CN112276087A - 一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统，该系统包括激光增材制造模块和激光冲击扫描模块，该方法在激光增材制造过程中，将另一束聚焦的激光实时作用在熔池表面，并按照一定的轨迹在熔池表面扫描，通过等离子体诱导产生的冲击波搅拌熔池、破坏糊状区的粗大枝晶，从而加剧熔池对流、均匀化熔池内温度场、减小温度梯度。因此，通过熔池扰动的激光增材制造方法可以避免凝固组织的各向异性，细化晶粒，提高成型金属零件的力学性能。

Description

一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统。

背景技术

增材制造以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。金属零件增材制造技术作为增材制造中最具前沿和难度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属零件的激光增材制造是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术。但在金属零件的激光增材制造过程中，由于熔池的快速冷却和温度梯度的方向性，导致凝固后的金属零件具有显微组织和力学性能的各向异性。

目前，国内外提出了各种激光增材制造方式解决成型金属零件性能各向异性的问题，如电磁场辅助激光增材制造技术、超声辅助激光增材制造技术等。电磁场辅助激光增材制造技术是通过在激光增材制造过程中施加交变电磁场，交变电磁场作用于激光熔池的过程中能够对熔池产生一定的搅拌作用，从而达到提高凝固组织力学性能的目的。超声辅助激光增材制造技术是在激光增材制造过程中对金属零件施加超声振动，通过振动频率和振幅的优化实现金属零件表面熔池的搅动，从而改变熔池的凝固过程。

上述方法在一定程度上能够避免各向异性，但某些工况下还存在一定的局限性，如复杂结构金属零件不同位置电磁场的方向和强度问题、大型金属零件超声振动能耗问题等。国内外学者因此提出了激光锻打或激光冲击强化辅助的激光增材制造技术，该方法是在激光增材熔池凝固后，待凝固区温度降低到锻造温度范围内时，通过激光冲击的方式细化晶粒、诱导残余压应力等，在一定程度上提高了成型金属零件的力学性能。但是，激光冲击前需要在凝固层表面铺设约束层和吸收层，以及由此带来的吸收层和约束层的破坏和更换，这样就导致了制造过程的复杂性。另外，该方法并不是通过搅动熔池而实现的，对于非平面零件成型存在一定困难。

因此，如何在金属零件激光增材制造过程中实时、选择性的扰动熔池，控制凝固组织、去除各向异性，是目前亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统，通过熔池扰动的激光增材制造方法可以避免凝固组织的各向异性，细化晶粒，提高成型金属零件的力学性能。

技术方案：一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法，包括如下步骤：

1)将基材清洗去除表面油污，并固定在运动台上；

2)根据零件的三维数字模型，生成激光焦点与基材的相对运动路径；

3)设置激光增材制造用激光的功率、光斑大小、离焦量、送粉量、气流量参数；

4)设置激光冲击扫描用激光的脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、波长、光斑大小、扫描速度、扫描轨迹参数；

5)设置工件与激光增材制造用激光光斑的相对运动速度；

6)开始熔池扰动的激光增材制造，在激光增材制造过程中，将激光冲击扫描用激光在熔池表面扫描。

进一步的，当激光冲击扫描用激光的焦点处于静止状态时，其位置在激光增材用激光诱导的熔池内。

进一步的，激光冲击扫描用激光的扫描轨迹为直线、椭圆、圆弧、8字形。

一种熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，包括：激光增材制造模块和激光冲击扫描模块；所述激光增材制造模块包括第一激光器、送粉器、保护气输送装置、激光头、基材和运动台；第一激光器输出的激光、送粉器输送的金属粉末和保护气输送装置输送的保护气通过同轴或旁轴的形式从激光头输出到基材表面；运动台用于调节基材相对于激光焦点的运动方式和运动速度；

所述激光冲击扫描模块包括第二激光器、扩束准直器、反射镜和振镜；第二激光器的输出经扩束准直器生成激光冲击扫描用激光光斑；反射镜用于调节激光冲击扫描用激光光斑与激光增材制造用激光光斑之间的相对位置；振镜用于对激光冲击扫描用激光束进行聚焦和扫描，并上下移动调节激光冲击扫描用激光光斑的大小。

