CN112680590B - 基于光纤传输的增材制造强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置及方法，包括：控制系统、增材制造装置、激光冲击强化装置和操作台；控制系统分别与增材制造装置、激光冲击强化装置和操作台电性连接；增材制造装置和激光冲击强化装置分别安装在操作台上；控制系统根据待加工的金属基材生成相应的加工路径；操作台根据加工路径交替控制增材制造装置的动作执行端和激光冲击强化装置的动作执行端做多自由运动。本发明能够实现激光增材制造过程中对成型构件进行激光冲击表面强化，有效地解决传统增材构件残余拉应力导致的疲劳性能下降问题，适用于制备高可靠性的激光增材构件。

Description

基于光纤传输的增材制造强化装置及方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，更具体的说是涉及一种基于光纤传输的增材制造强化装置及方法。

背景技术

同步送粉激光增材是利用快速成形技术的“叠层累加”原理和激光熔覆沉积(Laser Cladding Deposition，LCD)技术的有机结合，以金属粉末为成形原材料，以高能束的激光作为热源，根据成形零件CAD模型分层切片信息的加工路径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。

目前普遍采用同步送粉激光增材制造方法制备增材构件，但是其制备出的增材构建具有残余拉应力，容易导致疲劳性能下降，可靠性较低。

而激光冲击强化(Laser shock peening，LSP)作为一种新型的表面改性技术，其主要利用高功率密度(GW·cm-2量级)、短脉宽(ns量级)的第一激光束辐照材料表面，使吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化并形成高温高压等离子体，等离子体受到隔离层的限制形成高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生均匀密集的位错结构。同时在成型区域产生有益的残余压应力，能够有效抵消工件因机械加工形成的有害拉应力，从而提高金属构件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。

但是，现有的激光冲击强化采用光学镜片的传输方式，具有稳定性较差，需要定期维护和调节。而光纤传输具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠和成本低的特性。

因此，如何提供一种基于光纤传输的同步送粉激光增材与激光冲击相结合的制造方法及装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，能够实现激光增材制造过程中对成型构件进行激光冲击表面强化，有效地解决传统增材构件残余拉应力导致的疲劳性能下降问题，适用于制备高可靠性的激光增材构件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，包括：控制系统、增材制造装置、激光冲击强化装置和操作台；所述控制系统分别与所述增材制造装置、所述激光冲击强化装置和所述操作台电性连接；

所述增材制造装置和所述激光冲击强化装置分别安装在所述操作台上；

所述控制系统根据待加工的金属基材生成相应的加工路径；所述操作台根据所述加工路径交替控制所述增材制造装置的动作执行端和所述激光冲击强化装置的动作执行端做多自由运动。

优选的，所述操作台包括龙门式机器人、工作台和基板；所述龙门式机器人固定在所述工作台上，且其悬梁处设置有导轨；所述基板水平铺设在所述工作台表面，并与所述龙门式机器人的悬梁上下对应；所述基板用于承载所述金属基材。

优选的，所述控制系统包括计算机和中控台；所述中控台分别与所述计算机和所述龙门式机器人通信连接。

优选的，所述增材制造装置包括第一机械手、第一光纤激光器、第一聚焦系统、同步送粉器、金属粉末喷嘴、保护气体储气罐、保护气体喷嘴和冷却装置；所述第一光纤激光器和所述同步送粉器分别与所述中控台通信连接；

所述第一机械手安装在所述导轨上，并与所述龙门式机器人的控制端通信连接，其根据所述龙门式机器人发出的控制信号在所述导轨上做多自由度运动；

所述第一光纤激光器和所述第一聚焦系统均固定在所述第一机械手上；所述第一光纤激光器的激光发射端通过光缆与所述第一聚焦系统连接；

所述第一聚焦系统用于将所述第一光纤激光器发出的激光进行聚焦处理形成第一激光束；所述第一激光束照射至所述金属基材，形成液态熔室；

所述金属粉末喷嘴与所述同步送粉器相连通；

所述保护气体喷嘴与所述保护气体储气罐相连通；

所述金属粉末喷嘴的喷射口和所述保护气体喷嘴的喷射口均朝向所述第一激光束的发射光路；经所述金属粉末喷嘴的喷射口喷射出的金属粉末与所述第一激光束作用后，移至所述液态熔室，形成熔覆层；

