CN112207429A - 基于三光束的复合激光增材制造方法及装置 - Google Patents

基于三光束的复合激光增材制造方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于三光束的复合激光增材制造方法，所述方法包括以下：步骤110：获取成形零件的三维CAD模型，并对所述三维CAD模型进行分层处理，获取相应的分层信息；步骤120、根据所述分层信息设置每层的工作台移动路径、第一激光、第二激光、第三激光以及送粉机构的初始参数；步骤130：根据每层的初始参数信息，按照所述分层信息通过三束激光对当前层进行熔覆成型；步骤140、通过计算机控制与监控系统对整个装置进行调整控制完成单层的加工。本发明可以去除熔熔融态金属中的气孔、使晶粒均匀生长、固‑液两相时进行强制补缩。同时消除内部裂纹，层间更加致密、细化晶粒、消除内应力。最终提高金属零件的内部质量和机械力学综合性能。

Description

基于三光束的复合激光增材制造方法及装置
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及基于三光束的复合激光增材制造方法及装置。
背景技术
激光增材制造是利用高能连续激光将金属或者非金属粉末进行熔化，凝固后形成熔覆层，控制激光的扫描路径，实现熔覆层的逐层堆积，最终实现零件成形的一种先进制造技术。能够解决铸造、锻造等传统工艺难以加工的高性能和复杂结构零部件。
但是激光增材制造的成形过程是一个利用高能连续激光急速加热后又快冷却的热力学过程，导致成形粉末出现粉末熔融不均匀、熔融态金属液含有气泡，同时熔融态金属到固态急速冷却时，又会产生冷缩现象且晶粒多为柱状晶。激光增材制造是熔覆层逐层堆积成形零件，会导致熔覆层之间存在未熔合现象和裂纹缺陷，随着熔覆层数的增加，还会出现残余应力叠加效应，影响零件的尺寸和综合机械性能，严重的还会导致零件变形和开裂。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供基于三光束的复合激光增材制造方法及装置。
提出了基于三光束的复合激光增材制造方法，所述方法包括以下：
步骤110：获取成形零件的三维CAD模型，并对所述三维CAD模型进行分层处理，获取相应的分层信息；
步骤120、根据所述分层信息设置每层的工作台移动路径、第一激光、第二激光、第三激光以及送粉机构的初始参数；
步骤130：根据每层的初始参数信息，按照所述分层信息通过第一激光、第二激光、第三激光对当前层进行熔覆成型，
其中，第一激光为连续激光，用于利用激光的热效应，熔化金属粉末堆积成形，第二激光为光纤脉冲激光，用于利用激光的力效应，对熔融态金属进行冲击，第三激光为强脉冲激光，用于利用激光的冲击波效应，对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化；
步骤140、通过温度传感器的读数确定最优的第二激光以及第三激光的作用区域，根据图像采集系统获取的三束激光的光斑的位置，利用计算机控制与监控系统对三束激光的光斑的入射角度的调节，始终使三束激光的光斑位于最优的作用区域，同时，通过图像采集系统获取熔融态金属的飞溅情况，根据所述飞溅情况调节第二激光的脉冲能量以及送粉量，以对熔融态金属的飞溅进行抑制；
步骤150、重复步骤130-140直至零件加工成型。
进一步，所述第二激光的光斑直径小于所述第一激光的光斑直径。
进一步，所述第三激光的光斑直径大于第一激光的光斑直径。
本发明还提出基于三光束的复合激光增材制造装置，包括，
计算机控制与监控系统、工作台移动机构、工作台、基础材料、图像采集系统、温度传感器、第一激光器、第二激光器、第三激光器以及送粉机构，
其中，计算机控制与监控系统与工作台移动机构、图像采集系统、温度传感器、第一激光器、第二激光器、第三激光器以及送粉机构连接，用于根据输入的初始参数以及图像采集系统与温度传感器反馈的数据控制所述工作台移动机构、第一激光器、第二激光器、第三激光器以及送粉机构运行；
