CN112404729B - 一种送丝式双光束激光增材制造方法 - Google Patents

一种送丝式双光束激光增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种送丝式双光束激光增材制造方法，其中第一激光束(2)作用于焊丝(1)上，在焊丝端部诱导产生蒸发前沿(4)，以深熔模式加热熔化焊丝，熔化材料过渡到基板上形成熔池(5)和熔覆层(6)；第二激光束(3)作用于基板(7)表面，以热导模式对基板进行预热。本发明利用深熔模式加热熔化焊丝，可以显著提高材料沉积速率；采用热导模式预热基板，方便调控温度场和熔覆层形貌，有效避免熔合不良、裂纹等缺陷。

Description

一种送丝式双光束激光增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种送丝式双光束激光增材制造方法，属于先进制造技术领域。
背景技术
金属激光增材制造是以激光为能量源，将金属粉末或丝材加热熔化，通过逐点、逐层堆积快速制造出实物产品的一种先进制造方法。与传统的等材和减材制造方法相比，金属激光增材制造具有以下突出特点：(1)可以实现形状复杂的零部件、结构件的一体化自由成形制造，显著降低产品重量；(2)可以极大地简化制造工艺流程，大幅度缩短产品开发和制造周期；(3)可以按需对组织进行订制化调控，产品性能更加优异；(4)材料利用率高，等等。
金属激光增材制造方法分为两类：一类为选区激光熔化(SLM)，另一类为激光熔融沉积(LMD)。SLM以粉床铺粉为技术特征，激光束按照预定的路径扫描预先铺好的粉末层，逐层选择性地熔化粉末，从而实现三维实体金属零件制造。SLM技术最大优势是可实现复杂形状零部件的净成形制造，但制造效率相对较低，且成形尺寸受到粉床工作室空间的限制，不适用于制造大型零件。LMD是在激光熔覆的基础上发展而来，以同步送料为技术特征，激光束将同步送进的金属材料熔化，按照预定的加工路径逐点、逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造。相对于SLM，LMD的制造效率较高，但成形精度较低，适用于中到大型零件的制造。根据送进材料的形式，LMD可分为送粉式和送丝式。送粉式激光增材制造由于粉末不能完全进入熔池，粉末利用率相对较低，而且由于粉末对工作环境的污染，需要配备复杂的装置对粉末进行回收，成本高。相比于送粉式激光增材制造，送丝式激光增材制造材料的利用率大幅度提高，接近100％，且丝材的制作成本更低。
目前用于激光制造的主流激光器件均工作于红外波段。由于金属材料对红外波段激光的吸收率较低，无论是SLM，还是LMD，单位激光功率、单位时间熔化的材料量不高，即材料熔化沉积效率低。以不锈钢LMD为例，绝大多数文献报道的材料沉积效率不超过0.35kg/kW·h。例如申发明研究了316L不锈钢送丝式激光增材制造的成形工艺，材料沉积效率约为0.27kg/(kW·h)(申发明.不锈钢丝基激光增材制造成形工艺研究[D].哈尔滨工业大学,2015)。
针对LMD材料沉积效率低的问题，本发明人前期发明了一种送丝式激光增材制造方法(ZL 201810047415.2)，其中将焊丝和激光束以一定角度布置于基板的法线两侧，激光束作用于焊丝上，产生深熔小孔，焊丝以深熔模式吸收激光能量加热熔化，并过渡到基板表面形成熔覆层；穿过丝材后的激光束辐照基板表面，以热导模式对基板表面进行预热。该发明利用深熔模式加热熔化焊丝，材料沉积效率高达0.72kg/(kW·h)。但是，该发明因采用一束激光同时加热熔化焊丝和预热工件，不能自主调节激光能量的分配，存在工艺窗口窄、温度场和熔覆层形貌调控难等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既能显著提高材料沉积效率，又能方便调控温度场和熔覆层形貌的激光增材制造方法。
本发明的技术方案如下。
一种送丝式双光束激光增材制造方法，包括如下步骤：
将第一激光束、第二激光束和焊丝按照预定的方式布置；
将第一激光束作用于焊丝上，在焊丝端部诱导产生蒸发前沿，并以深熔模式吸收激光能量加热熔化焊丝，熔化材料过渡到基板上形成熔池和熔覆层；
将第二激光束作用于基板表面，以热导模式对基板进行预热。
优选地，所述焊丝为与所述基板相适应的金属材料。
优选地，所述焊丝为与所述基板不同的金属材料。
优选地，所述第一激光束与第二激光束布置在所述焊丝的两侧。
优选地，所述焊丝布置在所述基板法线沿着扫描方向的前方；所述第一激光束布置在所述焊丝的后方；所述第二激光束布置在所述焊丝的前方。
优选地，所述第一激光束与第二激光束布置在所述焊丝的同一侧。
优选地，所述焊丝与基板法线的夹角为-45°～+45°。
优选地，所述第一激光束与所述焊丝的夹角为15°～90°。
优选地，所述第一激光束作用于焊丝的位置距离基板表面的高度为1～6mm。
优选地，所述第二激光束作用在基板的位置和焊丝的相对距离为0～15mm。
凭借以上的技术方案，本发明能够获得以下有益效果。
加热熔化焊丝的激光以深熔模式加热熔化焊丝，焊丝熔化速率大大提高，进而大大提高沉积效率。
预热基板的激光以热导模式对基板进行预热，通过调节激光能量和光斑大小，自如调控温度场和熔覆层形貌，可有效避免成形不良、未熔合、裂纹等缺陷的形成。