所述冷却装置与所述第一聚焦系统固定连接，并包覆在所述第一激光束与所述金属粉末相作用的区域，其用于对所述第一激光束与所述金属粉末作用时产生的热量进行降温处理。

优选的，所述金属基材和所述金属粉末的材质为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金或镁合金。

优选的，所述第一光纤激光器的激光功率为2000W-8000W，扫描速度为0.01-0.2m/s；所述同步送粉器的送粉速度为1g/min-80g/min；所述熔覆层厚度为0.2mm-0.8mm。

优选的，所述保护气体储气罐用于储存并输送氩气。

优选的，所述金属粉末喷嘴相对所述第一激光束对称设置有两个。

优选的，所述激光冲击强化装置包括第二机械手、第二光纤激光器和第二聚焦系统；所述第二光纤激光器与所述中控台通信连接；

所述第二机械手安装在所述导轨上，并与所述龙门式机器人的控制端通信连接，其根据所述龙门式机器人发出的控制信号在所述导轨上做多自由度运动；

所述第二光纤激光器和所述第二聚焦系统均固定在所述第二机械手上；所述第二光纤激光器的激光发射端通过光缆与所述第二聚焦系统连接；

所述第二聚焦系统用于将所述第二光纤激光器发出的激光进行聚焦处理形成第二激光束；所述第二激光束作用于所述熔覆层。

优选的，所述第二光纤激光器的单脉冲能量为0.01-4J，脉冲为10-15ns，冲频为1-1000Hz。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，具有以下有益效果：

1、本发明将同步送粉激光增材制造和激光冲击强化相结合，结构简单、操作简单、且适用性强；同时在龙门式机器人的作用下实现对整个制造流程的精准控制，并提升装置整体的灵活性。

2、本发明在同步送粉激光增材制造过程中进行激光强化处理，实现增材构件在一定温度范围内实现激光冲击塑性变形，消除内部缺陷，调控表面残余应力，并将激光增材制造过程中增材构件表面的残余拉应力转变为残余压应力，实现了对增材构件表面强化处理，并缩短制造周期。

3、本发明以先进的光纤传输代替传统激光冲击强化中光学镜片传输方式，能够更加高效快速地生产预设形状的增材构件，有效地解决传统增材构件残余拉应力导致的疲劳性能下降问题，适用于制备高可靠性的激光增材构件。

本发明还提供一种基于光纤传输的激光增材制造强化方法，其适用于上述的基于光纤传输的激光增材制造强化装置，包括以下步骤：

S1、启动所述控制系统、所述增材制造装置、所述激光冲击强化装置和所述操作台；

S2、设定所述增材制造装置和所述激光冲击强化装置的工艺参数；

S3、通过所述控制系统分别生成所述增材制造装置和所述激光冲击强化装置加工路径；

S4、所述增材制造装置进入所述操作台，并根据所述加工路径进行逐层金属粉尘沉积，沉积2-5层后，退出所述操作台；

S5、所述激光冲击强化装置进入所述操作台，并根据所述加工路径对沉积层进行激光冲击强化处理，处理完成后退出所述操作台；

S6、重复执行S3-S4，获得最终成型件。

经由上述技术方案可知，本发明在同步送粉激光增材制造过程中进行激光强化处理，在金属粉尘每沉积2-5层之后，进行一次激光强化处理，通过在热态下对增材表面进行激光冲击强化，消除增材构件内部的气孔、裂纹、并调控增材构件的表面应力状态，整个制造过程中无隔离层(水、玻璃等)和吸收层(铝箔、胶带等)，从而达到改善构件性能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的基于光纤传输的激光增材制造强化装置的结构示意图；

