CN110434336B - 激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置和方法，包括增材制造装置、增材沉积头、激光清洗装置、激光清洗头与连接机构，激光清洗头通过连接机构与增材沉积头连接，激光清洗头固定于增材沉积头运动方向的前方；增材制造金属构件时，送料喷嘴将金属输送至增材沉积头，在高热作用下将金属熔融沉积成形；激光清洗头通过光纤与激光器相连，激光通过激光清洗头照射在沉积点之前，将已成形表面的氧化皮剥离或蒸发，惰性气体从清洗气喷嘴中喷出，将剥离的氧化皮吹走，为后续的沉积提供良好的附着面。本发明解决了增材制造金属构件过程中已成形表面的氧化皮熔入新沉积层造成构件的力学性能下降、抗腐蚀性能降低等问题。

Description

激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置和 方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置和方法。
背景技术
近年来，金属增材制造技术广泛应用于制造业。在增材制造金属构件，尤其是大尺寸的金属构件时，由于已沉积的部分不能充分得到保护气的保护，残留的高热使已沉积表面产成氧化皮。氧化皮质硬且脆，在高热作用下会熔入到沉积层中会产生局部裂纹。氧元素熔入到构件中会在金属内部产生氧化物夹杂，降低构件的强度、塑性、耐蚀性和冲击韧性；同时氧元素在晶界处偏聚形成氧化物，会导致应力集中产生裂纹，在拉应力下裂纹会沿着晶界扩展；非金属氧化皮会降低构件的疲劳性能，严重时会造成零件的剥落、掉块、断裂。由氧化皮导致的构件的性能缺陷严重影响了金属增材制造技术在航空、航天、航海、医疗、汽车等领域的应用。
关于氧化皮的去除和抑制，国内外学者提出了很多方法。传统的去除方法有机械法、化学法和电解酸洗法等，但是这些方法适用于已经制造成形的零件的外表面，无法去除零件内部的氧化物，有时还会对构件产生损伤。利用热处理工艺可以改变氧化物在零件内部的微观结构，提高了零件的耐蚀性，但是此方法仍然不能将零件内部氧元素去除。目前大多采用在增材沉积过程中向沉积处吹保护气已抑制氧化皮的产生，不过当制造的构件尺寸较大时，已沉积部位由于得不到保护气的保护而被残留的高热氧化。采用将增材设备置于封闭的腔体内，然后充入保护气以抑制氧化皮的产生，也可以在一定程度上抑制氧化皮的产生，但是占地空间较大，需要充入的保护气较多，成本增加。
随着激光技术的不断发展，近年来，激光清洗技术逐渐引起人们的注意。激光清洗技术是采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层等瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程。例如中国专利CN108080791A公开了一种新型环保型激光烧洗法去稀贵金属氧化皮的加工方法，利用激光对稀贵金属(钛、锆、铌等)零件表面氧化皮进行去除。迄今为止，尚未见到将激光清洗技术应用于金属构件增材制造过程中表面氧化皮实时去除的报道。
发明内容
本发明的目的设计为了解决在金属增材制造过程中已沉积表面的氧化皮会熔入到新的沉积层中的问题，提出了一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置和方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置，包括增材制造装置、增材沉积头1、激光清洗装置、激光清洗头5、连接机构13。所述激光清洗头5通过连接机构13与增材沉积头1连接，激光清洗头5固定于增材沉积头运动方向的前方。所述连接机构13用于调整激光清洗头5与增材沉积头1之间的相对位置关系以及激光清洗头5的工作角度，并实现激光清洗头5与增材沉积头1的同步运动。具体的，所述的连接机构13利用螺母丝杠原理调节激光清洗头5与增材沉积头1之间的距离以及激光清洗头5与沉积面之间的高度，利用旋钮调整激光束与增材沉积头1轴线之间的角度。
所述的连接机构13包括竖直移动结构13-1、水平移动结构13-2、旋钮转动结构13-3。所述竖直移动结构13-1和水平移动结构13-2组成直线移动机构，所述增材沉积头(1)与竖直移动结构13-1或与水平移动结构13-2连接：
