CN112059179B - 用于大型金属构件制造的激光增材制造设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种用于大型金属构件制造的激光增材制造设备及方法。包括以下步骤：构件的成形、构件的后处理、大型金属构件的成形、大型金属构件的后处理。提高了激光增材制造效率及大型金属构件成型的灵活性，解决单一尺寸过长构件的成型问题，同时保证大型金属构件的成型质量。

Description

用于大型金属构件制造的激光增材制造设备及方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种用于大型金属构件制造的激光增材制造设备及方法。

背景技术

激光增材制造技术通过高功率激光快速熔化/凝固逐层堆积，实现从零件数字3D模型到全致密、高性能大型复杂金属结构的直接近净成形制造。钛合金具有优异的比强度及耐蚀性，自上个世纪中叶逐渐发展用于航空工业，目前已取代大量钢、铝合金等材料，在航空航天金属材料中占据重要地位。由于钛合金的激光吸收率较高，因此对激光增材制造技术有较好的适应性。激光增材制造的钛合金构件与传统方式制造的构件相比，组织更细、力学性能更优，并且能够实现复杂结构零件的柔性制造，可满足各种工程构件结构与性能需要。

但目前的技术生产单元较为单一，并且制备某一方向尺寸较大的构件(如梁类零件)时灵活度不足，同时大型构件的激光增材制造过程中应力较大易产生变形。此外，目前的金属激光增材过程还需要非常多的后处理操作来确保质量，如清理粉管、支撑去除、去应力退火、热等静压等，仍需手动操作，不仅效率低且浪费人力。

发明内容

本发明至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种用于大型金属构件制造的激光增材制造设备及方法，提高了激光增材制造效率及大型金属构件成型的灵活性，解决单一尺寸过长构件的成型问题，同时保证大型金属构件的成型质量。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种用于大型金属构件制造的激光增材制造设备，包括：

工作台，所述工作台具有多个沉积工位以及后处理工位；

至少两条轨道，沿着所述工作台的长度方向而设；

多个激光头，分别可滑动安装在所述轨道上，所述激光头用于激光熔化沉积金属粉末以在所述沉积工位上形成构件和/或将多个构件连接；

冷却装置，安装在所述沉积工位处，并能够随着轨道而移动；

去应力退火处理装置；

可移动卡具，所述可移动卡具安装在所述工作台上，并能够沿着所述工作台移动。

本发明第二方面提供了一种制造大型金属构件的方法，包括以下步骤：

构件的成形：在多个沉积工位上，多个激光头按照预设的路径和工艺参数同时激光熔化沉积金属粉末，同时使用冷却装置进行冷却，得到构件；

构件的后处理：使用去应力退火处理装置对多个沉积工位上的构件进行去应力退火处理；

大型金属构件的成形：将后处理的构件装夹到可移动卡具上，控制多个激光头沿着轨道滑动，并在相邻的构件之间铺粉，并进行激光熔化沉积以将多个构件连接，完成大型金属构件的成形；

大型金属构件的后处理：使用去应力退火处理装置对大型金属构件进行去应力退火处理。

另外，根据本发明上述激光增材制造设备还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述冷却装置包括：水冷装置和/或气冷装置。

根据本发明的一个实施例，所述水冷装置包括水冷铜块以及与所述水冷铜块的两端连通的进水管以及出水管。

根据本发明的一个实施例，所述气冷装置为气冷管，所述气冷管的出气方向与所述工作台的长度方向垂直，所述气冷装置喷出的气体为液氮/液氩混合气体。

根据本发明的一个实施例，还包括：变形感应器，安装在所述可移动卡具上，用于获取所述构件夹持部分的应力数据。

根据本发明的一个实施例，所述激光头为三个，所述轨道为两条，且两条轨道分别设置在所述工作台的相对两侧，其中一个激光头安装在一条轨道上，另外两个激光头间隔安装在另一条轨道上。

根据本发明的一个实施例，在所述构件的成形步骤之前还包括以下步骤：

沉积计划：根据大型金属构件的形状、尺寸、结构强度、预期受载情况，将大型金属构件分为多个构件在多个沉积工位上进行同步激光熔化沉积；

沉积前准备工作：计算各部分构件所用粉末的质量，将金属粉末装入粉管；根据大型金属构件的形状设计扫描路径、设置沉积参数；清理工作台面，充入保护气氛。

根据本发明的一个实施例，在进行激光熔化沉积的过程中，还包括实时获取所述构件被可移动卡具夹持部分的应力数据，并将所述应力数据传送至处理器，所述处理器根据所述应力数据判断当前构件的应力分布和变形情况。

根据本发明的一个实施例，所述大型金属构件为大型钛合金构件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过增加激光头数量、增设轨道、可随轨道移动的冷却装置以及去应力退火处理装置，进一步提高激光增材制造效率及大型钛合金成型的灵活性，解决单一尺寸过长构件的成型问题，并采用水冷+气冷双重冷却装置，在工作台上设置可移动卡具，同时配备变形感应器实时监测构件受力情况，保证大型钛合金构件的成型质量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中激光增材制造设备部分示意图；