图2附图为本发明提供的基于光纤传输的激光增材制造强化装置的结构框图；

图3附图为本发明提供的基于光纤传输的激光增材制造强化方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明实施例公开了一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，包括：控制系统1、增材制造装置2、激光冲击强化装置3和操作台4；控制系统1分别与增材制造装置2、激光冲击强化装置3和操作台4电性连接；

增材制造装置2和激光冲击强化装置3分别安装在操作台4上；

控制系统1根据待加工的金属基材5生成相应的加工路径；操作台4根据加工路径交替控制增材制造装置2的动作执行端和激光冲击强化装置3的动作执行端做多自由运动。

其中，操作台4包括龙门式机器人41、工作台42和基板43；龙门式机器人41固定在工作台42上，且其悬梁处设置有导轨411；基板43水平铺设在工作台42表面，并与龙门式机器人41的悬梁上下对应；基板43用于承载金属基材5。

控制系统1包括计算机11和中控台12；中控台12分别与计算机11和龙门式机器人41通信连接。

在一个实施例中，增材制造装置2包括第一机械手21、第一光纤激光器22、第一聚焦系统23、同步送粉器24、金属粉末喷嘴25、保护气体储气罐26、保护气体喷嘴27和冷却装置28；第一光纤激光器22和同步送粉器24分别与中控台12通信连接；

第一机械手21安装在导轨411上，并与龙门式机器人41的控制端通信连接，其根据龙门式机器人41发出的控制信号在导轨411上做多自由度运动；

第一光纤激光器22和第一聚焦系统23均固定在第一机械手21上；第一光纤激光器22的激光发射端通过光缆与第一聚焦系统23连接；

第一聚焦系统23用于将第一光纤激光器22发出的激光进行聚焦处理形成第一激光束29；第一激光束29照射至金属基材5，形成液态熔室；

金属粉末喷嘴25与同步送粉器24相连通；

保护气体喷嘴27与保护气体储气罐26相连通；保护气体储气罐26可以存储氩气，实现在激光增材制造过程的气体保护。

金属粉末喷嘴25的喷射口和保护气体喷嘴27的喷射口均朝向第一激光束29的发射光路；经金属粉末喷嘴25的喷射口喷射出的金属粉末与第一激光束29作用后，移至液态熔室，形成熔覆层；

冷却装置28与第一聚焦系统23固定连接，并包覆在第一激光束29与金属粉末相作用的区域，其用于对第一激光束29与金属粉末作用时产生的热量进行降温处理。

更有利的，金属粉末喷嘴25相对第一激光束29对称设置有两个，实现匀速、均匀送粉作业。

在另一个实施例中，激光冲击强化装置3包括第二机械手31、第二光纤激光器32和第二聚焦系统33；第二光纤激光器32与中控台12通信连接；

第二机械手31安装在导轨411上，并与龙门式机器人41的控制端通信连接，其根据龙门式机器人41发出的控制信号在导轨411上做多自由度运动；

第二光纤激光器32和第二聚焦系统33均固定在第二机械手31上；第二光纤激光器32的激光发射端通过光缆与第二聚焦系统33连接；

第二聚焦系统33用于将第二光纤激光器32发出的激光进行聚焦处理形成第二激光束34；第二激光束34作用于熔覆层。

在一个实施例中，金属基材5和金属粉末的材质为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金或镁合金。

第一光纤激光器22的激光功率为2000W-8000W，扫描速度为0.01-0.2m/s；同步送粉器24的送粉速度为1g/min-80g/min；熔覆层厚度为0.2mm-0.8mm。

第二光纤激光器32的单脉冲能量为0.01-4J，脉冲为10-15ns，冲频为1-1000Hz。

本发明通过龙门式机器人41控制第一机械手21和第二机械手22实现多角度、多方向的的多自由度运动，实现增材制造装置2和激光冲击强化装置3的交替作业，实现对整个制造过程的灵活、精准控制。

具体的，所述金属基材(5)和所述金属粉末的材质为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金或镁合金等合金体系。

