CN113927045A - 一种激光增材制造的在线原位应力控制装置 - Google Patents

一种激光增材制造的在线原位应力控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，属于激光增材制造应力控制技术领域。包括：激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、第一振镜组、第二振镜组、第一聚焦镜、第二聚焦镜和加工模块；所述加工模块包括粉床和成形腔；所述扩束器对激光器发出的激光进行扩束后，通过所述分光镜分成第一分光束和第二分光束；所述第一分光束依次经第一振镜组和第一聚焦镜对所述粉床进行加工；所述第二分光束通过反射镜进入到第二振镜组，再经所述第二聚焦镜对所述粉床进行在线热处理。本发明可以在不显著增加激光选区熔化成形设备制造成本和构件制造时间的同时有效降低成形过程中零件的应力。

Description

一种激光增材制造的在线原位应力控制装置
技术领域
本发明属于激光增材制造应力控制技术领域，更具体地，涉及一种激光增材制造的在线原位应力控制装置。
背景技术
增材制造技术是近几十年逐渐发展起来的一项先进制造技术，该技术基于分层制造、层层叠加的原理，按照CAD的切片数据和扫描路径，使用激光、电子束、电弧等作为热源加热熔化金属粉末、丝材，进而制造出形状几乎可以是任意复杂的金属零部件。在所有的增材制造技术中，基于粉末床的激光选区熔化成形技术是目前最有发展前景的技术之一，该技术使用的激光热源尺寸很小，激光聚焦半径仅在几十个微米，因而可直接一体化成形精密复杂构件。同时，激光选区熔化成形过程中熔池的冷却速率极快(～106℃/s)，可制造出性能更为优异的金属零件。由于具有极大的成形自由度，成形无需模具，极大地降低了零件的成形时间，激光选区熔化成形技术在航空航天领域具有十分重要的应用前景。
然而，由于激光选区熔化成形过程中，激光作用至粉床的热流密度极高，导致在成形过程中产生了极高的温度梯度，使得零件在过程中产生十分大的残余应力。如果残余应力过大，将会导致零件发生变形甚至是开裂，从而导致零件报废，严重制约着该技术的工程应用。近年来，如何降低成形过程中的应力已成为当前的研究热点。专利文献1(CN111687553 A)公开了一种利用超声冲击改善电弧增材制造构件内部残余应力的方法，通过调整超声波冲击参数，在构件内部生成均匀的残余压应力，从而减小裂纹变形的产生。但这种方法不适用于激光选区熔化成形，会导致其运动部件运动精度下降。专利文献2(CN106891006 A)公开了一种减少激光选区熔化增材制造TC4钛合金薄壁件的残余应力的方法，即采用激光重熔工艺，通过选择合适的能量输入对TC4构件进行自退火处理。但激光重熔会导致成形效率大幅降低，不适用于工程应用。专利文献3(CN 110640139 A)公开了一种激光辅助消除激光选区熔化增材制造构件应力的处理方法。通过小光斑的激光束成形零件，而通过大光斑的激光束对零件进行热处理以消除热应力。这种方法可以较好地解决成形效率和在线控制应力的矛盾，但方法需要使用两台激光器，这不仅显著提升设备制造成本，而且增加设备复杂程度。并且，该方法也没有考虑到大光斑光束的扫描策略，所以去除应力的效果受到折扣甚至无法有效消除热应力。
从以上专利文献中可以看出，目前激光选区熔化成形的应力控制是行业内的难点问题，现有的专利提出的应力控制方法有的不适用于激光选区熔化成形，有的明显增加了设备制造成本。因此，本领域需要迫切发展一种高效低成本的在线应力控制装置和方法。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，旨在解决现有激光选区熔化增材制造过程中应力控制难、设备成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，包括激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、第一振镜组、第二振镜组、第一聚焦镜、第二聚焦镜和加工模块；所述加工模块包括粉床和成形腔；
所述扩束器对激光器发出的激光进行扩束后，通过所述分光镜分成第一分光束和第二分光束；
所述第一分光束依次经第一振镜组和第一聚焦镜对所述粉床进行加工；
所述第二分光束通过反射镜进入到第二振镜组，再经所述第二聚焦镜对所述粉床进行在线热处理。
进一步地，所述热处理为预热处理或同步扫描。
进一步地，所述第二分光束的扫描方向与第一分光束的扫描方向平行。
进一步地，所述热处理为后热处理。
进一步地，所述第二分光束的扫描方向与第一分光束的扫描方向垂直。