所述工作台由所述工作台移动机构控制移动，所述基础材料用于作为加工的原材料，所述第一激光器用于产生第一激光，所述第一激光为连续激光，用于利用激光的热效应，熔化金属粉末堆积成形，所述第二激光器用于产生第二激光，所述第二激光为光纤脉冲激光，用于利用激光的力效应，对熔融态金属进行冲击，所述第三激光器用于产生第三激光，所述第三激光为强脉冲激光，用于利用激光的冲击波效应，对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化。
进一步，所述第二激光的光斑直径小于所述第一激光的光斑直径。
进一步，所述第三激光的光斑直径大于第一激光的光斑直径。
进一步，所述第二激光器产生的第二激光的激光能量为豪焦级。
相较于现有技术，本发明提供的所述基于三光束的复合激光增材制造方法具有以下有益效果：
本发明提出基于三光束的复合激光增材制造方法，采用三束激光同时工作的方法进行增材制造，第一束高能连续激光利用激光的热效应，熔化金属粉末进行堆积成形；第二束脉冲光纤激光利用激光的力效应，对熔融态的金属进行冲击；第三束强脉冲激光利用激光的冲击波效应，对熔覆层易塑性变形的中高温区域进行冲击强化，采用三光束增材制造的加工方法，可以去除熔熔融态金属中的气孔、使晶粒均匀生长、固-液两相时进行强制补缩。同时消除内部裂纹，层间更加致密、细化晶粒、消除内应力。最终提高金属零件的内部质量和机械力学综合性能，并有效的控制宏观变形与开裂问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例中的技术方案，下面将对实例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图；
图2为本发明所提供的一种具体实施方式的装置图；
图3为本发明所提供的复合成形方法的加工示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。
参照图1以及图3，实施例1，是本发明提出的基于三光束的复合激光增材制造方法，所述方法包括以下：
步骤110：获取成形零件的三维CAD模型，并对所述三维CAD模型进行分层处理，获取相应的分层信息；
步骤120、根据所述分层信息设置每层的工作台3移动路径、第一激光、第二激光、第三激光以及送粉机构10的初始参数；
步骤130：根据每层的初始参数信息，按照所述分层信息通过第一激光、第二激光、第三激光对当前层进行熔覆成型，
其中，第一激光为连续激光，用于利用激光的热效应，熔化金属粉末堆积成形，第二激光为光纤脉冲激光，用于利用激光的力效应，对熔融态金属进行冲击，第三激光为强脉冲激光，用于利用激光的冲击波效应，对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化；
步骤140、通过温度传感器6的读数确定最优的第二激光以及第三激光的作用区域，根据图像采集系统5获取的三束激光的光斑的位置，利用计算机控制与监控系统1对三束激光的光斑的入射角度的调节，始终使三束激光的光斑位于最优的作用区域，同时，通过图像采集系统5获取熔融态金属的飞溅情况，根据所述飞溅情况调节第二激光的脉冲能量以及送粉量，以对熔融态金属的飞溅进行抑制；
步骤150、重复步骤130-140直至零件加工成型。
实施例1通过采用三束激光同时工作的方法进行增材制造，第一束高能连续激光利用激光的热效应，熔化金属粉末进行堆积成形；第二束脉冲光纤激光利用激光的力效应，对熔融态的金属进行冲击；第三束强脉冲激光利用激光的冲击波效应，对熔覆层易塑性变形的中高温区域进行冲击强化，采用三光束增材制造的加工方法，可以去除熔熔融态金属中的气孔、使晶粒均匀生长、固-液两相时进行强制补缩。同时消除内部裂纹，层间更加致密、细化晶粒、消除内应力。最终提高金属零件的内部质量和机械力学综合性能，并有效的控制宏观变形与开裂问题。
作为本发明的优选实施方式，所述第二激光的光斑直径小于所述第一激光的光斑直径，能够充分的对熔融态金属形成压力和振动，去除熔融态金属中的气孔、使晶粒均匀生长、固-液两相时进行强制补缩。