所述第一光纤激光器(22)的激光功率为2000W-8000W，扫描速度为0.01-0.2m/s；所述同步送粉器(24)的送粉速度为1g/min-80g/min；所述熔覆层厚度为0.2mm-0.8mm。其产生的光斑类型为圆形【搭接率20％-50％】或方形【搭接率20％-50％】。

所述第二光纤激光器(32)的单脉冲能量为0.01-4J，脉冲为10-15ns，冲频为1-1000Hz。光斑类型为圆形【搭接率25％-80％】或方形【搭接率10％-50％】。光斑直径为0.1-1mm。

本发明基于光纤传输的激光增材制造强化装置的工作流程如下：

计算机11根据增材构件的具体形状生成相应的加工路径和各装置的工艺参数，并将加工路径依次传输至中控台12和龙门式机器人41，将工艺参数传输至中控台12；龙门式机器人41根据加工路径交替控制第一机械手21和第二机械手22做多自由运动；中控台12根据工艺参数分别控制第一光纤激光器22、同步送粉器24和第二光纤激光器32的工作状态，以实现激光增材制造和激光强化过程。

激光增材制造过程中，第一机械手21在龙门式机器人41的控制下沿导轨411朝向指定角度，第一光纤激光器22发出激光经第一聚焦系统23聚焦形成第一激光束29，第一激光束29直接照射至金属基材表面，形成液态熔室；与此同时，同步送粉器24输送金属粉末至金属粉末喷嘴25，保护气体储气罐26输送保护气体至保护气体喷嘴27，金属粉末和保护气体同时喷射至第一激光束29的发射光路，并同时移至液态熔室，形成熔覆层；当熔覆层沉积预设层数后，开启激光强化。

此时，第一机械手21在龙门式机器人41的控制下沿导轨411退出操作台，第二机械手31在龙门式机器人41的控制下沿导轨411进入操作台4，并朝向指定角度，第二光纤激光器32发出激光经第二聚焦系统33聚焦形成第二激光束34，第二激光束34直接作用与熔覆层上，进行强化处理，调控表面残余应力，如此往复，最终获得成型构件。

如图3所示，本发明实施例还公开一种基于光纤传输的激光增材制造强化方法，其适用于上述的基于光纤传输的激光增材制造强化装置，包括以下步骤：

S1、启动控制系统1、增材制造装置2、激光冲击强化装置3和操作台4；

S2、设定增材制造装置2和激光冲击强化装置3的工艺参数；主要工艺参数包括激光功率、扫描速度和送粉速度等。

S3、通过控制系统1分别生成增材制造装置2和激光冲击强化装置3加工路径；

S4、增材制造装置2进入操作台4，并根据加工路径进行逐层金属粉尘沉积，沉积2-5层后，退出操作台4；

S5、激光冲击强化装置3进入操作台4，并根据加工路径对沉积层进行激光冲击强化处理，处理完成后退出操作台4；

S6、重复执行S3-S4，获得最终成型件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，包括：控制系统（1）、增材制造装置（2）、激光冲击强化装置（3）和操作台（4）；所述控制系统（1）分别与所述增材制造装置（2）、所述激光冲击强化装置（3）和所述操作台（4）电性连接；

所述增材制造装置（2）和所述激光冲击强化装置（3）分别安装在所述操作台（4）上；

所述控制系统（1）根据待加工的金属基材（5）生成相应的加工路径；所述操作台（4）根据所述加工路径交替控制所述增材制造装置（2）的动作执行端和所述激光冲击强化装置（3）的动作执行端做多自由运动；

所述操作台（4）包括龙门式机器人（41）、工作台（42）和基板（43）；所述龙门式机器人（41）固定在所述工作台（42）上，且其悬梁处设置有导轨（411）；所述基板（43）水平铺设在所述工作台（42）表面，并与所述龙门式机器人（41）的悬梁上下对应；所述基板（43）用于承载所述金属基材（5）；

所述增材制造装置（2）包括第一机械手（21），所述第一机械手（21）安装在所述导轨（411）上，并与所述龙门式机器人（41）的控制端通信连接，其根据所述龙门式机器人（41）发出的控制信号在所述导轨（411）上做多自由度运动；

