CN114472927A - 一种多能束选区激光熔化装置及增材方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属增材制造领域技术，提供了一种多能束选区激光熔化装置及增材方法，该系统包括：腔体模块、测温模块、光学模块和铺粉模块。本发明有多束激光同时作用于待熔化金属粉末上，其中主激光束用于选区熔化，辅助激光束光斑通过可行性模式变换，用于对打印路径粉末进行预热并调控部件成型过程的冷却速度。同时，装置依据多元红外测温数值，根据自定义算法，通过区域激光功率密度控制维持区域温度场和增材部件成形过程温度场，改善增材体微观组织结构，有效降低热应力及其诱发的缺陷，可用于焊接敏感材料的增材制造及单晶部件的修复。
Description
技术领域
本发明属于金属激光增材制造领域，涉及一种多能束选区激光熔化装置及增材方法。
背景技术
增材制造技术是一种借助计算机三维建模软件输出模型，通过外加热源熔化材料，然后逐层堆积，进行零部件直接成型的技术，是一种由下而上的制造技术。选区激光熔化(SLM)技术是以激光为热源，通过循环在基板上铺粉，按照设定轨迹进行激光扫描操作完成零件制造。
传统的激光增材制造过程中，只用一个激光做能量源，扫描之前未经预热，产生极大的区域温度梯度，增材制造零部件内部产生巨大的残余应力和孔隙，可能会导致成形过程裂纹萌生甚至部件结构失效。
增材制造过程中，不同部位温度场不同，熔化不同步，凝固不同步，造成不同部位膨胀收缩不一致，产生热应力；熔池液态金属凝固过程中，不同析出相由于析出温度、热膨胀系数和弹性模量等差别，凝固过程中会诱发相变应力。
沉积过程中冷却速度快，温度梯度大，晶体生长具有取向性，力学性能呈现各向异性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种多能束选区激光熔化装置及增材方法，用于减小部件残余应力和改善增材体组织结构。
为实现上述目的，本发明采用辅助激光同步热处理选区激光熔化装置进行增材制造，本装置包括：腔体模块、测温模块、光学模块和铺粉模块，其中腔体模块包括：SLM腔体、真空系统、工作台和机械传动装置；测温模块包括：随着辅助激光光斑同步移动的非接触式红外线测温仪、连接非接触式测温仪的反馈系统；光学模块包括：位于腔体上方的高能量密度的单模光纤激光器、位于腔体上方的辅助大功率多模光纤激光器、控制激光光斑移动的振镜和扫描镜、主激光计算机控制系统、连接反馈系统和调节辅助激光功率的计算机控制系统、固定于箱体顶部的可拆卸更换的DOE光学元件以及固定于腔体顶部的F-Theat场镜；铺粉模块包括：送粉缸、成型缸和铺粉辊。
优选的，所述非接触式红外线测温仪通过主激光器振镜控制对应的扫描镜反射同步移动。
优选的，所述辅助激光器振镜可以改变扫描镜方向来更改辅助激光光斑照射位置，使其可到达成型缸任意位置。
优选的，红外线测温仪通过反馈系统与辅助激光计算机控制系统相连接，反馈系统接收到红外线测温仪测得的实时温度并生成温度变化曲线反馈给辅助激光计算机控制系统，辅助激光计算机控制系统通过曲线调节辅助激光器的功率大小。
优选的，所述不同的DOE衍射光学元件可以将辅助激光光束进行分束、整形、平顶等操作，生成如方形，椭圆形的光斑及其他或规则排列，或不规则排列的激光光斑。
优选的，所述辅助激光移动路径与主激光路径相同，要求主激光转向时，辅助激光光斑同时转向，且主激光光斑一直位于辅助激光光斑中心位置。
一种通过多能束选区激光熔化装置及增材方法提高零件质量的应用，以SLM增材制造长方体316L不锈钢为例，包括以下步骤：
S1、模型处理：把将要打印的模型以STL格式储存，导入切片软件；
S2、单层切片与加工路径生成：确定SLM的沉积方向，根据熔化粉末的性质确定打印层厚，根据切片形状获取每层的加工路径，以316L不锈钢为例，层厚一般采用0.003mm左右，在本例中，选择的加工路径为直线；
S3、DOE光学元件选择：通过不同增材体切面形状，选择合适的DOE光学元件，成型不同的形状，实现不同的分束光斑分布及光斑数目。若增材体切面为长方体形状，则辅助激光光斑形状选择长方形，保证主激光光斑位于长方形对角线位置，使得辅助激光可以起到预热打印路径上的金属粉末和维持熔池瞬态温度场的作用；若增材体两点之间间距较大，由于SLM增材制造过程中主激光移动速度快，故选用分束DOE光学元件，使辅助激光光束分散数目和分束激光光束分布符合主激光运动要求，使在主激光即将扫描的数个地方有辅助激光分束光束预热未熔化的金属粉末，在主激光扫描后几个部位有辅助激光的分束光束快速退火已经熔化凝固的沉积层；