作为本发明的优选实施方式，所述第三激光的光斑直径大于第一激光的光斑直径。能够更好地对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化，消除内部裂纹、细化晶粒、是层间更加致密、消除内应力。
参照图2，实施例2，本发明还提出基于三光束的复合激光增材制造装置，包括，
计算机控制与监控系统1、工作台3移动机构2、工作台3、基础材料4、图像采集系统5、温度传感器6、第一激光器7、第二激光器8、第三激光器9以及送粉机构10，
其中，计算机控制与监控系统1与工作台3移动机构2、图像采集系统5、温度传感器6、第一激光器7、第二激光器8、第三激光器9以及送粉机构10连接，用于根据输入的初始参数以及图像采集系统5与温度传感器6反馈的数据控制所述工作台3移动机构2、第一激光器7、第二激光器8、第三激光器9以及送粉机构10运行；
所述工作台3由所述工作台3移动机构2控制移动，所述基础材料4用于作为加工的原材料，所述第一激光器7用于产生第一激光，所述第一激光为连续激光，用于利用激光的热效应，熔化金属粉末堆积成形，所述第二激光器8用于产生第二激光，所述第二激光为光纤脉冲激光，用于利用激光的力效应，对熔融态金属进行冲击，所述第三激光器9用于产生第三激光，所述第三激光为强脉冲激光，用于利用激光的冲击波效应，对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化。
具体的，计算机控制与监控系统1对零件的三维CAD模型进行分层处理，获取分层信息，根据每层的信息，计算机控制与监控系统1设置工作台3移动机构2、强脉冲激光器7、光纤脉冲激光器8、高能连续激光器9和送粉机构10的初始参数。
然后，针对每一分层，工作台3按照轨迹移动，高能连续激光器7进行熔覆成形，光纤脉冲激光器8对熔融态金属进行液态微锻。强脉冲激光器9对熔覆层易塑性变形的中高温区域进行激光冲击强化。
同时，计算机控制与监控系统1监控图像采集系统5和温度传感器6的信息，通过计算机控制与监控系统1控制光纤脉冲激光器8和强脉冲激光器9的光束入射角度，始终使光纤脉冲激光器8光束位于最优的熔融态金属冲击振动区域，强脉冲激光器9光束位于熔覆层易塑性变形的中高高温区域。
同时，计算机控制与监控系统1通过图像采集系统5获取熔融态金属的飞溅情况，控制光纤脉冲激光器8的能量大小和送粉机构10送粉量，消除熔融态金属的飞溅。
计算机控制与监控系统1根据以上获得的信息，对当前分层进行熔覆,直到当前分层熔覆完成。
计算机控制与监控系统1通过工作台3移动机构2调整工作台3的高度和熔覆层初始位置，开始下一个分层的增材制造，如此循环，直到零件加工成形。
作为本发明的优选实施方式，所述第二激光的光斑直径小于所述第一激光的光斑直径，能够充分的对熔融态金属形成压力和振动，去除熔融态金属中的气孔、使晶粒均匀生长、固-液两相时进行强制补缩。
作为本发明的优选实施方式，所述第三激光的光斑直径大于第一激光的光斑直径。能够更好地对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化，消除内部裂纹、细化晶粒、是层间更加致密、消除内应力。
作为本发明的优选实施方式，所述光纤激光发生器产生的第二束脉冲激光的激光能量为豪焦级。通过采用激光微锻的方式，使第二束脉冲激光的激光能量大幅降低，仅为豪焦级即可满足需求。
另外从本质上对冲击锻打以及液态微锻造进行说明如下：
液态微锻是在金属熔融状态下进行一种冲击搅拌作用的方式改善焊接缺陷，冲击锻打是对金属最佳塑性成型态进行冲击锻打，对固态的焊缝进行工艺强化，
从晶粒来说，冲击锻打主要起到对成型的粗大的晶粒进行冲击锻打，起一个细化晶粒的作用，增加晶界，使得硬度啊、金属强度啊在一定程度上提高；而液态微锻是引导晶粒的生长方向，由柱状晶向着等轴晶生长，且熔池区各成分不均匀兴减小。
可以说是锻打改变晶粒状态；液态微锻引导晶粒生长，向着细化晶粒且等轴方向变化。
从焊接缺陷来说，针对裂纹缺陷，
