CN111823013B - 一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备 - Google Patents

Abstract

一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，包括竖直升降平台，竖直升降平台上设有水平x‑y双轴移动平台，水平x‑y双轴移动平台的一侧设有WAAM工业机器人，另一侧设有铣削工业机器人，水平x‑y双轴移动平台的上方设有光束转折透镜，光束转折透镜安装在光束转折架上；光束转折透镜经光束转折架、光束准直透镜接收高能脉冲激光器的激光输出，光束准直透镜、高能脉冲激光器安装在光学平台上；水平x‑y双轴移动平台的上方设有约束层‑保护层自动敷设系统；上述部件和主控机连接；本发明结合了激光冲击强化技术和增减材制造技术，并且激光冲击强化过程中使用约束层和保护层，大幅提升激光冲击强化的效果。

Description

一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备。

背景技术

电弧熔丝增材制造(Wire arc additive manufacturing,简称WAAM)以其较快的成型效率以及材料利用率在诸多增材制造技术中脱颖而出，但由于其直接成型材料存在气孔、微裂纹、未融合等缺陷，目前领域内涌现出了一些针对这些缺陷的复合工艺方法和设备。

申请号为201710500880.2的中国专利公开了一种电弧熔积与激光冲击锻打复合快速成型零件的方法及装置，该方法在电弧增材制造过程中结合了激光锻打，在熔融材料温度达到再结晶温度时进行冲击，用于消除内部气孔以及内部缺陷，从而提升成型质量。申请号为201610353372.1的中国专利公开了一种电弧增材与铣削复合加工方法及其产品，通过加入铣削来保证电弧增材制造过程中成型构件的尺寸精度。

上述两种方法都能够起到改善电弧熔丝增材制造成型构件质量的效果，但也都存在着一定的缺陷。前者一方面在进行激光冲击强化时处于再结晶温度下，通过诱发动态再结晶实现晶粒细化，但其缺陷在于未考虑下一层熔化材料的热输入效应，后续强烈的热输入会导致晶粒进一步的长大，从而降低动态再结晶的晶粒细化效果；另一方面未添加保护层和约束层，会大大减小激光冲击强化在材料表面诱发等离子冲击波的强度，从而严重制约了激光冲击强化发挥更加深远的作用，同时激光导致的表面烧蚀有可能导致成型构件中夹杂大量的氧化物，降低整体材料的均匀程度。后者在增材制造完成后加入层间铣削加工，但是不能够去除或者减少铣削后构件亚表面层中可能存在的空洞、裂纹等缺陷。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，结合了激光冲击强化技术和增减材制造技术，并且激光冲击强化过程中使用约束层和保护层，大幅提升激光冲击强化的效果。

为了达到上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现：

一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，包括竖直升降平台9，竖直升降平台9上设有水平x-y双轴移动平台8，水平x-y双轴移动平台8的一侧设有WAAM工业机器人10，另一侧设有铣削工业机器人7，水平x-y双轴移动平台8的上方设有光束转折透镜6，光束转折透镜6安装在光束转折架4上；光束转折透镜6经光束转折架4、光束准直透镜3接收高能脉冲激光器2的激光输出，光束准直透镜3、高能脉冲激光器2安装在光学平台11上；水平x-y双轴移动平台8的上方设有约束层-保护层自动敷设系统5；

所述的竖直升降平台9、水平x-y双轴移动平台8、铣削工业机器人7、WAAM工业机器人10、光束转折透镜6、光束转折架4、光束准直透镜3、高能脉冲激光器2、约束层-保护层自动敷设系统5和主控机1连接。

所述的高能脉冲激光器2为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，其具体技术参数为：可变光斑直径：0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。

所述的光束准直透镜3能够将高能脉冲激光器2发射的具有一定发散角的激光变为平行激光，使其能够通过光束转折透镜6投射到水平x-y双轴移动平台8上；光束转折透镜6选用高击穿阈值的转折透镜。