进一步的，第二激光器是半导体激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。

进一步的，第二激光器输出激光的脉冲宽度小于10ms，波长大于300nm，激光单脉冲能量在0.1～100mJ之间，脉冲频率在0.2～2000KHz之间。

进一步的，第一激光器是半导体激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。

进一步的，第一激光器输出连续激光或脉冲宽度大于0.1ms的脉冲激光，波长在0.78～10.64μm，激光平均功率不小于100W。

进一步的，第一激光器发出的激光通过光纤传输给激光头，或通过光学镜片组合的方式传输给激光头。

有益效果：(1)当激光冲击扫描用激光焦点在激光增材制造用激光诱导的熔池内扫描时，激光冲击扫描用激光诱导的冲击波使熔池内的液态金属对流加剧，减小熔池内的温度差异和温度梯度，抑制各向异性柱状组织的形成、细化晶粒；同时，冲击波使熔池中的金属液体补充熔池后沿糊状区因凝固收缩导致的气孔等缺陷。因此，本发明可以抑制成型金属零件性能的各向异性，提高其综合力学性能。

(2)与电磁场辅助激光增材制造和超声辅助激光增材制造技术相比，本发明不需要对整个成型金属零件施加外部能场，仅需对熔池区域施加较小的外部能场，因此能量利用率较高；另外，可以对成型金属零件的不同部位、不同方向的表面进行选择性冲击扫描，空间选择性好。

(3)本发明提出的熔池局部扰动的激光增材制造方法适用于所有的金属材料增材制造，不需要吸收层和约束层，易于实现自动化。

附图说明

图1为本发明的熔池扰动的金属零件激光增材制造系统结构示意图；

图2为激光冲击扫描用激光焦点区与熔池的位置关系及扫描方式示意图，图(a)为焦点处于静止状态时的示意图，图(b)为焦点轨迹为直线的示意图，图(c)为焦点轨迹为椭圆的示意图，图(d)为焦点轨迹为8字形的示意图，图(e)为焦点轨迹为圆弧的示意图；其中，A为熔池区，B为激光冲击扫描用激光光斑，箭头所示为熔池区相对于基材的移动方向，点画线为激光冲击扫描用激光光斑的扫描轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，包括：激光增材制造模块和激光冲击扫描模块。激光增材制造模块包括第一激光器1、送粉器2、保护气输送装置3、激光头4、基材9和运动台10。第一激光器1输出的激光、送粉器2输送的金属粉末和保护气输送装置3输送的保护气通过同轴或旁轴的形式从激光头4输出到基材9表面。运动台10用于调节基材9相对于激光焦点的运动方式和运动速度。其中，第一激光器1是半导体激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。第一激光器1能够输出连续激光或脉冲宽度大于0.1ms的脉冲激光，波长在0.78～10.64μm，激光平均功率不小于100W。第一激光器1发出的激光通过光纤传输给激光头4，或通过光学镜片组合的方式传输给激光头4。通过第一激光器1调节激光的功率，通过送粉器2调节送粉量，通过保护气输送装置3调节气流量，通过激光头4调节离焦量和光斑大小。

激光冲击扫描模块包括第二激光器5、扩束准直器6、反射镜7和振镜8。第二激光器5的输出经扩束准直器6生成激光冲击扫描用激光光斑。反射镜7用于调节经激光冲击扫描用激光光斑与激光增材制造用激光光斑之间的相对位置。振镜8用于对激光冲击扫描用激光束进行聚焦和扫描，并上下移动调节激光冲击扫描用激光光斑的大小。其中，第二激光器5是半导体激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。第二激光器5输出激光的脉冲宽度小于10ms，波长大于300nm，激光单脉冲能量在0.1～100mJ之间，脉冲频率在0.2～2000KHz之间。

基于上述系统的熔池扰动的金属零件激光增材制造方法，包括如下步骤：

1)将基材清洗去除表面油污，并固定在运动台上；

2)根据零件的三维数字模型，生成激光焦点与基材的相对运动路径；

3)设置激光增材制造用激光的功率、光斑大小、离焦量、送粉量、气流量参数；

4)设置激光冲击扫描用激光的脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、波长、光斑大小、扫描速度、扫描轨迹参数；