图2为本发明实施例中针对小型同种或类似零件的增材制造时，激光头的沉积示意图；

图3为异种材料连接时，激光头的沉积示意图；

图4为两个激光头同步或顺序工作的结构示意图；

图5为大型构件在不同部位获得不同组织时，激光头的沉积示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种用于大型金属构件制造的激光增材制造设备100，具体地，本实施例中的大型金属构件可以是大型钛合金构件，该激光增材制造设备100包括：工作台10、两条轨道11、3个激光头12、冷却装置、去应力退火处理装置、可移动卡具14以及变形感应器15，其中，工作台10具有多个沉积工位以及后处理工位，轨道11沿着工作台10的长度方向设置在工作台10的相对两侧，其中一个激光头12安装在一条轨道11上，另外两个激光头12间隔安装在另一条轨道11上，激光头12可滑动安装在轨道11上，激光头12用于激光熔化沉积金属粉末以在沉积工位上形成构件200或将多个构件连接，冷却装置安装在沉积工位处，用于对沉积过程进行冷却，并能够随着轨道11而移动，去应力退火处理装置用于对构件200进行去应力退火处理，可移动卡具14用于装夹去应力退火处理后的构件200，可移动卡具14安装在工作台10上，并能够沿着工作台10移动，变形感应器15安装在可移动卡具14上，用于获取构件200夹持部分的应力数据。

具体地，冷却装置可以在一定程度上解决大型钛合金构件沉积过程中的热应力问题，冷却装置包括：水冷装置和气冷装置，水冷装置包括水冷铜块131以及与水冷铜块131的两端连通的进水管132以及出水管133，气冷装置为气冷管134，气冷管134的出气方向与工作台10的长度方向垂直，气冷装置喷出的气体为液氮/液氩混合气体。

此外，本实施例中轨道11的长度为5m，在工作台10下设置水冷铜块131，水冷铜块131可以安装在轨道11上，可随轨道11运动完成局部水冷。循环水由工作台下平行轨道的进水管132以及出水管133从两侧进出，完成冷却。为保证冷却质量，在工作台10上垂直轨道方向加设气冷管134，采用液氮/液氩混合高压气体冷却。

值得一提的是，在大型钛合金构件增材的过程中，往往需要分别打印各组分然后利用同种粉末增材连接。虽设水冷/气冷同时冷却装置，大尺寸的构件成型过程中热应力问题仍不可避免，需要通过可移动卡具14进行约束，如图1所示，在工作台10上安装可移动卡具14，其固定在工作台10边缘，可随正在打印的工位变化而移动。

根据实际工程需要，激光头12数量为三个，同时各自配备独立送粉管和气氛保护罩，具体地，使用本发明实施例中的激光增材制造设备制造单一尺寸过长的大型钛合金构件的方法包括以下步骤：

沉积计划：根据大型金属构件的形状、尺寸、结构强度、预期受载情况，将大型金属构件分为多个构件在多个沉积工位上进行同步激光熔化沉积；

沉积前准备工作：计算各部分构件所用粉末的质量，将金属粉末装入粉管；根据大型金属构件的形状设计扫描路径、设置沉积参数；清理工作台面，充入保护气氛；

构件的成形：在多个沉积工位上，多个激光头按照预设的路径和工艺参数同时激光熔化沉积金属粉末，同时使用冷却装置进行冷却，得到构件，具体地，循环冷却水从进水管流入，从出水管流出，同时采用气体冷却辅助工艺，通过气冷管口喷出高压液氮/液氩混合气体，使用三组水冷/气冷装置同时进行冷却，保证沉积质量；

构件的后处理：使用去应力退火处理装置对多个沉积工位上的构件进行去应力退火处理，同时气冷管调换至输入空气，将工作台上残留粉末吹落至工作台下方的回收盒内；

大型金属构件的成形：设置沉积参数，设计扫描策略，向送粉管中补给同种钛合金粉末，将后处理的构件装夹到可移动卡具上，控制多个激光头沿着轨道滑动，并在相邻的构件之间铺粉，并进行激光熔化沉积以将多个构件连接，同时实时获取构件被可移动卡具夹持部分的应力数据，并将应力数据传送至处理器，处理器根据应力数据判断当前构件的应力分布和变形情况，完成大型金属构件的成形；

大型金属构件的后处理：使用去应力退火处理装置对大型金属构件进行去应力退火处理。

为了解决大型金属构件的传统激光增材制造过程中存在的问题，本发明的实施例对目前的激光增材制造设备进行了优化升级，即对原有的单一工作的单元进行改造，增加3个激光头，3个激光头能够在不同工位同时工作，也可根据不同构件的结构进行顺序沉积，进一步提高激光增材制造过程的灵活性、多样性，在提高零件制备效率的同时，也为增材制造钛合金构件结构、成分设计提供更多可能性。针对制备单向尺寸较大的框、梁类构件过程中，控制激光头的机器人操作不便的情况，为其加装五米轨道，使3个激光头可在轨道上自由移动，进行构件的连续沉积。同时针对大型钛合金构架增材制造过程的残余应力，及其引起的变形甚至开裂问题，在工作台下设计水/气冷装置，双管齐下实现局部增材零件的快速散热。最后，在工作台一侧添设去应力退火后处理工位。通过增加激光头数量、增设轨道及可随轨道移动的水/气冷装置，进一步提高激光增材制造效率及大型钛合金成型灵活性，解决大型钛合金构件的成型问题，并采用水冷+气冷双重冷却装置，在工作台上设置可移动工装卡具，同时配备变形感应器实时监测构件受力情况，保证大型钛合金构件的成型质量。