当增材沉积头1与竖直移动结构13-1连接时(如图3a),水平移动结构13-2与旋钮转动结构13-3连接，旋钮转动结构13-3与激光清洗头5相连。所述竖直移动结构13-1利用螺母丝杠原理带动水平移动结构13-2，进而调节激光清洗头5与增材沉积面之间的高度；所述水平移动结构13-2利用螺母丝杠原理调节激光清洗头5与增材沉积头1之间的距离，旋钮转动结构13-3调整激光束与增材沉积头1轴线之间的角度。
当增材沉积头1与水平移动结构13-2连接时(如图3b),竖直移动结构13-1与旋钮转动结构13-3连接，旋钮转动结构13-3与激光清洗头5相连。所述水平移动结构13-2利用螺母丝杠原理带动竖直移动结构13-1，进而调节激光清洗头5与增材沉积头1之间的距离；所述竖直移动结构13-1利用螺母丝杠原理调节激光清洗头5与增材沉积面之间的高度，旋钮转动结构13-3调整激光束与增材沉积头1轴线之间的角度。
所述的增材制造装置包括增材沉积热源12、保护气喷嘴2、增材保护气罐11、送料喷嘴3、增材金属10。所述的送料喷嘴3将增材金属10输送至增材沉积头1，在高热作用下将构件6熔融沉积成形在基板7上，保护气喷嘴2与增材保护气罐11相连。所述送料喷嘴3的送料方式为同轴送料或旁轴送料，保护气喷嘴2的形式为同轴保护气或侧吹保护气，增材金属10的形态为粉末或丝材。所述的增材沉积热源12与增材沉积头1连接。
所述的激光清洗装置包括激光器8、清洗气喷嘴4、清洗保护气罐9。所述清洗气喷嘴4与清洗保护气罐9相连；所述激光器8与激光清洗头5相连，激光通过激光清洗头5照射在沉积点之前，将已沉积表面的氧化皮剥离或蒸发，惰性气体从清洗气喷嘴4中喷出，将剥离的氧化皮或者蒸发的气体吹走，为后续的沉积提供良好的附着面。
所述的增材沉积头1、保护气喷嘴2、送料喷嘴3、清洗气喷嘴4、激光清洗头5均位于构件6上方。
进一步，所述增材沉积热源12包括激光、电子束、等离子束、电弧TIG、MIG、MAG、等离子弧等或为其中多种热源复合激光-电弧复合、电弧-电弧复合、激光-等离子束复合、等离子束-电弧复合等。
进一步，所述增材金属10包括适用于增材制造的各种金属。
进一步，所述清洗保护气罐9内为惰性气体；增材保护气罐11内为惰性气体。
进一步，当保护气喷嘴2的形式为同轴保护气时：保护气喷嘴2安装在增材沉积头1上；保护气喷嘴2的形式为侧吹保护气时：保护气喷嘴2固定在增材沉积头1周围。
一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的方法，包括如下步骤：
步骤一：通过连接机构13的丝杠螺母调整激光清洗头5与增材沉积头1的距离以及激光清洗头5与增材沉积面的高度；通过连接机构13的旋钮调整激光束与增材沉积头1轴线之间的角度；激光清洗头5固定于增材沉积头1运动方向的前方，并与增材沉积头同步运动。
步骤二：设置激光清洗装置和增材制造装置的参数。
步骤三：开始增材制造构件，沉积第一层；送料喷嘴3将增材金属10输送至增材沉积头1，在高热作用下将金属熔融沉积成形。
步骤四：在沉积一层后，继续沉积第二层；已沉积的部位由于得不到增材保护气的充分保护而在表面产生一层氧化皮；在新一层的沉积时，激光作用于沉积点之前，将表面的氧化皮剥离，清洗气喷嘴4喷出的清洗保护气将氧化皮吹走，紧接着增材沉积头将增材金属10熔融沉积在已经去除氧化皮的表面上。
步骤五：如此往复沉积，得到无氧化金属增材构件。
本发明对比已有技术具有以下创新点：
(1)将激光清洗技术和金属增材制造技术相结合。
(2)激光清洗头固定于增材沉积头运动方向前方，并与增材沉积头同步运动，通过激光将沉积点前的氧化皮去除，实现金属构件增材制造过程中表面氧化皮实时去除。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
(1)本发明利用激光清洗技术实时去除金属增材制造过程中的氧化皮，有效避免了氧化皮对制件微观组织及性能的不利影响。
(2)本发明采用的激光实时去除氧化皮装置与增材沉积头同步运动，不受成形样件尺寸的限制，可制备超大尺寸构件。
(3)相比于整体密闭气氛保护方法，本发明所用装置结构紧凑，占地面积小，工作环境开放，惰性气体用量少。
附图说明
图1为激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置结构示意图采用电弧增材，旁轴送丝，侧吹保护气。
图2为激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置结构示意图采用激光增材，同轴送粉，同轴保护气。
图3(a)为连接机构形式图(增材沉积头与竖直移动结构连接)。
图3(b)为连接机构形式图(增材沉积头与水平移动结构连接)。
