CN114378455A - 一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光增材制造技术领域，提出一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法。本发明对打印的薄壁金属管材构件进行原位置激光切割进而与基板分离，避免将基板和薄壁金属管材构件采用线切割分离时带来的定位误差的问题；五轴3D打印机五个自由度满足在激光切割薄壁金属管材构件时各种复杂端面的切割位置要求，解决线切割难以满足复杂端面的管材的切割要求；通过对打印的薄壁管材内部通入熔渣冷却气体，对激光切割产生的熔渣进行冷却，解决管材构件在激光切割中的熔渣粘附于薄壁管材构件内部而引起薄壁管材构件热变形的问题。

Description

一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法。
背景技术
近年来，在航天航空、汽车工业以及生物医学等领域中，往往需要制备端面复杂的薄壁金属管件，此类构件通常具有截面差大、曲率复杂等特点，其厚度通常为2mm左右。激光金属沉积技术是增材制造技术的一种，适合制备大尺寸薄壁金属管件。其原理为：由激光作为能量源在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，融化后逐层沉积，直至完成构件制备。现有的五轴金属3D打印设备具有工序集中、柔性化和自动化程度高的优点，通过激光打印头3个空间直线运动与基板的2个旋转轴的联合运动，采用激光金属沉积法可实现空间异形薄壁管件的高精度加工。目前3D打印常用的激光器为光纤激光器。激光切割是利用激光束照射工件，使被照射的材料熔化从而实现工件切割。相比于其他切割工艺，激光切割具有切缝窄、速度快、能量集中、工件变形小、切割质量高、可控性好等优点。由于光纤激光切割机切割精度高、切割宽度窄，常用于薄壁管件的切割。
在激光金属沉积制备薄壁金属管件后，需要将基板与薄壁金属管件分离，目前常采用线切割方法，将薄壁管件和基板从3D打印设备移出到线切割设备上再次装夹、定位，这不仅会产生定位误差，而且由于线切割只能进行二维平面切割，切割线在管件内走过的轨迹都会被切割。因此对于空间异形薄壁金属管件，特别是端口截面不在同一平面上的空间异形薄壁管件，线切割难以满足要求。为解决该问题，CN201621073720.1提出了一种基于反光镜平移的激光切割与3D打印自由切换装置，该装置通过可调分束器作为分光器件，用一个激光器实现两路激光输出，将激光分别入射到激光切割头与激光打印头，实现激光3D打印和激光切割功能。但是，在设备上设计两条激光光路会使得装置的结构非常复杂。同时在激光切割薄壁管件尤其是小尺寸的薄壁管件时，切割后的高温熔渣会使管件局部升温，管件内产生的热应力使其发生不可控变形。因此，在激光切割薄壁管件的过程中如何防止熔渣附着在构件内壁非常重要。
为解决薄壁金属管材构件制备完成后采用线切割法分离基板与管材构件时产生定位误差、线切割在切割端面复杂的薄壁金属管材难以满足切割要求、现有激光切割易使薄壁金属管件会产生热变形等问题，需要开发一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法，以解决薄壁管件制备完成后采用线切割法分离基板与管件时产生定位误差、线切割在切割空间异形薄壁金属管件时难以满足切割要求、现有激光切割易使构件产生热变形的问题。
本发明的技术方案：一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置，包括五轴3D打印机18、激光打印头1、激光切割头2、工作台3、基板4、快速接头5和通气软管6；
激光打印头1或激光切割头2置于第二电机箱8上方工作；第二电机箱8内设有第二电机9、小齿轮10、推力球轴承11、齿轮端盖12、减速齿轮13、深沟球轴承14和固定支架21；第二电机9固定于第二电机箱8内，小齿轮10固定于第二电机9的输出轴上，齿轮端盖12对小齿轮10和减速齿轮13进行轴向固定，减速齿轮13与小齿轮10啮合；减速齿轮13下端伸出一空心圆柱，空心圆柱与位于固定支架21内侧的推力球轴承11和深沟球轴承14配合，轴向和径向固定工作台3和减速齿轮13于固定支架21内；固定支架21固定于第二电机箱8箱体内；工作台3下端连接减速齿轮13，其上端固定基板4；从第二电机9输出的动力使减速齿轮13、工作台3、基板4旋转；