附图说明
图1是本发明的送丝式双光束激光增材制造方法第一实施例示意图；
图2是本发明的送丝式双光束激光增材制造方法第二实施例示意图；
图3是本发明的送丝式双光束激光增材制造方法第三实施例示意图。
图中各个附图标记的含义如下：
1.焊丝，2.第一激光束，3.第二激光束，4.蒸发前沿，5.熔池，6.熔覆层，7.基板。
具体实施方式
下面结合具体的技术方案对本发明作进一步详细的描述。
根据本发明的一种送丝式双光束激光增材制造方法，包括如下步骤：
将第一激光束、第二激光束和焊丝按照预定的方式布置；
将第一激光束作用于焊丝上，在焊丝端部诱导产生蒸发前沿，并以深熔模式吸收激光能量加热熔化焊丝，熔化材料过渡到基板上形成熔池和熔覆层；
将第二激光束作用于基板表面，以热导模式对基板进行预热。
在一优选的实施方式中，所述焊丝为与所述基板相适应的金属材料。
在一优选的实施方式中，所述焊丝为与所述基板不同的金属材料。
在一优选的实施方式中，所述第一激光束与第二激光束布置在所述焊丝的两侧。
在一优选的实施方式中，所述焊丝布置在所述基板法线沿着扫描方向的前方；所述第一激光束布置在所述焊丝的后方；所述第二激光束布置在所述焊丝的前方。
在一优选的实施方式中，所述第一激光束与第二激光束布置在所述焊丝的同一侧。
在一优选的实施方式中，所述焊丝(1)与基板(7)法线的夹角为-45°～+45°。
在一优选的实施方式中，所述第一激光束(2)与所述焊丝(1)的夹角为15°～90°。
在一优选的实施方式中，所述第一激光束作用于焊丝的位置距离基板表面的高度为1～6mm。
在一优选的实施方式中，所述第二激光束作用在基板的位置和焊丝的相对距离为0～15mm。
实施例1
如图1所示，在本实施例中第一激光束2和第二激光束3以一定角度布置于焊丝1两侧。第二激光束3作用于基板7的表面，以热导模式对工件进行预热。第一激光束2作用于焊丝1上，形成深熔小孔及相应的蒸发前沿4，由此焊丝1以深熔模式吸收第一激光束2的能量，并过渡到基板7上形成熔池5和熔覆层6。
基板7是实施增材制造的工件表面，可以选用任何适用的金属材料。
焊丝1可以选用与基板1的材料相适应的材料。当焊丝1选用与基板7不同的材料时，可以形成与基板7不同材料的熔覆层6。
第一激光束2和第二激光束3可以由任何适用的激光器产生，通过光学聚焦系统聚焦在设定的位置。
在该实施方式中，焊丝1采用前置送丝方式布置，即焊丝1布置在基板法线的沿着系统扫描方向的前方，此时焊丝1与基板法线之间的夹角规定为正值。
在一优选的实施方式中，焊丝1与基板法线之间的夹角为0°～30°；第一激光束2与焊丝1的夹角为15°～60°；第一激光束2作用在焊丝上的光斑位置距离基板为1～6mm；第二激光束3以任意适宜的角度作用于基板表面，其与焊丝在基板上的相对距离为0～15mm。
此处所述的“热导模式”是指激光以较低的功率密度对基板表面进行预热，基板表面吸收激光能量后仅引起基板材料的固态升温。
此处所述的“深熔模式”是指激光以较高的功率密度对焊丝进行加热，焊丝吸收激光的能量后深度熔化并产生蒸发，从而在焊丝上形成深熔小孔及相应的蒸发前沿。
实施例2
如图2所示，在本实施例中第一激光束2和第二激光束3都以一定角度布置于焊丝1的前方。第二激光束3作用于基板7的表面，以热导模式对工件进行预热。第一激光束2作用于焊丝1上，形成蒸发前沿4，由此焊丝1以深熔模式吸收第一激光束2的能量，并过渡到基板7上形成熔池5和熔覆层6。
基板7是实施增材制造的工件表面，可以选用任何适用的金属材料。
焊丝1可以选用与基板1的材料相适应的材料。当焊丝1选用与基板7不同的材料时，可以形成与基板7不同材料的熔覆层6。
第一激光束2和第二激光束3可以由任何适用的激光器产生，通过光学聚焦系统聚焦在设定的位置。
在该实施方式中，焊丝1采用后置送丝方式布置，即焊丝1布置在基板法线的沿着系统扫描方向的后方，此时焊丝1与基板法线之间的夹角规定为负值。
在一优选的实施方式中，焊丝1与基板法线之间的夹角为-15°～-45°；第一激光束2与焊丝1的夹角15°～60°；第一激光束2作用在焊丝上的光斑位置距离基板为1～6mm；第二激光束3以任意适宜的角度作用于基板表面，其与焊丝在基板上的相对距离为0～15mm。
此处所述的“热导模式”是指激光以较低的功率对基板表面进行预热，基板表面吸收激光能量后仅引起基板材料固态升温。
此处所述的“深熔模式”是指激光以较高的功率密度对焊丝进行加热，焊丝吸收激光能量后深度熔化并产生蒸发，从而在焊丝上形成相应的蒸发前沿。
实施例3
如图3所示，在本实施例第一激光束2和第二激光束3以一定角度布置于焊丝1的后方。第二激光束3作用于基板7的表面，以热导模式对工件进行预热。第一激光束2作用于焊丝1上，形成深熔小孔及相应的蒸发前沿4，由此焊丝1以深熔模式吸收第一激光束2的能量，并过渡到基板7上形成熔池5和熔覆层6。
基板7是实施增材制造的工件表面，可以选用任何适用的金属材料。
焊丝1可以选用与基板1的材料相适应的材料。当焊丝1选用与基板7不同的材料时，可以形成与基板7不同材料的熔覆层6。
第一激光束2和第二激光束3可以由任何适用的激光器产生，通过光学聚焦系统聚焦在设定的位置。
在该实施方式中，焊丝1采用前置送丝方式布置，即焊丝1布置在基板法线的沿着系统扫描方向的前方，此时焊丝1与基板法线之间的夹角度规定为正值。
