合浆与粘结剂烧结形成陶瓷支撑，结合固体形成支撑体，用于支撑后续加工；

S4：使整个制造空间被气氛室9密封，充入保护气体，实现无氧状态，防止制造中待成形金属零件3发生氧化反应产生缺陷；

S5:在线检测装置13检测待成形金属零件3的形貌数据、温度数据，并反馈数据给控制装置10，控制装置10根据形貌检测结果，计算与理论零件的尺寸差异，分析熔融材料流淌，确定待成形金属零件3的实际尺寸，确定激光冲击强化织构实际加工位置，并结合温度检测数据优化调整激光冲击的冲击次数、范围、角度、大小和加工速率等关键工艺参数，维持温度稳定；

S6：通过在线检测装置13对待成形金属零件3的形貌、温度和缺陷数据进行实时检测，根据检测结果实时优化预设的增材成形轨迹和激光冲击轨迹，并确定进行再次熔融沉积，若进行再次熔融沉积则按照优化后的增材成形轨迹重复S5；

具体的，形貌检测即基于图像处理算法重构待成形金属零件3表面形貌，利用实际几何网格模型与理论制造模型的求交算法，计算与理论零件的尺寸差异，分析熔融材料流淌，确定零件实际尺寸，确定激光冲击强化织构实际加工位置；温度检测即根据温度数据建立温度分布场和梯度场，利用图像处理算法识别温度异常区域，并随之调整激光冲击的冲击次数、范围、角度、大小和加工速率等关键工艺参数，维持温度稳定，避免因零件温度不稳定产生缺陷；

S7：重复S5和S6，直至在线检测装置13检测到待成形金属零件3的尺寸和质量均满足要求后，完成金属零件的制造。

具体的，本发明实施例陈述中涉及的金属材料包括高温合金、钛合金、碳钢、铝合金等，原材料形状包括粉末、丝材等，熔融热源包括等离子束、电弧、激光等，织构方式包括但不限于网状，错位叠层，经纬编织等织构方案。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

采用如图1所示的系统，所选原材料为钛合金TC4-DT，原材料的形态为金属丝材，供给方式为送丝式，具体包括以下步骤：

S1：选定零件组织性能、结构刚度等参数作为优化目标，根据其的具体使用环境，施加位移约束、载荷大小、受力方向等约束信息，进行整体织构结构设计，织构部位为网状结构，如图3所示，包括零件边缘和内部网状结构由黑色粗线条所示部分为织构部位，预设激光冲击织构强化轨迹；

S2：通过待成形金属零件3的三维CAD模型和特征、分区分层、加工工艺参数，生成适合零件结构的增材成形轨迹；

S3：放置固体作为基板2，并使用基板2紧固装置使其紧固在水平工作台1上，并添加陶瓷复合浆与粘结剂烧结形成陶瓷支撑，结合固体形成支撑体，用于支撑后续加工；

S4：使整个制造空间被气氛室9密封，充入保护气体，实现无氧状态，防止制造中待成形金属零件3发生氧化反应产生缺陷；

S5：用福尼斯焊接电源CMT Advanced 4000作为电弧类的熔融热源脉冲模式，焊丝直径1.2mm，采用脉冲模式，无方向性，同轴送丝，选用直径为1.2mm的金属丝材，焊接功率2.8KW，送丝速度设定为9.7m/min，弧长修正15％，熔融金属按预设的增材成形轨迹通过喷嘴沉积在基板上获得半凝固金属，喷嘴的移动速度为450mm/min；

S6：激光头11紧跟在喷嘴4之后，控制激光冲击强化功率为180W，扫描速度300mm/s，激光能量密度201J/mm3。激光头11按照预测激光冲击强化织构轨迹逐层强化待成形工件；

S7：采用三维线激光进行熔池形貌检测，扫描速度为550mm/min，相机采集帧率60帧/s，扫描范围宽80mm高60mm，扫描精度0.2mm/帧，利用实际几何网格模型与理论制造模型的求交算法，计算与理论零件的尺寸差异，分析熔融材料流淌，确定零件实际尺寸，确定激光冲击强化织构实际加工位置；根据温度检测即根据温度数据建立温度分布场和梯度场，利用图像处理算法识别温度异常区域，控制熔融沉积温度为900℃，并随之调整激光冲击冲击次数、范围、角度、大小和加工速率等关键工艺参数，维持温度稳定，避免因零件温度不稳定产生缺陷；