冲击锻打将颗粒状的杂志裂纹改善成条状或线状，减小内应力，但裂纹依旧存在，
液态微锻是在液态状态下进行改善焊接缺陷，冲击搅拌振动的帮助下消除裂纹缺陷；
针对气孔来说，冲击锻打锻合气孔，冲击搅拌是减少并抑制气孔的产生，且液态微锻也具有对气孔的压合作用；
针对裂纹气孔等缺陷，冲击锻打只是改善其缺陷，而液态微锻是抑制这些缺陷的存在，且液态微锻也有改善缺陷的作用。
在进行液态微锻时，应当注意如下技术点，
1.监测系统的准确性，不同材料不同工况下的融敷标准波动曲线需要多次实验，大数据统计计算得出；
2.波动信号不同异常情况对应的锻打激光不同参数选择；
激光是在金属处于熔融态时作用，具体作用的部位和能量大小根据监测熔池的实时状态来确定；
3.通过监测熔池反馈的光辐射和，热辐射值的波动确定缺陷。
以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.基于三光束的复合激光增材制造方法，其特征在于，所述方法包括以下：
步骤110：获取成形零件的三维CAD模型，并对所述三维CAD模型进行分层处理，获取相应的分层信息；
步骤120、根据所述分层信息设置每层的工作台移动路径、第一激光、第二激光、第三激光以及送粉机构的初始参数；
步骤130：根据每层的初始参数信息，按照所述分层信息通过第一激光、第二激光、第三激光对当前层进行熔覆成型，
其中，第一激光为连续激光，用于利用激光的热效应，熔化金属粉末堆积成形，第二激光为光纤脉冲激光，用于利用激光的力效应，对熔融态金属进行冲击，第三激光为强脉冲激光，用于利用激光的冲击波效应，对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化；
步骤140、通过温度传感器的读数确定最优的第二激光以及第三激光的作用区域，根据图像采集系统获取的三束激光的光斑的位置，利用计算机控制与监控系统对三束激光的光斑的入射角度的调节，始终使三束激光的光斑位于最优的作用区域，同时，通过图像采集系统获取熔融态金属的飞溅情况，根据所述飞溅情况调节第二激光的脉冲能量以及送粉量，以对熔融态金属的飞溅进行抑制；
步骤150、重复步骤130-140直至零件加工成型。
2.根据权利要求1所述的基于三光束的复合激光增材制造方法，其特征在于：所述第二激光的光斑直径小于所述第一激光的光斑直径。
3.根据权利要求1所述的基于三光束的复合激光增材制造方法，其特征在于，所述第三激光的光斑直径大于第一激光的光斑直径。
4.基于三光束的复合激光增材制造装置，其特征在于，包括，
计算机控制与监控系统、工作台移动机构、工作台、基础材料、图像采集系统、温度传感器、第一激光器、第二激光器、第三激光器以及送粉机构，
其中，计算机控制与监控系统与工作台移动机构、图像采集系统、温度传感器、第一激光器、第二激光器、第三激光器以及送粉机构连接，用于根据输入的初始参数以及图像采集系统与温度传感器反馈的数据控制所述工作台移动机构、第一激光器、第二激光器、第三激光器以及送粉机构运行；
所述工作台由所述工作台移动机构控制移动，所述基础材料用于作为加工的原材料，所述第一激光器用于产生第一激光，所述第一激光为连续激光，用于利用激光的热效应，熔化金属粉末堆积成形，所述第二激光器用于产生第二激光，所述第二激光为光纤脉冲激光，用于利用激光的力效应，对熔融态金属进行冲击，所述第三激光器用于产生第三激光，所述第三激光为强脉冲激光，用于利用激光的冲击波效应，对熔覆层中易塑性变形的中高温区域进行冲击强化。
5.根据权利要求4所述的基于三光束的复合激光增材制造装置，其特征在于，所述第二激光的光斑直径小于所述第一激光的光斑直径。
6.根据权利要求4所述的基于三光束的复合激光增材制造装置，其特征在于，所述第三激光的光斑直径大于第一激光的光斑直径。
7.根据权利要求4所述的基于三光束的复合激光增材制造装置，其特征在于，所述第二激光器产生的第二激光的激光能量为豪焦级。
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