进一步地，所述分光镜为可变分束比分光镜。
进一步地，所述分光镜的分光比为9∶1～1∶9。
进一步地，第二分光束的激光功率小于第一分光束的激光功率。
通过本发明所构思的以上技术方案，在现有单光束激光选区熔化系统中加入分光镜，将一束光分成两束，其中主光束负责成形实体零件，分出的辅助光束用于对粉床进行在线热处理，从而达到原位控制应力的目的。本发明提出的这种装置，可以在不显著增加激光选区熔化成形设备制造成本的同时，有效降低成形过程中零件的应力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的装置工作原理示意图。
其中，附图标记：1-计算机，2-激光器，3-扩束镜，4-激光束，5-分光镜，6-第一分光束，7-第二分光束，8-反射镜，9-第三振镜，10-第四振镜，11-第一振镜，12-第二振镜，13-第一聚焦镜，14-第二聚焦镜，15-第二微熔池，16-第一微熔池，17-粉床，18-成形腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，如图1所示，带控制系统的计算机1控制激光器2发出激光4，然后通过扩束镜3进行扩束。扩束后的激光4通过分光镜5，然后被分成两个光束，分别为第一分光束6和第二分光束7。
第一分光束6经过第一振镜组(包括第一振镜11和第二振镜12)，然后按照CAD切片数据对粉床17进行加工，形成微熔池16。第二分光束7通过反射镜8进入到第二振镜组(包括第三振镜9和第四振镜10)，然后对粉床进行预热、同步扫描或后热处理，进行在线热处理以降低温度梯度或消除应力。
激光器2为光纤激光器，其工作功率可在50W-6000W区间调控，激光器的能量分布可以为高斯分布、均匀分布、环形分布等各种分布方式。
分光镜5为可变分束比分束镜，可以根据需要进行自定义分光比例设置，可在9∶1-1∶9之间进行调节。
第一分光束6和第二分光束7由不同的控制系统控制，两个光束的扫描策略和工艺参数可独立控制，可以保持一致，也可以按需设定。
第一分光束6根据切片数据获得扫描策略进行成形实体，其功率为50W-6000W，扫描速度为100mm/s-7000mm/s，扫描间距为0.1mm-0.5mm，铺粉层厚为0.02mm-0.2mm。第一分光束6的聚焦半径为0.025mm-0.5mm，第一分光束6的扫描长度为1mm-100mm。
第二分光束7的激光功率一般小于第一分光束6的激光功率，约为总功率的5％-50％，扫描速度为100mm/s-5000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.5mm。第一分光束6的聚焦半径一般要大于第一分光束6的聚焦半径，为0.05mm-0.5mm。
第二分光束7的光斑形状不限于圆形，还可以是环形、矩形，其能量分布可以是高斯分布、均匀分布、环形分布等各种分布方式。
第二分光束7的扫描策略根据在线热处理方式确定。如果使用第二分光束7提前预热或同步扫描金属粉末，其扫描策略可以与第一分光束6一致；如果使用第二分光束7滞后加热已成形实体，则要求第二分光束7的扫描方向要与第一分光束6的扫描方向垂直，其目的在于消除各方向应力差，避免应力累积。
第二分光束在进行滞后加热已成形实体时，可以扫描整个已成形区域，也可以只扫描局部已成形区域，尤其是高应力区域，一般为已成形区域的中间位置，扫描长度为1mm-100mm。
本发明使用的热源不局限于激光，还可以是电子束、电弧等高能束。
本发明使用的材料可以是金属粉末，如铁合金、铝合金、镍基合金、钛合金、镁合金、铜合金等，也可以是陶瓷材料，如氧化物、氮化物、碳化物等。
下面结合若干个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
实施例一：
如图1所示，带有激光器、振镜等控制系统的计算机1控制激光器2发出一束400W的激光束4，然后通过扩束镜3进行扩束。扩束后激光4通过分光镜5，然后被分成两束激光，其中第一分光束的激光功率为300W，第二分光束的激光功率为100W。
第一分光束6经过第一振镜11、第二振镜12，然后按照CAD切片数据对TC4钛合金粉床进行加工，第一分光束的激光扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.1mm，铺粉层厚为0.04mm。加工时采用分区扫描策略，即将当前加工截面分成若干个小的区域，激光加工完一个分区后再加工下一个分区，每个分区的扫描长度为10mm。