S8：重复S5至S7，直至完成整个金属零件的加工制造。

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 (7)

1.一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统，其特征在于，包括微铸模块、激光冲击织构模块、五轴联动工作台和控制装置(10)；

其中，所述微铸模块与所述激光冲击织构模块通过机床主轴(15)相连；所述五轴联动工作台用于放置待成形金属零件(3)；

加工时，所述微铸模块与所述激光冲击织构模块在所述控制装置(10)的协调控制下完成切换和工作，以逐层进行熔融沉积和激光冲击织构，并在预设的结构设计下，在气氛室(9)内的保护气包裹下完成所述待成形金属零件(3)的复合加工制造。

2.如权利要求1所述的微铸激光冲击织构的金属零件制造系统，其特征在于，所述微铸模块包括依次相连的送料机构(6)、热源(5)、送料管道(7)、第一固定架(8)和喷嘴(4)；

加工时，所述送料机构(6)将金属原材料送入所述热源(5)中获得熔融的金属，所述熔融的金属通过置于所述第一固定架(8)中的所述送料管道(7)通过所述喷嘴(4)逐层沉积于所述五轴联动工作台上得到半凝固金属。

3.如权利要求2所述的微铸激光冲击织构的金属零件制造系统，其特征在于，所述激光冲击织构模块包括第二固定架(11)和激光头(12)；

所述激光头(12)位于所述第二固定架(11)的下端；

加工时，所述熔融的金属每沉积一层得到半凝固金属后，所述激光头(12)对所述半凝固金属进行激光冲击织构。

4.如权利要求1至3任一项所述的微铸激光冲击织构的金属零件制造系统，其特征在于，所述五轴联动工作台包括水平工作台(1)、双轴变位机构(14)和机床主轴(15)，所述水平工作台(1)上安装有基板(2)，所述基板(2)用于放置所述待成形金属零件(3)，所述机床主轴(15)可沿三个维度方向移动；所述双轴变位机构(14)安装在所述水平工作台(1)下方，用于使所述水平工作台(1)沿两个方向轴向旋转。

5.如权利要求4所述的微铸激光冲击织构的金属零件制造系统，其特征在于，所述系统还包括与所述控制装置(10)相连的在线检测装置(13)；

所述在线检测装置(13)，用以进行零件形貌及加工环境实时检测，并将检测结果向所述控制装置(10)进行反馈，用以调节增材制造与激光冲击的加工参数。

6.一种基于权利要求1至5任意一项所述系统的微铸激光冲击织构的金属零件制造强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据待成形金属零件(3)的优化目标及所述待成形金属零件(3)的使用环境，施加约束信息，以进行整体织构的结构设计，预设激光冲击织构强化轨迹；

S2：根据所述待成形金属零件(3)的三维模型，输入特征、分区分层和加工工艺参数，预设增材成形轨迹；

S3：放置固体作为基板(2)，并将所述基板(2)紧固在水平工作台(1)上，添加陶瓷支撑，并结合固体形成支撑体，用于支撑后续加工；

S4：金属原材料粉材或丝材通过微铸模块变为熔融的金属，并在控制装置(10)的控制下，所述熔融的金属沿所述预设增材成形轨迹沉积在五轴联动工作台的基板上得到所述待成形金属零件(3)，随后所述控制装置(10)控制激光冲击织构模块沿着所述预设激光冲击织构强化轨迹对所述待成形金属零件(3)进行强化织构；

S5：在线检测装置(13)检测所述待成形金属零件(3)的形貌数据及温度数据，并向所述控制装置(10)反馈数据，以由所述控制装置(10)根据形貌检测数据分析熔融材料流淌，确定所述待成形金属零件(3)的实际尺寸，确定激光冲击强化织构实际加工位置，并结合温度检测数据优化调整激光冲击的工艺参数，维持温度稳定；

S6：重复S4和S5，直至所述待成形金属零件(3)的尺寸和质量均满足要求后，完成所述待成形金属零件(3)的制造。

7.如权利要求6所述的微铸激光冲击织构的金属零件制造方法，其特征在于，激光冲击织构时以所述预设激光冲击织构强化轨迹为基础，根据所述在线检测装置(13)实时监测工艺参数与加工数据，使用所述控制装置(10)完成对应加工轨迹的在线调整。