所述的竖直升降平台9能够实现竖直方向上的移动；水平x-y轴移动平台8由两个水平方向移动且移动方向互相垂直的滑台组成。

所述的约束层-保护层自动敷设系统5包括两个水平平行滑台501，每个水平平行滑台501上连接有两个竖直平行滑台502，一个水平平行滑台501上的两个竖直平行滑台502之间连接有保护层被动轮509，另一个水平平行滑台501上的两个竖直平行滑台502之间连接有保护层主动轮504，保护层主动轮504通过联轴器505和步进电机506连接，步进电机506通过电机支架507固定；

每个竖直平行滑台502的滑块部分上安装有连接块503，四个连接块503之间连接有“X”形架508，“X”形架508的中间设有约束层510；

所述的保护层主动轮504和保护层被动轮509之间连接有保护层，保护层位于“X”形架508的下方。

所述的约束层510选择玻璃、橡胶或石英片，保护层选用铝箔或黑色胶带。

所述的主控机1包括高性能计算机、同步控制器，能够实现对竖直升降平台9、水平x-y双轴移动平台8、铣削工业机器人7、WAAM工业机器人10、光束转折透镜6、光束转折架4、光束准直透镜3、高能脉冲激光器2、约束层-保护层自动敷设系统5的协同控制和工艺规划，在其上位机界面通过可视化用户图形界面能够实现对相应部件的单独控制以及全工艺流程设定。

所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备的运行工艺，包括以下步骤：

1)选用生产原料，用计算机CAD软件进行三维建模，并利用WAAM切片分层软件对模型进行分层和路径规划；

2)开始增材制造过程，WAAM工业机器人10开始工作，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；整个制造过程和后续的减材和激光冲击强化处理过程在增材制造基板及水平x-y轴移动平台8上进行；

3)完成第一层材料沉积后，铣削工业机器人7进入工作区域，进行第一层的减材铣削过程以获得平整的表面；当激光冲击强化影响层深度不大于两个沉积层时，则每沉积一层即进行一次铣削；将工件表面铣削平整后将四周铣削至目标尺寸；

4)完成表面及周边平整化铣削后，约束层-保护层自动敷设系统5开始工作，首先，通过底部两个水平平行滑台501移动至增材制造工作位置；其次，竖直平行滑台502工作，将约束层-保护层压紧在铣削平整的增材制造试样表面；

5)进行第一层的激光冲击强化处理，高能脉冲激光器2开始工作，脉冲激光束经过光束准直透镜3取得预先计算好的光斑直径，聚焦后的光束通过光束转折架4和发射转折透镜6转换为向下发射的状态；在冲击过程中，水平x-y轴移动平台8根据预设的重叠率和激光频率计算出其相应轴的运动速度；

6)完成冲击后，约束层-保护层自动敷设系统5沿水平导轨退回到待工作位置，WAAM工业机器人10进行下一层材料的堆叠和凝固；

7)重复步骤3)-6)直至试样制备完毕；对其进行后处理，获得高尺寸精度且微观组织高度均匀化的工件。

在步骤5)冲击过程中，若保护层发生烧蚀，约束层-保护层自动敷设系统5中的步进电机506带动保护层主动轮504转动，更新冲击区域的保护层材料。

本发明和现有的工艺装备相比，其有益效果为：

本发明将增减材复合制造和激光冲击强化相结合，能够实现同一工位的系统化制造，避免了制造过程中由于搬运、安装、切割等过程中所存在的重复定位引起的定位误差；并且由于不需要额外的步骤，能够大幅提升复合工艺生产效率。

本发明采用集成化控制策略，在主控机上完成对整套系统协同控制和工艺规划，在制造过程中实现独立运作，降低了人为因素干扰并且大幅提升了效率。

本发明的约束层-保护层自动敷设系统能够在激光冲击强化过程中自动添加约束层和保护层，并能够在保护层发生烧蚀或是破裂的情况下自动更换，大幅提升激光冲击强化过程的效率以及冲击效果。