S4、辅助激光功率选择：由于不同金属粉末性质不同，选择不同的激光功率进行预热和维持熔池瞬态温度场，一般来说，熔池温度场的维持对部件性能改善的作用大于预热对部件性能改善的作用，所以，选择激光功率多倾向于维持熔池瞬态温度场所需的温度，同时也应尽量达到预热所需的要求。以316L不锈钢为例，根据经验公式：TP＝455.5[Ceq]p-114.4得出所需的温度，其中Ceq为碳当量，然后根据激光光斑温度，换算辅助激光功率；
S5、主激光功率选择：根据待熔化金属粉末的物理性质和铺粉厚度来选择主激光功率，以316L不锈钢为例，铺粉厚度为0.003mm，主激光功率可选用200W；
S6、扫描速度选择：扫描速度要保证待熔化的金属粉末与基板或上层沉积层充分熔合，以316L不锈钢为例，可选用800mm/s的扫描速度；辅助激光扫描速度与主激光相同；
S7、设置红外测温系统：红外线测温仪所发射的红外线通过主激光器的振镜分别控制相对应的扫描镜反射移动，随着主激光光斑同步运动，测得熔池温度传输到反馈系统中，反馈系统生成温度变化曲线，下层增材时，根据温度变化曲线，控制辅助激光功率大小；
S8、多层切片及加工路径生成：采用切片软件，将零件分割成与第一层厚度相同的数层，生成每层的加工路径；
S9、循环程序：通过循环程序，从第一层开始，逐层打印，直到所分割的每一层都打印完成，制得高质量的零件。
与目前存在的相关技术比较，本发明提供的多能束选区激光熔化装置及增材方法具有如下优点：
本发明提供一种辅助激光同步热处理选区激光熔化成型装置，采用红外线与主激光器同步运动，可以实时检测并记录熔池温度变化；采用辅助激光器与主激光器以相同路径运动的形式，预热打印路径粉末，维持快速凝固熔池区域温度场并降低沉积层冷却速度；辅助激光器采用多模光纤激光器，激光能量不是呈高斯分布，而是光斑内激光能量密度接近，改善了熔池边缘因熔化不充分造成的应力集中，降低裂纹的生成概率；辅助激光器采用合适的DOE光学元件进行整形操作，可适用于不同形状的增材体；选用合适的DOE光学元件进行分束操作，解决了选区激光熔化成型过程中扫描速度快、不同扫描点之间距离较远的问题，实现激光同步辅助打印。
附图说明
图1为本发明提供的一种多能束选区激光熔化装置及增材方法的结构示意图，图中标号：1、F-Theta场镜，2、红外线测温仪与反馈系统连接的导线，3、DOE光学元件，4、反馈系统，5、扫描镜，6、辅助激光经DOE光学系统整形分束后的分束激光，7、反馈系统与辅助激光计算机控制系统连接导线，8、辅助激光器，9、辅助激光计算机控制系统，10、连接辅助激光器计算机控制系统与辅助激光器的导线，11、SLM腔体，12、保护气体出气孔，13、铺粉辊，14、金属粉末，15、送粉缸，16、成型缸，17、金属基板，18、增材体，19、保护气体进气孔，20、经F-Theta场镜聚焦的主激光束和红外线。
图2为图1所示的A部分内部结构图，图中标号：101、图1中的F-Theta场镜，102、扫描镜X，103、振镜X，104、红外线测温仪，105、红外线测温仪与反馈系统所连接的导线，即图1中的标号2，106、主激光器，107、主激光器与主激光器计算机控制系统所连接的导线，108、主激光器计算机控制系统，109、扫描镜Y，110、振镜Y。
图3为当DOE光学元件将辅助激光束整形为长方形时，主激光束与辅助激光束同时照射到基板上的示意图，即图1中B部放大图的一种情况，图中标号：201、金属基板，202、辅助激光长方形光斑，203、F-Theta场镜，204、主激光与红外线光束，205、主激光束形成的光斑，206、DOE光学元件，207、未整形的辅助激光束。
图4为当DOE光学元件起分束作用将辅助激光分成数个分束光束时，主激光束与辅助激光分束同时照射到基板的场景，即图1中B部放大图的另一种情况，图中标号：301、金属基板，302、未经主激光束融化的辅助激光束预热部分，303、F-Theta场镜，304、主激光束，305、在主激光束正在熔化部分，306、DOE光学元件，307、辅助激光束，308、经过主激光束熔化的辅助激光快速退火部分。