第二分光束7通过反射镜8进入到第三振镜9、第四振镜10，其功率为100W，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.2mm。第二分光束7滞后于第一分光束6进行扫描，即当第一分光束6扫描下一个分区时，第二分光束7才开始扫描当前分区。同时，第二分光束7的扫描长度为10mm，扫描方向与第一分光束6的扫描方向垂直。
实施例二：
如图1所示，带有激光器、振镜等控制系统的计算机1控制激光器2发出一束500W的激光束4，然后通过扩束镜3进行扩束。扩束后激光4通过分光镜5，然后被分成两束激光，其中第一分光束的激光功率为350W，第二分光束的激光功率为150W。
第一分光束6经过第一振镜11、第二振镜12，然后按照CAD切片数据对GH4169镍基合金粉床进行加工，第一分光束的激光扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.1mm，铺粉层厚为0.04mm。加工时采用分区扫描策略，每个分区的扫描长度为5mm。
第二分光束7通过反射镜8进入到第三振镜9、第四振镜10，其功率为150W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.1mm。第二分光束7超前于第一分光束6进行扫描，即当第一分光束6扫描当前分区时，第二分光束7已开始扫描下一个分区。同时，第二分光束7的扫描长度为5mm，扫描方向与第一分光束6的扫描方向平行。
实施例三：
如图1所示，带有激光器、振镜等控制系统的计算机1控制激光器2发出一束2000W的激光束4，然后通过扩束镜3进行扩束。扩束后激光4通过分光镜5，然后被分成两束激光，其中第一分光束的激光功率为1500W，第二分光束的激光功率为500W。
第一分光束6经过第一振镜11、第二振镜12，然后按照CAD切片数据对铜合金粉床进行加工，第一分光束的激光扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.1mm，铺粉层厚为0.06mm。加工时采用分区扫描策略，每个分区的扫描长度为15mm。
第二分光束7通过反射镜8进入到第三振镜9、第四振镜10，其功率为500W，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.1mm。第二分光束7与第一分光束6同步进行扫描，即在第二分光束7在第一分光束6光斑中心的正后方加热已成形实体，第二分光束7的扫描长度与第一分光束6相同，扫描方向与第一分光束6的扫描方向平行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，其特征在于，包括激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、第一振镜组、第二振镜组、第一聚焦镜、第二聚焦镜和加工模块；所述加工模块包括粉床和成形腔；
所述扩束器对激光器发出的激光进行扩束后，通过所述分光镜分成第一分光束和第二分光束；
所述第一分光束依次经第一振镜组和第一聚焦镜对所述粉床进行加工；
所述第二分光束通过反射镜进入到第二振镜组，再经所述第二聚焦镜对所述粉床进行在线热处理。
2.如权利要求1所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，所述热处理为预热处理或同步扫描。
3.如权利要求2所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，所述第二分光束的扫描方向与第一分光束的扫描方向平行。
4.如权利要求1所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，所述热处理为后热处理。
5.如权利要求4所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，所述第二分光束的扫描方向与第一分光束的扫描方向垂直。
6.如权利要求1所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，所述分光镜为可变分束比分光镜。
7.如权利要求6所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，所述分光镜的分光比为9∶1～1∶9。
8.如权利要求1-7任一项所述的在线原位应力控制装置，其特征在于，第二分光束的激光功率小于第一分光束的激光功率。
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