值得一提的是，上述设备不仅能够实现大型钛合金构件的增材制造，同时还可以设置不同的激光头数量来实现多工位小尺寸构件同步沉积、异种材料连接、基板预热、原位热处理等多种加工方式，实现多功能集成化生产，在成熟的沉积技术基础上大大提高生产效率。如图2所示，当面对小型同种或类似零件的增材制造，可在工作台的不同工位处用三个激光头同时进行沉积。该过程对构件尺寸有严格要求，适合尺寸较小(最大尺寸<500mm)、形状较为规则的零件成型，并通过传热学计算确定各工位的相对位置。如图3所示，在传统激光增材制造过程中，异种材料连接需要快速更换送粉管中的粉末，一般情况下很难保证粉管中无粉末残留，这会直接导致第一层沉积成分变化。通过采用两个独立的激光头和送粉管可解决此问题，两激光头在轨道上顺序工作完成异种材料的增材制造连接。如图4所示，同样可利用两个激光头同步或顺序工作，完成基板预热，大大降低由热应力造成的试样开裂的风险，对于尺寸较大的构件也可通过局部预热平衡热应力，减少翘曲变形。相比单一激光头工作先预热后沉积，工作效率大大提高，且减少预热后的热损失，提高沉积试样质量；如图5所示，有些大型构件需要在不同部位获得不同组织，例如整体叶盘的轮心处需得到等轴晶以保证强度，而叶盘处希望以柱状晶为主，获得优异的疲劳和高温蠕变性能。而在沉积过程中可利用独立激光头进行已沉积试样的局部热处理，以获得所需组织。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种使用激光增材制造设备制造大型金属构件的方法，

其特征在于，所述激光增材制造设备包括：工作台，所述工作台具有多个沉积工位以及后处理工位；

至少两条轨道，沿着所述工作台的长度方向而设；

多个激光头，分别滑动安装在所述轨道上，所述激光头用于激光熔化沉积金属粉末以在所述沉积工位上形成构件和将多个构件连接；

冷却装置，安装在所述沉积工位处，并能够随着轨道而移动；

去应力退火处理装置；

移动卡具，所述移动卡具安装在所述工作台上，并能够沿着所述工作台移动，所述制造大型金属构件的方法包括以下步骤：

构件的成形：在多个沉积工位上，多个激光头按照预设的路径和工艺参数同时激光熔化沉积金属粉末，同时使用冷却装置进行冷却，得到构件；

构件的后处理：使用去应力退火处理装置对多个沉积工位上的构件进行去应力退火处理；

大型金属构件的成形：将后处理的构件装夹到移动卡具上，控制多个激光头沿着轨道滑动，并在相邻的构件之间铺粉，并进行激光熔化沉积以将多个构件连接，完成大型金属构件的成形；

大型金属构件的后处理：使用去应力退火处理装置对大型金属构件进行去应力退火处理。

2.根据权利要求1所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，在所述构件的成形步骤之前还包括以下步骤：

沉积计划：根据大型金属构件的形状、尺寸、结构强度、预期受载情况，计划将大型金属构件分为多个构件在多个沉积工位上进行同步激光熔化沉积；

沉积前准备工作：计算各部分构件所用粉末的质量，将金属粉末装入粉管；根据大型金属构件的形状设计扫描路径、设置沉积参数；清理工作台面，充入保护气氛。

3.根据权利要求1所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，在大型金属构件的成形步骤进行激光熔化沉积的过程中，还包括实时获取所述构件被移动卡具夹持部分的应力数据，并将所述应力数据传送至处理器，所述处理器根据所述应力数据判断当前构件的应力分布和变形情况。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，所述大型金属构件为大型钛合金构件。

5.根据权利要求1所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，所述冷却装置包括：水冷装置和/或气冷装置。

6.根据权利要求5所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，所述水冷装置包括水冷铜块以及与所述水冷铜块的两端连通的进水管以及出水管。

7.根据权利要求5所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，所述气冷装置为气冷管，所述气冷管的出气方向与所述工作台的长度方向垂直，所述气冷装置喷出的气体为液氮+液氩混合气体。

8.根据权利要求1所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，还包括：

变形感应器，安装在所述移动卡具上，用于获取所述构件被移动卡具夹持部分的应力数据。

9.根据权利要求1所述的制造大型金属构件的方法，其特征在于，所述激光头为三个，所述轨道为两条，且两条轨道分别设置在所述工作台的相对两侧，其中一个激光头安装在一条轨道上，另外两个激光头间隔安装在另一条轨道上。

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