CN112692304B - 一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，属于激光先进增材制造领域。本发明的激光复合增材制造方法为：利用连续激光束使基材表面和合金粉末融化、形成熔池的同时，引入脉冲激光束对熔池进行同步冲击处理，执行采用脉冲激光控制熔池的激光复合增材制造过程；制造过程中，利用脉冲激光束控制熔池形貌和熔池流动，提高熔覆面的平整度、调节熔覆层中残余应力、降低熔覆层性能的各向异性。本发明在实现熔覆层成型质量和残余应力改善的同时，提高了熔覆层的平整度和力学性能，有利于提高生产效率，适用于连续的多道搭接或者多层堆积的激光增材制造工作中，适用于表面再制造修复或者3D打印直接成形的激光增材制造领域。

Description

一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法

技术领域

本发明属于激光先进增材制造领域，具体涉及一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法。

背景技术

激光增材制造技术是材料科学、机械工程和激光技术的综合集成，其通过高能激光束在基体上聚焦形成熔池，金属粉末通过预制或者同轴送粉的方式送入熔池中，金属粉末在熔池中与基体溶液融合，并随着激光束的移动，在液体表面张力的作用下熔池向激光束移动的方向运动，从而逐渐形成沉积层。该技术对于零件的再制造与复杂零件的直接成型具有重大意义，是先进制造技术的主要研究方向。

激光增材制造技术基于离散-堆积的成型原理，该技术在能够实现复杂结构零部件直接成型的同时，还具有以下三个方面的局限性：(1)连续多道搭接激光增材制造过程导致沉积表面存在较大的波纹起伏，增大了后续加工的工作量；(2)连续多道搭接的激光增材制造过程导致已沉积部分产生不均匀的循环加热和冷却过程，沉积层内存在复杂热应力，熔覆层易于产生裂纹和气孔等缺陷；(3)熔池内的热流扩散方向性特征促进树枝晶的定向生长，导致沉积层性能存在各向异性。针对上述问题，苏州大学公开了一种内应力可控的激光热力复合增材制造方法(CN107225244A)，该方法的特征在于：熔覆层加工完成之后，将熔覆层加热至再结晶温度与熔点之间，随后采用激光冲击工艺对熔覆层进行冲击强化，以消除热熔过程中形成的拉应力。该方法能够有效改善熔覆层内的应力分布，提高熔覆层的力学性能。但该方法包含的熔覆-加热-冲击三道工艺实质上是分开独立进行的，不利于生产效率的提高。广东工业大学(CN107475709A)公开了一种双激光束熔覆成型冲击锻打复合增材制造方法，该方法的特征在于：在使用连续激光进行熔覆工作的同时，同步使用短脉冲激光锻打处在锻造温度范围内的熔覆面。该方法能够有效消除熔覆层内的气孔等缺陷，改善热应力。但激光增材制造过程中冷却速度较快，难以精准把控熔覆层的锻造温度，准确实现熔覆层在锻造温度区间内锻打的难度较高，熔覆层内容易产生晶粒尺寸不均匀和冷硬现象。此外，上述方法均采用激光冲击工艺对熔覆完成后的熔覆层进行冲击或者锻打，熔覆层表面所产生的变形量较小，对熔覆层表面的平整度的影响较弱，不能有效的减轻熔覆层表面后续加工工作量及提高生产效率。因此，如何在保证熔覆层成型质量和性能的同时，提高熔覆层表面的平整度仍然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，该方法能够在实现熔覆层热应力改善，晶粒细化，保证熔覆层成型质量及性能的同时，显著提高熔覆层表面的平整度，有利于提高熔覆层质量及生产效率，更适合应用于连续多道搭接以及多层堆积的激光增材制造工作中，适用于表面再制造修复或者3D打印直接成形的激光增材制造领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法：包含以下步骤：连续激光束经过准直和聚焦光路变换后作用在基材表面，使基材表面和预置合金粉末/同步输送合金粉末同时快速融化，形成熔池。同时，利用脉冲激光束产生的等离子冲击波作用于熔池区域，执行采用脉冲激光控制熔池的激光复合增材制造过程，连续逐道或逐层堆积形成沉积面或直接成型零件。制造过程中利用脉冲激光束控制熔池形貌和熔池流动。