快速接头5端部过工作台3与基板4连通，快速接头5尾端连接通气软管6；第二电机箱8夹在第一电机箱7的两个伸出轴间，第一电机22固定于其中一侧第一电机箱7内，第一电机22、电机减速器23和电机联轴器24依次连接，电机联轴器24插接于第二电机箱8箱体的伸出轴，使第二电机箱8稳定旋转；第一电机22和第二电机9为基板4提供两个转动自由度，激光打印头1或激光切割头2提供三个平移自由度，满足激光打印和激光切割的位置要求；
基板4中心开有通孔，其下端固定一小空心圆柱，用于连接快速接头5，小空心圆柱与通孔同轴；熔渣冷却气体15依次流过通气软管6、快速接头5、基板4通孔后从基板4表面流出。
所述薄壁金属管材构件19于基板4上完成制备，基板4通孔于薄壁金属管材构件19端口截面内，熔渣冷却气体15依次流过通气软管6、快速接头5、基板4通孔后从基板4表面流入薄壁金属管材构件19内部，熔渣冷却气体15通入薄壁金属管材构件19内部，用于冷却飞溅的熔渣20，防止熔渣20粘附在薄壁金属管材构件19内部而引起的薄壁管材热变形。
基板4开有多个通孔，均分别连接通气软管6以提高冷却效果。
一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置的切割方法，具体步骤如下：
步骤一、连接有通气软管6的快速接头5依次穿过第二电机箱8、固定支架21、减速齿轮13、工作台3与基板4连接，基板4夹紧于工作台3上；
步骤二、五轴3D打印机18采用激光金属沉积的方法制备薄壁金属管材构件19，激光类型为光纤激光16，沉积原材料为碳钢、不锈钢、铝、铝合金或钛合金粉末；
步骤三、将五轴3D打印机18中的激光打印头1更换为激光切割头2；保持薄壁金属管材构件19在工作台3上的位置不变，进行激光原位置切割；
步骤四、根据目标薄壁管材构件端口截面形状确定激光切割头2运动轨迹；
步骤五、根据激光切割头2运动轨迹，编写并输入激光切割程序；
步骤六、根据切割材料和切割厚度的不同，选择激光切割辅助气体17；
步骤七、将压缩的熔渣冷却气体15，通入薄壁金属管材构件19内部，对飞溅的熔渣20进行冷却防止粘附于薄壁金属管材构件19内部；
步骤八、选择光纤激光16切割功率、激光切割速度，对制备出的薄壁金属管材构件19进行激光切割；
步骤九、激光切割完成后停止通入熔渣冷却气体15。
步骤十、五轴3D打印机18停止运行，待薄壁金属管材构件15冷却至室温后取出。
所述沉积原材料为碳钢或不锈钢时，步骤六中选用氧气为辅助气体17；所述沉积原材料为铝、铝合金或钛合金粉末时，步骤六中选用氮气为辅助气体。
所述熔渣冷却气体15为氧气、空气、氮气或惰性气体。
所述步骤八中激光切割功率与速度具体为：碳钢材料的薄壁金属管材构件19激光切割速度为5m/min且选用1000W的光纤激光切割功；不锈钢材料的薄壁金属管材构件19激光切割速度为1m/min且选用1000W的光纤激光切割功率；铝和铝合金材料的薄壁金属管材构件19激光切割速度为4m/min且选用2500W的光纤激光切割功率；钛合金材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为1m/min且选用2500W的光纤激光切割功率。
本发明相对于现有技术取得以下有益效果：
本发明的一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法，对打印的薄壁金属管材构件进行原位置激光切割进而与基板分离，避免将基板和薄壁金属管材构件采用线切割分离时带来的定位误差的问题。
本发明的一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法，五轴3D打印机具有五个自由度，能满足在激光切割薄壁金属管材构件时各种复杂端面的切割位置要求，解决线切割难以满足复杂端面的管材的切割要求。
本发明的一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法，通过对打印的薄壁金属管材内部通入熔渣冷却气体，对激光切割产生的熔渣进行冷却，解决管材构件在激光切割中的熔渣粘附于薄壁金属管材构件内部而引起薄壁金属管材构件热变形的问题。
附图说明
图1(a)为本发明一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法的装置装配示意图。