本发明的光束转折架能够将脉冲激光传导至工作区域表面，在整个冲击过程中高能脉冲激光源无需移动，避免了移动对光学精密仪器造成的损伤。

本发明的工艺相较于现有的增减材制造工艺或是增材-激光冲击强化复合工艺能够实现更进一步的提升。在提升成型工件精度的同时结合带有约束层和保护层的激光冲击强化，在成型工件上产生更大的冲击力。其所产生的残余压应力能够有效的诱导亚表层中的裂纹闭合，对于大型孔洞，则能够将表面薄层击溃，将内部孔隙充分暴露后下一层熔融金属能够有效的将其填补。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中的光束路径图。

图3为本发明约束层-保护层自动敷设系统5的结构示意图。

图4为本发明约束层-保护层自动敷设系统的“X”形架508示意图。

图5为本发明中“X”形架508的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

如图1、图2所示，一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，包括竖直升降平台9，竖直升降平台9上设有水平x-y双轴移动平台8，水平x-y双轴移动平台8的一侧设有WAAM工业机器人10，另一侧设有铣削工业机器人7，水平x-y双轴移动平台8的上方设有光束转折透镜6，光束转折透镜6安装在光束转折架4上；光束转折透镜6经光束转折架4、光束准直透镜3接收高能脉冲激光器2的激光输出，光束准直透镜3、高能脉冲激光器2安装在光学平台11上；水平x-y双轴移动平台8的上方设有约束层-保护层自动敷设系统5；

所述的竖直升降平台9、水平x-y双轴移动平台8、铣削工业机器人7、WAAM工业机器人10、光束转折透镜6、光束转折架4、光束准直透镜3、高能脉冲激光器2、约束层-保护层自动敷设系统5和主控机1连接。

所述的高能脉冲激光器2为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，其具体技术参数为：可变光斑直径：0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。

所述的光束准直透镜3能够将高能脉冲激光器2发射的具有一定发散角的激光变为平行激光，使其能够更好的通过光束转折透镜6投射到水平x-y双轴移动平台8上；光束转折透镜6选用高击穿阈值的转折透镜。

所述的竖直升降平台9能够实现竖直方向上的移动，由于竖直升降平台9需搭载附着在基板的增材制造构件，因此需要选用高负载能力设计的升降平台；水平x-y轴移动平台8由两个水平方向移动且移动方向互相垂直的滑台组成，放置在竖直升降平台9上，在激光冲击强化过程中根据冲击强化路径在水平面内移动。

参照图3、图4和图5，所述的约束层-保护层自动敷设系统5包括两个水平平行滑台501，每个水平平行滑台501上连接有两个竖直平行滑台502，一个水平平行滑台501上的两个竖直平行滑台502之间连接有保护层被动轮509，另一个水平平行滑台501上的两个竖直平行滑台502之间连接有保护层主动轮504，保护层主动轮504通过联轴器505和步进电机506连接，步进电机506通过电机支架507固定，

每个竖直平行滑台502的滑块部分上安装有连接块503，四个连接块503之间连接有“X”形架508，“X”形架508的中间设有约束层510；

所述的保护层主动轮504和保护层被动轮509之间连接有保护层，保护层位于“X”形架508的下方。

两个水平平行滑台501和四个竖直平行滑台502实现自动运动；竖直平行滑台502带动中间的“X”形架508，“X”形架508移动的同时带动保护层主动轮504、保护层被动轮509转动，实现约束层-保护层与铣削后试样平整表面的紧密结合。

所述的约束层510选择高透光性且耐烧蚀的玻璃、橡胶或是石英片等，保护层选用铝箔、黑色胶带等。

所述的主控机1包括高性能计算机、同步控制器等，能够实现对竖直升降平台9、水平x-y双轴移动平台8、铣削工业机器人7、WAAM工业机器人10、光束转折透镜6、光束准直透镜3、高能脉冲激光器2、约束层-保护层自动敷设系统5的协同控制和工艺规划，在其上位机界面通过可视化用户图形界面能够实现对相应部件的单独控制以及全工艺流程设定。