进一步地，所述利用脉冲激光束控制熔池形貌，是利用脉冲激光产生的冲击压力将熔池内部分液态合金挤出熔池，提高熔覆层的宽高比，获得呈扁平状的熔覆层，从而提高连续多道连续搭接或者多层堆积熔覆层表面的平整度，减小增材表面后续加工工作量。

进一步地，所述利用脉冲激光束控制熔池流动，是利用脉冲激光束热作用产生的表面力场控制熔池流动，提高温度分布均匀性，降低熔池中的温度梯度，改善残余应力，破坏树枝晶沿热流扩散反方向生长的正常凝固过程，抑制裂纹及树枝晶的形成，实现晶粒细化，降低熔覆层性能的各向异性。

进一步地，所述脉冲激光束的空间分布特征可通过光束整形或者空间光调制器调整。

进一步地，所述采用脉冲激光控制熔池的激光复合增材制造过程中，可搭载高速相机实时监测装置，实现连续激光束和脉冲激光束的作用位置和对冲击效果的实时监测和控制。

进一步地，所述激光复合增材制造方法中，作用在基体表面的连续激光束与脉冲激光束光斑之间的间距可调。当两光斑间距小于连续激光束光斑与脉冲激光束光斑半径之差时，脉冲激光束光斑完全位于连续激光束光斑内部，脉冲激光以热作用形式作用于熔池，产生可以调控熔池流动的力场；当两光斑间距大于连续激光束光斑与脉冲激光束光斑半径之和时，两光斑完全分离，脉冲激光作用于凝固后的熔覆层，增加脉冲激光束能量，使熔覆层产生塑性变形，产生一定残余压应力；当两光斑间距处于上述两间距之间时，脉冲激光束光斑与连续激光束光斑部分相交，脉冲激光作用于熔池边缘半凝固状态，可以使熔覆层形成塑性变形，增大残余压应力，同时可以控制熔池形貌和内部流动。

进一步地，所述激光复合增材制造方法中，脉冲激光对熔池流动和熔池形貌的控制效果可通过调整脉冲激光能量调节，能量越大，作用越明显。

本发明和现有激光增材制造相比，优点主要有：

1.本发明中激光复合增材制造方法通过激光冲击与激光增材工艺耦合，通过脉冲激光束作用于熔池的方式，实现熔池形貌及熔池流动控制。熔池流动的控制方法简洁有效，可靠性高，可以同时实现熔覆层平整度提升、改善热应力及晶粒细化。

2.本发明中的激光复合增材制造方法通过脉冲激光控制熔池形貌，提高熔覆层宽高比，能够显著提高熔覆层表面平整度，减轻增材表面后续加工工作量，提高生产效率，更适合应用于连续的多道搭接或者多层堆积的激光增材制造工作中。

3.本发明中的激光复合增材制造方法通过脉冲激光控制熔池流动，破坏了树枝晶的正常生长过程，细化晶粒，实现熔覆层各向性能均匀化，并且能够显著提高熔覆层的强度和塑性；通过控制熔池流动改善了熔覆层内残余应力，能够提高熔覆层的疲劳强度，抑制裂纹产生；此外，通过脉冲激光冲击控制熔池的流动，有利于抑制凝固过程中气孔等缺陷的产生，在实现熔覆层的成型质量和性能提升的同时，提高了熔覆层表面的平整度，能够实现高效高质量的连续激光增材制造。

4.本发明通过在原有激光增材设备上外加脉冲激光器，搭建与连续型激光头同步运动的脉冲激光头，实现激光冲击与激光增材工艺耦合的激光复合增材制造，所使用的激光复合增材设备简单，无需对原有激光增材设备进行较大程度改装。