图1(b)为本发明一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法的装置分解示意图。
图2为本发明一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置及方法的激光切割复杂薄壁金属管材构件示意图。
图3为端面形状复杂的复杂薄壁金属管材构件示意图。
图4为基板示意图。
图5为本发明快速接头示意图。
图6(a)为本发明中减速齿轮、复杂薄壁金属管材构件、通气软管相互位置关系示意图。
图6(b)为本发明中减速齿轮、复杂薄壁金属管材构件、通气软管相互位置关系的剖面示意图图。
图7(a)为光纤激光射入激光打印头示意图。
图7(b)为光纤激光射入激光切割头示意图
图8(a)为本发明减速齿轮示意图。
图8(b)为本发明减速齿轮剖面图。
图9为激光切割时产生熔渣示意图。
图10为对多条通气软管通入熔渣冷却气体共同冷却熔渣示意图。
图中：1-激光打印头，2-激光切割头，3-工作台，4-基板，5-快速接头，6-通气软管,7-第一电机箱，8-第二电机箱，9-第二电机，10-小齿轮，11-推力球轴承，12-齿轮端盖，13-减速齿轮，14-深沟球轴承，15-熔渣冷却气体，16-光纤激光，17-辅助气体，18-五轴3D打印机，19-薄壁金属管材构件，20-熔渣。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本发明提供一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置，该装置包括五轴3D打印机18、激光打印头1、激光切割头2、工作台3、基板4、快速接头5和通气软管6；所述的五轴3D打印机18的机床有第一电机箱7和第二电机箱8，第一电机位于第一电机箱内，第二电机9位于第二电机箱内，第一电机和第二电机9为基板4提供两个转动自由度，配合激光打印头1或激光切割头2的三个平移自由度，能满足激光打印和激光切割的位置要求。
激光打印头1或激光切割头2置于第二电机箱8上方工作；第二电机箱8内设有第二电机9、小齿轮10、推力球轴承11、齿轮端盖12、减速齿轮13、深沟球轴承14和固定支架21；第二电机9固定于第二电机箱8内，小齿轮10通过齿轮键固定于第二电机9的输出轴上，齿轮端盖12对小齿轮10和减速齿轮13进行轴向固定，减速齿轮13与小齿轮10啮合；减速齿轮13下端伸出一空心圆柱，空心圆柱与位于固定支架21内侧的推力球轴承11和深沟球轴承14配合，轴向和径向固定工作台3和减速齿轮13于固定支架21内；固定支架21固定于第二电机箱8箱体内；工作台3下端连接减速齿轮13，其上端固定基板4；从第二电机9输出的动力使减速齿轮13、工作台3、基板4旋转；
快速接头5端部过工作台3与基板4连通，快速接头5尾端连接通气软管6；第二电机箱8夹在第一电机箱7的两个伸出轴间，第一电机22固定于其中一侧第一电机箱7内，第一电机22、电机减速器23和电机联轴器24依次连接，电机联轴器24插接于第二电机箱8箱体的伸出轴，使第二电机箱8稳定旋转；第一电机22和第二电机9为基板4提供两个转动自由度，激光打印头1或激光切割头2提供三个平移自由度，满足激光打印和激光切割的位置要求；
基板4中心开有通孔，其下端固定一小空心圆柱，小空心圆柱外表面有外螺纹，用于连接快速接头5，小空心圆柱与通孔同轴；熔渣冷却气体15依次流过通气软管6、快速接头5、基板4通孔后从基板4表面流出。
所述薄壁金属管材构件19于基板4上完成制备，基板4通孔于薄壁金属管材构件19端口截面内，熔渣冷却气体15依次流过通气软管6、快速接头5、基板4通孔后从基板4表面流入薄壁金属管材构件19内部，熔渣冷却气体15通入薄壁金属管材构件19内部，用于冷却飞溅的熔渣20，防止熔渣20粘附在薄壁金属管材构件19内部而引起的薄壁管材热变形。
利用该激光切割装置进行激光切割时的方法为：
步骤一、连接有通气软管6的快速接头5依次穿过第二电机箱8、固定支架21、减速齿轮13、工作台3与基板4连接，基板4夹紧于工作台3上；
步骤二、五轴3D打印机18采用激光金属沉积的方法制备薄壁金属管材构件19，激光类型为光纤激光16，沉积原材料为碳钢、不锈钢、铝、铝合金或钛合金粉末；
步骤三、将五轴3D打印机18中的激光打印头1更换为激光切割头2；保持薄壁金属管材构件19在工作台3上的位置不变，进行激光原位置切割；
步骤四、制备出薄壁金属管材构件19后，根据目标薄壁管材构件端口截面形状确定激光切割头2运动轨迹；