5)设置工件与激光增材制造用激光光斑的相对运动速度；

6)在激光增材制造过程中，将激光冲击扫描用激光实时作用在熔池表面。当激光冲击扫描用激光焦点在激光增材制造用激光诱导的熔池内扫描时，激光冲击扫描用激光诱导的冲击波使熔池内的液态金属对流加剧，减小熔池内的温度差异和温度梯度，抑制各向异性柱状组织的形成、细化晶粒；同时，冲击波使熔池中的金属液体补充熔池后沿糊状区因凝固收缩导致的气孔缺陷。

如图2所示，当激光冲击扫描用激光的焦点处于静止状态时，其位置在激光增材用激光诱导的熔池内。当激光冲击扫描用激光焦点扫描时，激光冲击扫描用激光的扫描轨迹为直线、椭圆、圆弧或8字形。以激光冲击扫描用激光光斑在激光增材制造引起的熔池内按照8字形轨迹进行扫描为例，激光冲击扫描用激光光斑引起的高温高压等离子体因快速膨胀形成冲击波，冲击波作用于熔池表面并向熔池内部传播。熔池区受到冲击波的作用后，熔池内的液态金属对流加剧，由于8字形覆盖到了熔池的中后部区域，充分的促进了高低温区热对流和热交换，从而减小了熔池内的温度差异和温度梯度，抑制了各向异性柱状组织的形成，细化了晶粒，并使熔池中的金属液体补充熔池后沿糊状区因凝固收缩导致的气孔缺陷，提高了成型金属零件的力学性能。因为激光熔敷、激光熔融沉积、选择性激光沉积、金属3D打印都属于激光增材制造，同样属于本专利的保护范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将基材清洗去除表面油污，并固定在运动台上；

2)根据零件的三维数字模型，生成激光焦点与基材的相对运动路径；

3)设置激光增材制造用激光的功率、光斑大小、离焦量、送粉量、气流量参数；

4)设置激光冲击扫描用激光的脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、波长、光斑大小、扫描速度、扫描轨迹参数；

5)设置工件与激光增材制造用激光光斑的相对运动速度；

6)开始熔池扰动的激光增材制造，在激光增材制造过程中，将激光冲击扫描用激光在熔池表面扫描。

2.根据权利要求1所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造方法，其特征在于，当激光冲击扫描用激光的焦点处于静止状态时，其位置在激光增材用激光诱导的熔池内。

3.根据权利要求1所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造方法，其特征在于，激光冲击扫描用激光的扫描轨迹为直线、椭圆、圆弧、8字形。

4.一种熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，其特征在于，包括：激光增材制造模块和激光冲击扫描模块；所述激光增材制造模块包括第一激光器(1)、送粉器(2)、保护气输送装置(3)、激光头(4)、基材(9)和运动台(10)；第一激光器(1)输出的激光、送粉器(2)输送的金属粉末和保护气输送装置(3)输送的保护气通过同轴或旁轴的形式从激光头(4)输出到基材(9)表面；运动台(10)用于调节基材(9)相对于激光焦点的运动方式和运动速度；

所述激光冲击扫描模块包括第二激光器(5)、扩束准直器(6)、反射镜(7)和振镜(8)；第二激光器(5)的输出经扩束准直器(6)生成激光冲击扫描用激光光斑；反射镜(7)用于调节激光冲击扫描用激光光斑与激光增材制造用激光光斑之间的相对位置；振镜(8)用于对激光冲击扫描用激光束进行聚焦和扫描，并上下移动调节激光冲击扫描用激光光斑的大小。

5.根据权利要求4所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，其特征在于，第二激光器(5)是半导体激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。

6.根据权利要求4所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，其特征在于，第二激光器(5)输出激光的脉冲宽度小于10ms，波长大于300nm，激光单脉冲能量在0.1～100mJ之间，脉冲频率在0.2～2000KHz之间。

7.根据权利要求4所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，其特征在于，第一激光器(1)是半导体激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。

8.根据权利要求4所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，其特征在于，第一激光器(1)输出连续激光或脉冲宽度大于0.1ms的脉冲激光，波长在0.78～10.64μm，激光平均功率不小于100W。

9.根据权利要求4所述的熔池扰动的金属零件激光增材制造系统，其特征在于，第一激光器(1)发出的激光通过光纤传输给激光头(4)，或通过光学镜片组合的方式传输给激光头(4)。

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