所述激光冲击强化装置（3）包括第二机械手（31），所述第二机械手（31）安装在所述导轨（411）上，并与所述龙门式机器人（41）的控制端通信连接，其根据所述龙门式机器人（41）发出的控制信号在所述导轨（411）上做多自由度运动；

所述控制系统（1）包括计算机（11）和中控台（12）；所述中控台（12）分别与所述计算机（11）和所述龙门式机器人（41）通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，所述增材制造装置（2）包括第一光纤激光器（22）、第一聚焦系统（23）、同步送粉器（24）、金属粉末喷嘴（25）、保护气体储气罐（26）、保护气体喷嘴（27）和冷却装置（28）；所述第一光纤激光器（22）和所述同步送粉器（24）分别与所述中控台（12）通信连接；

所述第一光纤激光器（22）和所述第一聚焦系统（23）均固定在所述第一机械手（21）上；所述第一光纤激光器（22）的激光发射端通过光缆与所述第一聚焦系统（23）连接；

所述第一聚焦系统（23）用于将所述第一光纤激光器（22）发出的激光进行聚焦处理形成第一激光束（29）；所述第一激光束（29）照射至所述金属基材（5），形成液态熔室；

所述金属粉末喷嘴（25）与所述同步送粉器（24）相连通；

所述保护气体喷嘴（27）与所述保护气体储气罐（26）相连通；

所述金属粉末喷嘴（25）的喷射口和所述保护气体喷嘴（27）的喷射口均朝向所述第一激光束（29）的发射光路；经所述金属粉末喷嘴（25）的喷射口喷射出的金属粉末与所述第一激光束（29）作用后，移至所述液态熔室，形成熔覆层；

所述冷却装置（28）与所述第一聚焦系统（23）固定连接，并包覆在所述第一激光束（29）与所述金属粉末相作用的区域，其用于对所述第一激光束（29）与所述金属粉末作用时产生的热量进行降温处理。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，所述金属基材（5）和所述金属粉末的材质为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金或镁合金。

4.根据权利要求2所述的一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，所述第一光纤激光器（22）的激光功率为2000W-8000W，扫描速度为0.01-0.2m/s；所述同步送粉器（24）的送粉速度为1g/min-80g/min；所述熔覆层厚度为0.2mm-0.8mm。

5.根据权利要求2所述的一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，所述金属粉末喷嘴（25）相对所述第一激光束（29）对称设置有两个。

6.根据权利要求2所述的一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，所述激光冲击强化装置（3）包括第二光纤激光器（32）和第二聚焦系统（33）；所述第二光纤激光器（32）与所述中控台（12）通信连接；

所述第二光纤激光器（32）和所述第二聚焦系统（33）均固定在所述第二机械手（31）上；所述第二光纤激光器（32）的激光发射端通过光缆与所述第二聚焦系统（33）连接；

所述第二聚焦系统（33）用于将所述第二光纤激光器（32）发出的激光进行聚焦处理形成第二激光束（34）；所述第二激光束（34）作用于所述熔覆层。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，所述第二光纤激光器（32）的单脉冲能量为0.01-4J，脉冲为10-15ns，冲频为1-1000Hz。

8.一种基于光纤传输的激光增材制造强化方法，其适用于如权利要求1-7任一项所述的基于光纤传输的激光增材制造强化装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、启动所述控制系统（1）、所述增材制造装置（2）、所述激光冲击强化装置（3）和所述操作台（4）；

S2、设定所述增材制造装置（2）和所述激光冲击强化装置（3）的工艺参数；

S3、通过所述控制系统（1）分别生成所述增材制造装置（2）和所述激光冲击强化装置（3）加工路径；

S4、所述增材制造装置（2）进入所述操作台（4），并根据所述加工路径进行逐层金属粉尘沉积，沉积2-5层后，退出所述操作台（4）；

S5、所述激光冲击强化装置（3）进入所述操作台（4），并根据所述加工路径对沉积层进行激光冲击强化处理，处理完成后退出所述操作台（4）；

S6、重复执行S3-S4，获得最终成型件。

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