步骤五、根据激光切割头2运动轨迹，编写并输入激光切割程序；
步骤六、根据切割材料和切割厚度的不同，选择合适的激光切割辅助气体18，激光切割机切割不同的材料要用不同的辅助气体17，切割材料的厚度的不同，其辅助气体17的需求的气体压力就不同，由于薄壁金属管材构件厚度为2mm左右，选用1Mpa压力的辅助气体17，光纤激光16在激光切割碳钢、不锈钢时，选用的辅助气体17为氧气，光纤激光16在激光切割铝和铝合金及钛合金选用的辅助气体17为氮气。。
步骤七、将压缩机压缩的2Mpa压力的熔渣冷却气体15，通入薄壁金属管材构件19内部，对飞溅的熔渣20进行冷却防止粘附在薄壁管材内部，熔渣冷却气体15为氧气、空气、氮气、惰性气体。
步骤八、选择合适的光纤激光切割功率、激光切割速度，对制备出的薄壁管材构件19进行激光切割，由于薄壁金属管材构19件厚度为2mm左右，碳钢材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为5m/min且选用1000W的光纤激光切割功率，不锈钢材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为1m/min且选用1000W的光纤激光切割功率，铝和铝合金材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为4m/min且选用2500W的光纤激光切割功率，钛合金材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为1m/min且选用2500W的光纤激光切割功率，步骤三将激光打印头1更换为激光切割头2，保持薄壁金属管材构件在工作台3上的位置不变，进行激光原位置切割。
步骤九、激光切割完成后停止通入熔渣冷却气体15。
步骤十、五轴3D打印机18停止运行，待薄壁金属管材构件15冷却至室温后取出。
实施例2
依据实施例1中的切割方法进行切割，根据薄壁金属管材构件19端口内径尺寸的大小，采取合适的措施提高熔渣冷却效果，当薄壁金属管材构件19内径尺寸较小时，在薄壁金属管材内通入室温下2.5MPa压力的熔渣冷却气体，以此来提升熔渣冷却效果，当薄壁金属管材构件19端口内径尺寸较大时，在基板4上通过快速接头5连接多条通气软管6，采用多条通气软管6通入熔渣冷却气体共同冷却熔渣20，以此来提高冷却效果，其它步骤和参数与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置，其特征在于，该激光切割装置包括五轴3D打印机(18)、激光打印头(1)、激光切割头(2)、工作台(3)、基板(4)、快速接头(5)和通气软管(6)；
激光打印头(1)或激光切割头(2)置于第二电机箱(8)上方工作；第二电机箱(8)内设有第二电机(9)、小齿轮(10)、推力球轴承(11)、齿轮端盖(12)、减速齿轮(13)、深沟球轴承(14)和固定支架(21)；第二电机(9)固定于第二电机箱(8)内，小齿轮(10)固定于第二电机(9)的输出轴上，齿轮端盖(12)对小齿轮(10)和减速齿轮(13)进行轴向固定，减速齿轮(13)与小齿轮(10)啮合；减速齿轮(13)下端伸出一空心圆柱，空心圆柱与位于固定支架(21)内侧的推力球轴承(11)和深沟球轴承(14)配合，轴向和径向固定工作台(3)和减速齿轮(13)于固定支架(21)内；固定支架(21)固定于第二电机箱(8)箱体内；工作台(3)下端连接减速齿轮(13)，其上端固定基板(4)；从第二电机(9)输出的动力使减速齿轮(13)、工作台(3)、基板(4)旋转；
快速接头(5)端部过工作台(3)与基板(4)连通，快速接头(5)尾端连接通气软管(6)；第二电机箱(8)夹在第一电机箱(7)的两个伸出轴间，第一电机(22)固定于其中一侧第一电机箱(7)内，第一电机(22)、电机减速器(23)和电机联轴器(24)依次连接，电机联轴器(24)插接于第二电机箱(8)箱体的伸出轴，使第二电机箱(8)稳定旋转；第一电机(22)和第二电机(9)为基板(4)提供两个转动自由度，激光打印头(1)或激光切割头(2)提供三个平移自由度，满足激光打印和激光切割的位置要求；
