CN112548343B - 一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超快‑连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺，包括：利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，去除送粉增材制造金属材料表面宏观凸起的沉积层，得到具有平坦的加工表面的样件；将样件放入隔氧容器中并通入保护气体，利用连续激光对样件的加工表面进行激光抛光，使加工表面材料升温并达到熔融状态，液态材料的表面张力形成材料微流动，去除激光微铣削加工留下的微观形貌，经冷却凝固形成光滑表面，实现送粉增材制造金属材料表面从大波纹度至亚微米级别的表面抛光。本发明为非接触式抛光，不会在材料表面产生机械应力，避免引入相关加工缺陷；相比于传统抛光工艺，可实现自动化加工，且加工效率高、环境污染小。
Description
技术领域
本发明涉及送粉式增材制造金属材料表面激光抛光加工领域，具体地，涉及一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺。
背景技术
Ti-6Al-4V(TC4)钛合金有着强度高、密度小、耐腐蚀性强、耐热性好生物相容性好等优点，被广泛用于航空航天、医药医学、海洋船舶等领域，尤其适用于人体组织以及发动机风扇、叶片、飞机结构件等关键零部件，但其属于较难加工的金属材料之一，传统的机械加工难以满足TC4钛合金零件日益发展的精密化以及复杂化，但增材制造技术应用于TC4钛合金零件的制造，可以有效解决其难加工的劣势。
增材制造成型的金属零件表面存在波纹度或是表面较为粗糙，因此需要经过表面抛光方可应用于实际，尽管对于零件的表面抛光现有较多加工方式可供选择，但大多存在较多劣势、加工效率低并且较难以完成复杂表面的抛光。激光抛光作为随着激光加工技术发展而衍生出的一种新型表面加工处理方式，可大大提高零件的抛光效率并且适用于各类复杂表面的加工，因此激光抛光可更好的胜任增材制造TC4钛合金零件的表面抛光。当前最为典型的两种激光增材制造工艺分别为基于铺粉的选区激光熔化技术以及基于送粉的激光熔覆沉积技术。基于铺粉的选区激光熔化技术成型的金属零件表面粗糙度较大但不存在表面波纹度，可通过激光抛光直接对其表面进行加工，相比于铺粉式增材制造，基于送粉的激光熔覆沉积技术成型的金属零件受限于其表面的波纹度以及激光光斑的微尺度，无法直接通过激光抛光改善其表面质量。
目前对于送粉式增材制造金属零件的表面激光抛光研究较为稀少，大多加工表面均不涉及表面波纹度。例如，申请号为201410315813.X的中国专利，公开了增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法；以及申请号为201710244392.X的中国专利，公开了一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法，由于激光抛光过程中光斑处熔池尺寸远小于形成波纹度的宏观凸起，因此上述专利采用单步的激光抛光无法通过液态材料流动的方式较好地去除材料表面的波纹度，上述专利的激光抛光的对象均不涉及表面波纹度，基本等同于仅仅降低平面的表面的粗糙度，难以较好地提高送粉式增材制造金属零件的表面质量。另外，申请号为201811546932.0的中国专利，虽同为复合异步激光抛光加工工艺，但其主要针对陶瓷材料，而陶瓷材料表面不涉及表面波纹度，且该专利仅仅将陶瓷材料表面粗糙度从Ra1.8μm左右降低至Ra 0.6μm左右。粗糙度属于微观几何形状误差，波纹度属于微观和宏观之间的几何误差，由于激光抛光过程中光斑处熔池尺寸远小于形成波纹度的宏观凸起，因此单步的激光抛光无法通过液态材料流动的方式较好地去除材料表面的波纹度，难以较好地提高送粉式增材制造金属零件的表面质量。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺。
本发明提供一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺，包括：
利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，去除送粉增材制造金属材料表面宏观凸起的沉积层，得到具有平坦的加工表面的样件；
将所述样件放入隔氧容器中并通入保护气体，利用连续激光对所述样件的加工表面进行激光抛光，使加工表面材料升温并达到熔融状态，通过液态材料的表面张力形成材料微流动，从而去除激光微铣削加工留下的微观形貌，之后经冷却凝固形成光滑表面，实现送粉增材制造金属材料表面从大波纹度至亚微米级别的表面抛光。
优选地，所述利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，其中，利用皮秒激光沿事先预定好的弓字型扫描路径对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削。