5.本发明中的激光复合增材制造方法通过搭载高速相机实时监测装置，配合熔池位置的反馈信号，能够实时观察连续激光束和脉冲激光束的作用位置和冲击效果，能够实现在加工中对激光束作用位置的在线调控和闭环控制。

附图说明

图1为本发明一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法工艺简图；图中，1-脉冲激光，2-连续激光，3-熔池区域，4-合金粉末，5-脉冲激光和连续激光两光斑间距，6-熔覆面，7-待加工基材。

图2为不同光斑间距示意图：(a)光斑间距为0mm，(b)光斑间距为1mm，(c)光斑间距为3mm；图中，1-脉冲激光，2-连续激光。

图3为不同光斑间距激光冲击前(a)后(b)、(c)、(d)熔覆层截面2D轮廓图，(b)、(c)、(d)对应的光斑间距分别为0mm、1mm、3mm。

图4为不同光斑间距激光冲击后熔覆层残余应力分布图。

图5为光斑间距为0mm激光冲击前(a)后(b)熔覆层金相图。

图6为光斑间距为1mm激光冲击后熔覆层熔池区域(a)和凝固区域(b)金相图。

图7为光斑间距为3mm激光冲击后熔覆层金相图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)设置工艺参数。本实施例中，如图1所示，脉冲激光1能量为2J，连续激光2功率为1500W，连续激光束2光斑直径3mm，脉冲激光束光斑直径为1.3mm，脉冲激光束1和连续激光束2的扫描速度均为4mm/s，脉冲激光频率为5Hz。脉冲激光1和连续激光2光斑之间的位置关系如图2(a)所示，两光斑间距5为0mm，脉冲激光束完全作用在熔池区域。

(2)调用数控工作台系统将基材移动至加工工位，执行激光复合增材制造。打开连续激光器和脉冲激光器。连续激光束经过准直和聚焦光路变换后作用在待加工基材7表面，使基材表面和预置合金粉末/同步输送合金粉末4同时快速融化，形成熔池3。同时，利用另一束脉冲激光产生的等离子冲击波作用于熔池3区域，执行采用脉冲激光控制熔池的激光复合增材制造过程，逐道熔覆形成熔覆面6。本实施例选用的基体材料为U71Mn钢轨钢，合金粉末为Fe901铁基合金。

(3)对比脉冲激光束冲击前后熔覆层的几何形貌、微观组织和残余应力差异，验证脉冲激光冲击效果，结果见图3-5。

对比图3中脉冲激光束冲击前(a)后(b)熔覆层截面的2D轮廓可以看出，脉冲激光束完全作用于熔池时，无脉冲激光束作用的熔覆层的厚度为633.4μm，脉冲激光束冲击作用后熔覆层的厚度为362.6μm，熔覆层厚度约降低了48％，说明脉冲激光束产生的冲击压力能够将熔池内部分液态合金挤出熔池，改变熔池形貌，获得呈扁平状的熔覆层，提高熔覆面的平整度。此外，从图4中可以看出，未冲击熔覆层的残余应力为-332MPa，而脉冲激光束冲击后的熔覆层的残余应力为-220MPa，熔覆层的残余应力降低了约33.7％。此外，对比图5中脉冲激光束作用前后熔覆层的微观组织可以看出，无脉冲激光束作用的熔覆层内呈定向生长的树枝晶，而脉冲激光束作用后的熔覆层内存在明显的树枝晶-细化树枝晶的界面。说明脉冲激光束能够有效的实现熔池流动控制，降低熔池凝固过程中的温度梯度，降低涂层的残余应力，破坏树枝晶的定向生长过程，细化晶粒。