基板(4)中心开有通孔，其下端固定一小空心圆柱，用于连接快速接头(5)，小空心圆柱与通孔同轴；熔渣冷却气体(15)依次流过通气软管(6)、快速接头(5)、基板(4)通孔后从基板(4)表面流出。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置，其特征在于，所述薄壁金属管材构件(19)于基板(4)上完成制备，基板(4)通孔于薄壁金属管材构件(19)端口截面内，熔渣冷却气体(15)依次流过通气软管(6)、快速接头(5)、基板(4)通孔后从基板(4)表面流入薄壁金属管材构件(19)内部，熔渣冷却气体(15)通入薄壁金属管材构件(19)内部，用于冷却飞溅的熔渣(20)，防止熔渣(20)粘附在薄壁金属管材构件(19)内部而引起的薄壁管材热变形。
3.根据权利要求1或2所述的用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置，其特征在于，所述基板(4)开有多个通孔，均分别连接通气软管(6)。
4.一种用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置的切割方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、连接有通气软管(6)的快速接头(5)依次穿过第二电机箱(8)、固定支架(21)、减速齿轮(13)、工作台(3)与基板(4)连接，基板(4)夹紧于工作台(3)上；
步骤二、五轴3D打印机(18)采用激光金属沉积的方法制备薄壁金属管材构件(19)，激光类型为光纤激光(16)，沉积原材料为碳钢、不锈钢、铝、铝合金或钛合金粉末；
步骤三、将五轴3D打印机(18)中的激光打印头(1)更换为激光切割头(2)；保持薄壁金属管材构件(19)在工作台(3)上的位置不变，进行激光原位置切割；
步骤四、根据目标薄壁管材构件端口截面形状确定激光切割头(2)运动轨迹；
步骤五、根据激光切割头(2)运动轨迹，编写并输入激光切割程序；
步骤六、根据切割材料和切割厚度的不同，选择激光切割辅助气体(17)；
步骤七、将压缩的熔渣冷却气体(15)，通入薄壁金属管材构件(19)内部，对飞溅的熔渣(20)进行冷却防止粘附于薄壁金属管材构件(19)内部；
步骤八、选择光纤激光(16)切割功率、激光切割速度，对制备出的薄壁金属管材构件(19)进行激光切割；
步骤九、激光切割完成后停止通入熔渣冷却气体(15)；
步骤十、五轴3D打印机(18)停止运行，待薄壁金属管材构件(15)冷却至室温后取出。
5.根据权利要求4所述的用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置的切割方法，其特征在于，所述沉积原材料为碳钢或不锈钢时，步骤六中选用氧气为辅助气体(17)；所述沉积原材料为铝、铝合金或钛合金粉末时，步骤六中选用氮气为辅助气体(17)。
6.根据权利要求4或5所述的用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置的切割方法，其特征在于，所述熔渣冷却气体(15)为氧气、空气、氮气或惰性气体。
7.根据权利要求4或5所述的用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置的切割方法，其特征在于，所述步骤八中激光切割功率与速度具体为：碳钢材料的薄壁金属管材构件(19)激光切割速度为5m/min且选用1000W的光纤激光切割功；不锈钢材料的薄壁金属管材构件(19)激光切割速度为1m/min且选用1000W的光纤激光切割功率；铝和铝合金材料的薄壁金属管材构件(19)激光切割速度为4m/min且选用2500W的光纤激光切割功率；钛合金材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为1m/min且选用2500W的光纤激光切割功率。
8.根据权利要求6所述的用于增材制造薄壁金属管件的激光切割装置的切割方法，其特征在于，所述步骤八中激光切割功率与速度具体为：碳钢材料的薄壁金属管材构件(19)激光切割速度为5m/min且选用1000W的光纤激光切割功；不锈钢材料的薄壁金属管材构件(19)激光切割速度为1m/min且选用1000W的光纤激光切割功率；铝和铝合金材料的薄壁金属管材构件(19)激光切割速度为4m/min且选用2500W的光纤激光切割功率；钛合金材料的薄壁金属管材构件激光切割速度为1m/min且选用2500W的光纤激光切割功率。
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