图中：1增材沉积头、2保护气喷嘴、3送料喷嘴、4清洗气喷嘴、5激光清洗头、6构件、7基板、8激光器、9清洗保护气罐、10增材金属、11增材保护气罐、12增材沉积热源、13连接机构；13-1竖直移动结构；13-2水平移动结构；13-3旋钮转动结构。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置，包括增材制造装置与增材沉积头1，还包括激光清洗装置、激光清洗头5与连接机构，激光清洗头5通过连接机构13与增材沉积头1连接，激光清洗头固定于增材沉积头运动方向的前方。增材制造装置包括增材沉积热源12、保护气喷嘴2、增材保护气罐11、送料喷嘴3、增材金属10；送料喷嘴3将增材金属10输送至增材沉积头1，在高热作用下将构件6熔融沉积成形在基板7上，保护气喷嘴2与增材保护气罐11相连。激光清洗装置包括激光器8、清洗气喷嘴4、清洗保护气罐9；清洗气喷嘴4与清洗保护气罐9相连。连接机构13将激光清洗头5通过与增材沉积头1连接，连接机构13用来调整激光清洗头5与增材沉积头1之间的相对位置关系以及激光清洗头5的工作角度，并实现激光清洗头5与增材沉积头1的同步运动。
实施例1:
以送丝式TIG电弧增材制造2219铝合金大尺寸构件为例，如图1所示，采用侧吹保护气和侧路送丝方式，送料喷嘴为送丝嘴，增材沉积热源为焊机，增材沉积头为焊枪，激光器为Nd∶YAG激光器，包括如下步骤：
步骤一：用钢刷去除6061基板表面的氧化皮和污垢，并将其固定；通过连接机构13的丝杠螺母调整激光清洗头5与焊枪1的距离以及激光清洗头5与增材沉积面的高度；通过连接机构13的旋钮调整激光束与焊枪1轴线之间的角度；激光清洗头5固定于焊枪1运动方向的前方；打开电源，按试验要求设置好电弧的电流160A、送丝速度1.5m/min、焊接速度0.3m/min、保护气高纯氩流量15L/mim；Nd∶YAG激光器的脉冲能量15J、波长1064nm、频率1Hz、光斑大小4mm；
步骤二：启动焊机、机械手、送丝机、Nd∶YAG激光器、保护气等，开始增材制造铝合金构件；
步骤三：在成形一层后，继续成形第二层，由于构件尺寸较大，已沉积的部位由于得不到保护气的充分保护而在表面产生一层氧化皮，在新一层的堆积时，激光作用于沉积点之前，将表面的氧化皮剥离，清洗气喷嘴4喷出的保护气将氧化皮吹走，紧接着焊枪1将2219铝合金丝材熔融沉积在已经去除氧化皮的表面上；
步骤四：如此往复沉积，得到无氧化的2219铝合金构件；结束增材，关闭设备。
实施例2，
以送粉式激光增材制造TC4钛合金大尺寸构件为例，如图2所示，采用同轴保护气和同轴送粉方式，送料喷嘴为送粉喷嘴，增材沉积热源为YLS4000光纤激光器，增材沉积头为激光焊接头，激光器为Nd∶YAG激光器，包括如下步骤：
步骤一：用钢刷去除TA0基板表面的氧化皮和污垢，并将其固定；通过连接机构13的丝杠螺母调整激光清洗头5与激光焊接头1的距离以及激光清洗头5与增材沉积面的高度；通过连接机构13的旋钮调整激光束与焊枪1轴线之间的角度；激光清洗头5固定于激光焊接头1运动方向的前方；打开电源，设置送粉速度800g/h、保护气高纯氩流量18L/min，YLS4000光纤激光器激光器的激光功率3kW、激光扫描速度0.8m/min、光斑大小1mm；Nd∶YAG激光器的波长为1064nm，脉冲能量为5J，频率为2Hz、光斑大小3mm，送粉速度800g/h、保护气高纯氩流量18L/min；
步骤二：对基板进行预热后启动YLS4000光纤激光器、送粉器、Nd∶YAG激光器、保护气等，开始增材制造钛合金构件；整个装置在数控机床的带动下在XYZ方向上运动；
步骤三：在成形一层后，继续成形第二层，由于构件尺寸较大，已沉积的部位由于得不到保护气的充分保护而在表面产生一层氧化皮，在新一层的堆积时，激光作用于沉积点之前，将表面的氧化皮剥离，清洗气喷嘴4喷出的保护气将氧化皮吹走，紧接着激光焊接头1将TC4钛合金粉末熔融沉积在已经去除氧化皮的表面上；
步骤四：如此往复沉积，得到无氧化金属的TC4钛合金构件；结束增材，关闭设备。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置，其特征在于，所述的装置包括增材制造装置、增材沉积头(1)、激光清洗装置、激光清洗头(5)、连接机构(13)；所述激光清洗头(5)通过连接机构(13)与增材沉积头(1)连接，激光清洗头(5)固定于增材沉积头(1) 运动方向的前方；所述连接机构(13)用于调整激光清洗头(5)与增材沉积头(1)之间的相对位置关系以及激光清洗头(5)的工作角度，并实现激光清洗头(5)与增材沉积头(1)的同步运动；