所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备的运行工艺，包括以下步骤：

1)选用铝合金焊丝AA5183作为生产原料，用计算机CAD软件进行三维建模，试样尺寸为100mm*20mm*10mm，并利用WAAM切片分层软件对模型进行分层和路径规划，在路径规划时考虑到由于热变形产生的翘曲现象，采用合理路径；

2)开始增材制造过程，WAAM工业机器人10开始工作，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；WAAM工艺参数为：送丝速度15.0m/min，打印头运行速度12mm/s，电流范围230-240A，电弧电压32-33V，线喷嘴距离15mm，在70％He和30％Ar的混合保护气氛中进行；整个制造过程和后续的减材和激光冲击强化处理过程在增材制造基板及水平x-y轴移动平台8上进行；

3)完成第一层材料沉积后，焊枪后退，铣削工业机器人7进入工作区域，进行第一层的减材铣削过程以获得平整的表面，以减少约束层510与试样表面间间隙并提升激光冲击强化效果；当激光冲击强化影响层深度不大于两个沉积层时，则每沉积一层即进行一次铣削；将工件表面铣削平整后将四周铣削至目标尺寸；

为使切削过程中产生的热量以及加工产生的残余应力释放不对试样造成大的影响，应当提升刀头转速并且降低切削进给速率；

4)完成表面及周边平整化铣削后，约束层-保护层自动敷设系统5开始工作，首先，通过底部两个水平平行滑台501移动至增材制造工作位置；其次，竖直平行滑台502工作，将约束层-保护层压紧在铣削平整的增材制造试样表面；

本实施例保护层采用厚度为120μm的铝箔胶带，约束层采用厚度为3mm的K9玻璃；

5)进行第一层的激光冲击强化处理，高能脉冲激光器2开始工作，脉冲激光束经过光束准直透镜3取得预先计算好的光斑直径，聚焦后的光束通过光束转折架4和发射转折透镜6转换为向下发射的状态；在冲击过程中，水平x-y轴移动平台8根据预设的重叠率和激光频率计算出其相应轴的运动速度；在冲击过程中，若保护层发生烧蚀，约束层-保护层自动敷设系统5中的步进电机506带动保护层主动轮504转动，更新冲击区域的保护层材料；

高能脉冲激光器2采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，激光冲击强化参数为：光斑直径4mm，纵向重叠率50％，横向重叠率50％，单脉冲能量为16J，脉宽8ns，重复频率5Hz，峰值压力为6.244GPa；

6)完成冲击后，约束层-保护层自动敷设系统5沿水平导轨退回到待工作位置，WAAM工业机器人10进行下一层材料的堆叠和凝固；

7)重复步骤3)-6)直至试样制备完毕；对其进行后处理，获得高尺寸精度且微观组织高度均匀化的工件。

Claims (8)

1.一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，包括竖直升降平台(9)，其特征在于：竖直升降平台(9)上设有水平x-y双轴移动平台(8)，水平x-y双轴移动平台(8)的一侧设有WAAM工业机器人(10)，另一侧设有铣削工业机器人(7)，水平x-y双轴移动平台(8)的上方设有光束转折透镜(6)，光束转折透镜(6)安装在光束转折架(4)上；光束转折透镜(6)经光束转折架(4)、光束准直透镜(3)接收高能脉冲激光器(2)的激光输出，光束准直透镜(3)、高能脉冲激光器(2)安装在光学平台(11)上；水平x-y双轴移动平台(8)的上方设有约束层-保护层自动敷设系统(5)；

所述的竖直升降平台(9)、水平x-y双轴移动平台(8)、铣削工业机器人(7)、WAAM工业机器人(10)、光束转折透镜(6)、光束转折架(4)、光束准直透镜(3)、高能脉冲激光器(2)、约束层-保护层自动敷设系统(5)和主控机(1)连接；