实施例2

本实施例中两光斑间距为1mm，脉冲激光束部分作用于熔池区域，部分作用于凝固区域，如图2(b)所示。其余实施过程与实施例1一致。

从图3(c)中熔覆层截面的2D轮廓可以看出，脉冲激光束部分作用于熔池时，脉冲激光束冲击作用后熔覆层的厚度为441.8μm，熔覆层厚度约降低了30.2％。脉冲激光束冲击后的熔覆层的残余应力与无脉冲激光作用的熔覆层没有明显改变。这是由于作用于熔池区域的部分脉冲激光束能够降低熔覆层的残余应力，作用于凝固区域的部分脉冲激光束通过压力作用引起塑性变形而增大残余压应力，作用于不同区域的脉冲激光束引起的残余应力的影响效果抵消，导致熔覆层最终呈现的平均残余应力没有明显的改变。此外，从图6(a)中可以看出脉冲激光束作用于熔池区域的微观组织与实施例1中脉冲激光完全作用于熔池区域时的微观组织特征类似，脉冲激光束作用于熔池能够有效破坏树枝晶的定向生长过程细化晶粒。而从图6(b)中可以看出脉冲激光束作用于凝固部分导致熔覆层出现塑性变形，因此熔覆层呈现细化树枝晶。

实施例3

本实施例中两光斑间距为3mm，脉冲激光束完全作用于凝固区域如图2(c)所示。其余实施过程与实施例1一致。

从图3(d)中熔覆层截面的2D轮廓可以看出，脉冲激光束完全作用于凝固区域时，熔覆层的厚度为558.2μm，熔覆层厚度约降低了11.8％。熔覆层的残余应力为-381MPa，熔覆层的残余应力增大了约14.7％。此外，从图7中可以看出脉冲激光束作用于凝固区域的微观组织与实施例2中脉冲激光束作用于凝固区域时的微观组织特征类似，呈现细化等轴晶。说明完全作用于凝固区域的脉冲激光束通过冲击压力作用引起塑性变形而增大残余压应力，同时实现晶粒细化。

上述实施例的分析结果可以证明本发明提供的基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法能够有效的降低熔覆层表面的起伏程度，提高熔覆层的表面平整度，适合应用于连续多道搭接或多层堆积的激光增材制造工作中。脉冲激光束热作用产生的表面力场，破坏树枝晶定向生长过程，抑制裂纹及树枝晶的形成，实现晶粒细化。在实现熔覆层质量和性能提升的同时，提高生产效率。

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 (5)

1.一种基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，其特征在于：利用连续激光束使基材表面和合金粉末融化、形成熔池的同时，引入脉冲激光束对熔池进行同步冲击处理，执行采用脉冲激光控制熔池的激光复合增材制造过程；制造过程中，利用脉冲激光束控制熔池形貌和熔池流动，提高熔覆面的平整度，调节熔覆层中残余应力，降低熔覆层性能的各向异性；

所述连续激光束的光斑与脉冲激光束光斑之间的间距小于连续激光束光斑与脉冲激光束光斑半径之差，脉冲激光束光斑完全位于连续激光束光斑内部，脉冲激光以热作用形式作用于熔池，产生能够调控熔池流动的力场。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，其特征在于：利用脉冲激光束控制熔池形貌为：利用脉冲激光束产生的冲击压力将熔池内部分液态合金挤出熔池，提高熔覆层的宽高比，获得呈扁平状的熔覆层，提高熔覆面的平整度。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，其特征在于：利用脉冲激光束控制熔池流动为：利用脉冲激光束热作用产生的表面力场，提高温度分布均匀性，降低熔池中的温度梯度，调节熔覆层中残余应力，破坏树枝晶定向生长过程，抑制裂纹及树枝晶的形成，实现晶粒细化，降低熔覆层性能的各向异性。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，其特征在于：脉冲激光束的空间分布特征通过光束整形或者空间光调制器调整。

5.根据权利要求1所述的基于脉冲激光控制熔池流动的激光复合增材制造方法，其特征在于：采用脉冲激光控制熔池的激光复合增材制造过程中，搭载高速相机实时监测装置。

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