优选地，所述利用皮秒激光沿事先预定好的弓字型扫描路径对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，其中，皮秒激光采用以下工艺参数：皮秒激光加工时采用正离焦加工，离焦量为1mm-2mm，光斑直径约为68.52μm-132.67μm；皮秒激光的单脉冲能量为20μJ-40μJ，重复频率400kHz-1000kHz；皮秒激光扫描速度为100mm/s-500mm/s，弓字型扫描路径的间距为5μm-50μm，激光扫描重复次数为10次-50次。
采用皮秒激光加工部分需要去除宏观材料表面宏观凸起并获得平整表面，通过实验手段获得以上工艺窗口可达到预定的加工目标并获得相对较优的加工质量。在此工艺窗口外选择加工参数可能导致材料表面零件宏观凸起去除不完全，从而导致获得的加工表面依旧不平整。
优选地，所述利用连续激光对所述样件的加工表面进行激光抛光，其中，连续激光采用以下工艺参数：连续激光的功率为100W-200W；激光抛光加工时采用正离焦加工，离焦量为1mm-3mm；连续激光扫描速度为5mm/s-20mm/s，弓字型扫描路径的间距为50μm-200μm。
优选地，所述送粉增材制造金属材料为TC4钛合金材料。
优选地，所述将样件放入隔氧容器中并通入保护气体，其中，所述保护气为氩气。
优选地，对经冷却凝固形成光滑表面的粗糙度进行测量，粗糙度降低至Ra 1μm以下。
送粉增材制造零件的表面由于具有较大的波纹度以及较大的表面粗糙度，无法进行实际应用，因此需经过表面抛光方可应用于实际。而激光抛光工艺受限于激光光斑的微尺度，无法直接通过液态材料流动的方式改善送粉增材制造零件的表面质量。因此，上述方法提出结合超快激光以及连续激光的异步抛光工艺，首先采用超快激光的去除效应将材料表面的宏观凸起去除，使材料表面波纹度降低90％以上，起伏高度差在50μm范围以内；其次采用激光抛光工艺对材料表面进行加工，通过液态材料流动的方式进一步提高材料的表面质量，使激光抛光表面的粗糙度降低至Ra 1μm以下的亚微米级别。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
1、本发明上述方法，采用超快激光与连续激光复合异步抛光工艺，首先利用超快激光对材料表面进行激光微铣削，通过材料去除的方式降低材料表面的波纹度，形成具有一定粗糙度的平面后再通过连续激光抛光工艺进一步改善加工表面，从而进一步降低加工表面的粗糙度，克服了单步激光抛光工艺无法较好地对材料表面波纹度进行改善，实现了送粉增材制造金属材料的表面激光抛光；且上述工艺过程为非接触式抛光，不会在材料表面产生机械应力，避免引入相关加工缺陷。
2、本发明上述方法，相比于传统抛光工艺，本方法抛光工艺可实现自动化加工，并且加工效率高、环境污染小。
3、本发明上述方法，加工对象广，可加工曲面或是平面的材料表面，也可对硬脆金属材料进行加工。
4、本发明上述方法，加工精度高，结合超快激光铣削以及连续激光抛光可实现材料表面从大波纹度至亚微米级别的表面抛光。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例的超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺的加工原理示意图；
图2是本发明一优选实施例的送粉增材制造金属材料的原始表面以及加工表面示意图的对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，为本发明一优选实施例的超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺的加工原理示意图，该工艺包括以下步骤：
S1：利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，去除送粉增材制造金属材料表面宏观凸起的沉积层，得到具有平坦的加工表面的样件；初步实现送粉增材制造金属材料表面的平坦化，为连续激光抛光提供可行的加工条件。
S2：将经S1激光微铣削成型的样件放入隔氧容器中并向隔氧容器通入保护气体，利用连续激光对样件的加工表面进行激光抛光，使加工表面材料升温并达到熔融状态，通过液态材料的表面张力形成材料微流动，从而去除激光微铣削加工留下的微观形貌，之后经冷却凝固形成光滑表面，实现送粉增材制造金属材料表面从大波纹度至亚微米级别的表面抛光。
上述步骤中先采用超快激光的去除效应将材料表面的宏观凸起去除，使材料表面波纹度降低90％以上，起伏高度差在50μm范围以内；其次采用激光抛光工艺对材料表面进行加工，通过液态材料流动的方式进一步提高材料的表面质量，使激光抛光表面的粗糙度降低至Ra 1μm以下的亚微米级别。
在其他部分优选实施例中，利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，其中，利用皮秒激光沿事先预定好的弓字型扫描路径对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削。
在其他部分优选实施例中，利用皮秒激光沿事先预定好的弓字型扫描路径对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，其中，皮秒激光采用以下工艺参数：皮秒激光加工时采用正离焦加工，离焦量为1mm，光斑直径约为68.52μm；皮秒激光的单脉冲能量为25μJ，重复频率400kHz；皮秒激光扫描速度为100mm/s，弓字型扫描路径的间距为10μm，激光扫描重复次数为50次。