所述的约束层-保护层自动敷设系统(5)包括两个水平平行滑台(501)，每个水平平行滑台(501)上连接有两个竖直平行滑台(502)，一个水平平行滑台(501)上的两个竖直平行滑台(502)之间连接有保护层被动轮(509)，另一个水平平行滑台(501)上的两个竖直平行滑台(502)之间连接有保护层主动轮(504)，保护层主动轮(504)通过联轴器(505)和步进电机(506)连接，步进电机(506)通过电机支架(507)固定；

每个竖直平行滑台(502)的滑块部分上安装有连接块(503)，四个连接块(503)之间连接有“X”形架(508)，“X”形架(508)的中间设有约束层(510)；

所述的保护层主动轮(504)和保护层被动轮(509)之间连接有保护层，保护层位于“X”形架(508)的下方。

2.根据权利要求1所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，其特征在于：所述的高能脉冲激光器(2)为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，其具体技术参数为：可变光斑直径：0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。

3.根据权利要求1所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，其特征在于：所述的光束准直透镜(3)能够将高能脉冲激光器(2)发射的具有发散角的激光变为平行激光，使其能够通过光束转折透镜(6)投射到水平x-y双轴移动平台(8)上；光束转折透镜(6)选用高击穿阈值的转折透镜。

4.根据权利要求1所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，其特征在于：所述的竖直升降平台(9)能够实现竖直方向上的移动；水平x-y轴移动平台(8)由两个水平方向移动且移动方向互相垂直的滑台组成。

5.根据权利要求1所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，其特征在于：所述的约束层(510)选择玻璃、橡胶或石英片，保护层选用铝箔或黑色胶带。

6.根据权利要求1所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，其特征在于：所述的主控机(1)包括高性能计算机、同步控制器，能够实现对竖直升降平台(9)、水平x-y双轴移动平台(8)、铣削工业机器人(7)、WAAM工业机器人(10)、光束转折透镜(6)、光束转折架(4)、光束准直透镜(3)、高能脉冲激光器(2)、约束层-保护层自动敷设系统(5)的协同控制和工艺规划，在其上位机界面通过可视化用户图形界面能够实现对相应部件的单独控制以及全工艺流程设定。

7.根据权利要求1所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备的运行工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)选用生产原料，用计算机CAD软件进行三维建模，并利用WAAM切片分层软件对模型进行分层和路径规划；

2)开始增材制造过程，WAAM工业机器人(10)开始工作，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；整个制造过程和后续的减材和激光冲击强化处理过程在增材制造基板及水平x-y轴移动平台(8)上进行；

3)完成第一层材料沉积后，铣削工业机器人(7)进入工作区域，进行第一层的减材铣削过程以获得平整的表面；当激光冲击强化影响层深度不大于两个沉积层时，则每沉积一层即进行一次铣削；将工件表面铣削平整后将四周铣削至目标尺寸；

4)完成表面及周边平整化铣削后，约束层-保护层自动敷设系统(5)开始工作，首先，通过底部两个水平平行滑台(501)移动至增材制造工作位置；其次，竖直平行滑台(502)工作，将约束层-保护层压紧在铣削平整的增材制造试样表面；

5)进行第一层的激光冲击强化处理，高能脉冲激光器(2)开始工作，脉冲激光束经过光束准直透镜(3)取得预先计算好的光斑直径，聚焦后的光束通过光束转折架(4)和发射转折透镜(6)转换为向下发射的状态；在冲击过程中，水平x-y轴移动平台(8)根据预设的重叠率和激光频率计算出其相应轴的运动速度；

6)完成冲击后，约束层-保护层自动敷设系统(5)沿水平导轨退回到待工作位置，WAAM工业机器人(10)进行下一层材料的堆叠和凝固；

7)重复步骤3)-6)直至试样制备完毕；对其进行后处理，获得高尺寸精度且微观组织高度均匀化的工件。

8.根据权利要求7所述的一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备的运行工艺，其特征在于：在步骤5)冲击过程中，若保护层发生烧蚀，约束层-保护层自动敷设系统(5)中的步进电机(506)带动保护层主动轮(504)转动，更新冲击区域的保护层材料。

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