在一优选的实施方式中，焊丝1与基板法线之间的夹角为15°～45°；第一激光束2与焊丝1的夹角为30°～90°；第一激光束2作用在焊丝上的光斑位置距离基板为1～6mm；第二激光束3以任意适宜的角度作用于基板表面，其与焊丝在基板上的相对距离为2～15mm。
此处所述的“热导模式”是指激光以较低的功率对基板表面进行预热，基板表面吸收激光能量后仅引起基板材料固态升温。
此处所述的“深熔模式”是指激光以较高的功率密度对焊丝进行加热，焊丝吸收激光能量后深度熔化并产生蒸发，从而在焊丝上形成深熔小孔及相应的蒸发前沿。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，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示的技术范围内，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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
将第一激光束(2)、第二激光束(3)和焊丝(1)按照预定的方式布置；
将第一激光束(2)作用于焊丝(1)上，在焊丝端部诱导产生蒸发前沿(4)，并以深熔模式吸收激光能量加热熔化焊丝，熔化材料过渡到基板上形成熔池(5)和熔覆层(6)，所述第一激光束作用于焊丝的位置距离基板表面的高度为1～6mm；
将第二激光束(3)作用于基板(7)表面，以热导模式对基板进行预热。
2.根据权利要求1所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述焊丝(1)为与所述基板(7)相适应的金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述焊丝(1)为与所述基板(7)不同的金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述第一激光束(2)与第二激光束(3)布置在所述焊丝(1)的两侧。
5.根据权利要求4所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述焊丝(1)布置在所述基板(7)法线沿着扫描方向的前方；所述第一激光束(2)布置在所述焊丝(1)的后方；所述第二激光束(3)布置在所述焊丝(1)的前方。
6.根据权利要求1所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述第一激光束(2)与第二激光束(3)布置在所述焊丝(1)的同一侧。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述焊丝(1)与基板(7)法线的夹角为-45°～+45°。
8.根据权利要求7所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述第一激光束(2)与所述焊丝(1)的夹角为15°～90°。
9.根据权利要求7所述的一种送丝式双光束激光增材制造方法，其特征在于，所述第二激光束作用在基板的位置和焊丝的相对距离为0～15mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113278962B (zh) * 2021-04-16 2022-12-09 北京工业大学 基于粉芯焊丝深熔模式的刀具刃口激光熔覆层制备方法
CN113770468B (zh) * 2021-08-27 2022-05-27 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 光束焊接设备、方法、装置、存储介质和电子装置
CN114752934A (zh) * 2022-04-12 2022-07-15 北京工业大学 一种铜表面双光束送丝式激光熔覆方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10994371B2 (en) * 2016-02-24 2021-05-04 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. System and method for depositing a metal to form a three-dimensional part
CN107442941A (zh) * 2017-09-04 2017-12-08 南京理工大学 一种铝合金双丝激光增材制造方法
CN108672936B (zh) * 2018-05-17 2020-04-10 湖南科技大学 一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法
CN109108284A (zh) * 2018-09-03 2019-01-01 江苏典悦三维科技有限公司 采用双激光束和超声冲击的复合增材制造方法
CN111571017A (zh) * 2020-04-30 2020-08-25 南京理工大学 一种双激光束电弧多热源复合增材方法

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