在其他部分优选实施例中，利用连续激光对所述样件的加工表面进行激光抛光，其中，连续激光采用以下工艺参数：连续激光的功率为150W；激光抛光加工时采用正离焦加工，离焦量为3mm；连续激光扫描速度为10mm/s，弓字型扫描路径的间距为150μm。
在其他部分优选实施例中，送粉增材制造金属材料为TC4钛合金材料。
在其他部分优选实施例中，将样件放入隔氧容器中并通入保护气体，其中，保护气为氩气。
在其他部分优选实施例中，对经冷却凝固形成光滑表面的粗糙度进行测量，粗糙度降低至Ra 1μm以下。
提供一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺的应用例，用于对送粉式增材制造TC4钛合金样件的表面进行加工，具体采用以下步骤：
对送粉式增材制造TC4钛合金样件进行异步抛光，首先将样件放置于皮秒激光加工平台上并采用皮秒激光对其表面进行扫描。加工过程中采用正离焦加工，离焦量为1mm，此时光斑直径约为68.52μm；皮秒激光的单脉冲能量为25μJ；重复频率400kHz；皮秒激光扫描速度为100mm/s，“弓字型”扫描路径的间距为10μm，激光扫描重复次数为50次。待皮秒激光加工结束后将加工样件从加工平台取下，利用三维形貌仪对其加工表面进行测量，材料表面波纹度基本消失，表面粗糙度测量为Ra 4.89μm，如图2所示(图中左侧单位为μm的数字代表了材料表面起伏高度)。测量完后将样件放置于隔氧容器中置于连续激光加工平台上并通入氩气。调整激光头高度使激光正离焦3mm并对材料表面进行激光抛光。抛光过程中连续激光功率为150W，激光扫描速度为10mm/s，“弓字型”扫描路径的间距为150μm。抛光结束后将样件取出，利用三维形貌仪对其加工表面进行测量，材料表面粗糙度从Ra 4.89μm降低至Ra 0.55μm，如图2所示，图中竖线为采用超快激光加工表面形貌图与超快激光+连续激光加工表面形貌图的分割线。
上述实施例提出金属材料表面的除了存在粗糙度以外，还存在有较大的表面波纹度，在金属材料表面已形成了宏观凸起以及凹陷，因此在对金属材料进行表面处理时，需要考虑到针对表面波纹缺陷进行处理；而现有技术中往往忽视了针对表面波纹度处理，从而导致金属零件表面不平整；上述实施例提出首先利用皮秒激光去除零件表面肉眼可见的宏观凸起与凹陷，将零件表面加工成平整并带有一定粗糙度的平面，降低金属材料表面的波纹度；形成具有一定粗糙度的平面后再采用连续激光进一步降低表面粗糙度；即通过两步协同下，能有效地去除宏观凸起并获得平整表面的目的不同。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
Claims (3)
1.一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺，其特征在于，包括：
利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，去除送粉增材制造金属材料表面宏观凸起的沉积层，得到具有平坦的加工表面的样件；所述送粉增材制造金属材料为TC4钛合金材料；
将所述样件放入隔氧容器中并通入保护气体，利用连续激光对所述样件的加工表面进行激光抛光，使加工表面材料升温并达到熔融状态，通过液态材料的表面张力形成材料微流动，从而去除激光微铣削加工留下的微观形貌，之后经冷却凝固形成光滑表面，实现送粉增材制造金属材料表面从大波纹度至亚微米级别的表面抛光；
所述利用超快激光对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削，其中，利用皮秒激光沿事先预定好的弓字型扫描路径对送粉增材制造金属材料表面进行激光微铣削；其中，皮秒激光采用以下工艺参数：皮秒激光加工时采用正离焦加工，离焦量为1mm-2mm，光斑直径为68.52μm-132.67μm；皮秒激光的单脉冲能量为20μJ-40μJ，重复频率400kHz-1000kHz；皮秒激光扫描速度为100mm/s-500mm/s，弓字型扫描路径的间距为5μm-50μm，激光扫描重复次数为10次-50次；
所述利用连续激光对所述样件的加工表面进行激光抛光，其中，连续激光采用以下工艺参数：连续激光的功率为100W-200W；激光抛光加工时采用正离焦加工，离焦量为1mm-3mm；连续激光扫描速度为5mm/s-20mm/s，弓字型扫描路径的间距为50μm-200μm。
2.根据权利要求1所述的超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺，其特征在于，将所述样件放入隔氧容器中并通入保护气体，其中，所述保护气为氩气。
3.根据权利要求1-2任一项所述的超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺，其特征在于，对经冷却凝固形成光滑表面的粗糙度进行测量，粗糙度降低至Ra1μm以下。
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2020
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