所述的增材制造装置包括增材沉积热源(12)、保护气喷嘴(2)、增材保护气罐(11)、送料喷嘴(3)、增材金属(10)；所述的送料喷嘴(3)将增材金属(10)输送至增材沉积头(1)，在高热作用下将构件(6)熔融沉积成形在基板(7)上，保护气喷嘴(2)与增材保护气罐(11)相连；所述送料喷嘴(3)的送料方式为同轴送料或旁轴送料，保护气喷嘴(2)的形式为同轴保护气或侧吹保护气；所述的增材沉积热源(12)与增材沉积头(1)连接；
所述的激光清洗装置包括激光器(8)、清洗气喷嘴(4)、清洗保护气罐(9)；所述清洗气喷嘴(4)与清洗保护气罐(9)相连，激光器(8)与激光清洗头(5)相连，激光通过激光清洗头(5)照射在沉积点之前，将已沉积表面的氧化皮剥离或蒸发，惰性气体从清洗气喷嘴(4)中喷出，将剥离的氧化皮或者蒸发的气体吹走，为后续的沉积提供良好的附着面；
所述的连接机构(13)包括竖直移动结构(13-1)、水平移动结构(13-2)、旋钮转动结构(13-3)；所述竖直移动结构(13-1)和水平移动结构(13-2)组成直线移动机构，所述增材沉积头(1)与竖直移动结构(13-1)或与水平移动结构(13-2)连接：
当增材沉积头(1)与竖直移动结构(13-1)连接时,水平移动结构(13-2)与旋钮转动结构(13-3)连接，旋钮转动结构(13-3)与激光清洗头(5)相连；所述竖直移动结构(13-1)利用螺母丝杠原理带动水平移动结构(13-2)，调节激光清洗头(5)与增材沉积面之间的高度；所述水平移动结构(13-2)利用螺母丝杠原理调节激光清洗头(5)与增材沉积头(1)之间的距离，旋钮转动结构(13-3)调整激光束与增材沉积头(1)轴线之间的角度；
当增材沉积头(1)与水平移动结构(13-2)连接时,竖直移动结构(13-1)与旋钮转动结构(13-3)连接，旋钮转动结构(13-3)与激光清洗头(5)相连；所述水平移动结构(13-2)利用螺母丝杠原理带动竖直移动结构(13-1)，调节激光清洗头(5)与增材沉积头(1)之间的距离；所述竖直移动结构(13-1)利用螺母丝杠原理调节激光清洗头(5)与增材沉积面之间的高度，旋钮转动结构(13-3)调整激光束与增材沉积头(1)轴线之间的角度。
2.根据权利要求1所述的一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置，其特征在于，所述的增材沉积热源(12)包括激光、电子束、等离子束、电弧或为其中多种热源复合。
3.根据权利要求1所述的一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置，其特征在于，所述的增材金属(10)的形态为粉末或丝材。
4.根据权利要求1所述的一种激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的装置，其特征在于，所述清洗保护气罐(9)内为惰性气体；增材保护气罐(11)内为惰性气体。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的装置进行激光实时去除金属构件增材制造过程中表面氧化皮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：通过连接机构(13)的丝杠螺母调整激光清洗头(5)与增材沉积头(1)的距离以及激光清洗头(5)与增材沉积面的高度；通过连接机构(13)的旋钮调整激光束与增材沉积头(1)轴线之间的角度；激光清洗头(5)固定于增材沉积头(1)运动方向的前方，并与增材沉积头(1) 同步运动；
步骤二：设置激光清洗装置和增材制造装置的参数；
步骤三：开始增材制造构件，沉积第一层；送料喷嘴(3)将增材金属(10)输送至增材沉积头(1)，在高热作用下将金属熔融沉积成形；
步骤四：在沉积一层后，继续沉积第二层；已沉积的部位由于得不到增材保护气的充分保护而在表面产生一层氧化皮；在新一层的沉积时，激光作用于沉积点之前，将表面的氧化皮剥离，清洗气喷嘴(4)喷出的清洗保护气将氧化皮吹走，紧接着增材沉积头(1) 将增材金属(10)熔融沉积在已经去除氧化皮的表面上；
步骤五：如此往复沉积，得到无氧化金属增材构件。
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