图5为高能量单模激光束能量密度随光斑范围分布的示意图。
图6为多模辅助激光能量密度随光斑范围分布的示意图。
具体实施方法
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种多能束选区激光熔化装置及增材方法技术，包括以下步骤：
结合参阅图1，图2，其中，图1为辅助激光同步热处理选区激光熔化装置，图2为主激光束与红外线测温仪发出的红外线通过振镜控制扫描镜反射，再通过F-Theta场镜聚焦集中到金属基板上的内部结构，一种辅助激光同步热处理选区激光熔化装置包括如下装置：F-Theta场镜1，可拆卸更换的DOE光学元件3，反馈系统4，辅助激光束扫描镜5，辅助多模光纤激光器8，辅助计算机控制系统9，SLM腔体11，铺粉辊13，送粉缸15，成型缸16，金属基板17，扫描镜X102，振镜X103，红外线测温仪104，单模光纤激光器106，主激光器计算机控制系统108，扫描镜Y109，振镜Y110。
所述主激光器采用高能量单模光纤激光器106，其激光能量密度随光斑范围分布如图5所示，激光能量集中于光斑中心，光斑边缘激光能量低，沉积过程中温度场分布不均匀。主激光器发射出激光后，如图2所示，通过振镜X103控制转动的扫描镜X102，通过振镜Y110控制转动的扫描镜Y109，使其光斑可以在X轴和Y轴平面上任意运动。
所述的辅助激光器采用多模光纤激光器8，其能量密度随光斑范围分布如图6所示，能量密度在光斑边缘和光斑中心位置差别不大，能更好的起到对金属粉末均匀预热和在主激光束扫过之后对沉积层快速退火的作用。激光器发出激光后，首先到达扫描镜5，通过振镜控制其转动，使激光光斑可以在X轴和Y轴方向所形成的平面内任意运动。辅助激光与主激光运动路径相同。
所述可拆卸更换DOE光学元件的主要作用是对辅助激光做整形或分束等操作，在增材制造前，根据所要制造的零件形状，选择合适的DOE光学元件将辅助激光整形或分束。由于SLM沉积过程中主激光束扫描速度非常快，在两个扫描点之间的时间间距达到微秒级别，选用合适的DOE光学元件非常重要。如当所要制造的零件为类似长方体类型时，如图3所示，选用DOE光学元件可以将辅助激光束整形成狭长的长方形，辅助激光束的光斑面积202远大于主激光束的光斑面积205，为预热和减慢冷却速度提供足够长的时间；当所要增材制造的零件两点之间间隔较大时，根据增材体的形状选用合适的DOE光学元件将辅助激光束分束成为规则或不规则排列的分束激光，由于SLM制造零件精密，所选用的激光束直径小，分束得到的每个分束的光斑面积大于主激光束的光斑面积，且主激光束光斑落于其中某分束光斑中，保证有数个子激光束预热主激光束即将要扫过的部分，且在主激光束已经扫过的部分，也有数个辅助激光分束光斑照射，起到维持稳定温度场的作用。如图4所示，深灰色部分308为分束激光束减慢已经由主激光熔化部分的冷却速度，浅灰色部分305表示其中一个辅助分束正在与主激光束一起运动，白色部分302为主激光光斑即将熔化部分，辅助分束激光对其进行预热，主激光束与辅助激光的分束光束整体按照此规律运动。
所述红外线测温仪104主要作用是实时监测主激光束所照射部位的温度，红外线测温仪发射出的红外线与主激光器光束通过同样的振镜控制扫描镜同步移动，并通过F-Theta场镜1(101)聚焦于一点，如图2所示，在熔化过程中收集熔池的温度，并将其信息传递给反馈系统。
所述反馈系统4主要作用是将红外线测温仪传来的温度信息转换为辅助激光计算机控制系统9可识别的信息。红外线测温仪检测熔池的实时温度并传递给反馈系统，反馈系统自动生成温度变化相应的曲线，由于SLM制造过程速度快，熔池温度变化范围大，辅助激光难以实时变化功率来配合温度变化，故通过反馈系统生成温度变化曲线来调节打印下层增材体时辅助激光功率的变化。
一种多能束选区激光熔化装置及增材方法应用，包括以下步骤：
S1、模型处理：将已经建好的三维模型软件以STL格式保存，并导入到切片软件中；
S2、单层切片和加工路线生成：确定SLM的沉积方向，根据熔化粉末的性质确定打印层厚，根据切片形状获取每层的加工路径；
S3、DOE光学元件选择：通过不同增材体切面形状，选择合适的DOE光学元件，成型不同的形状，实现不同的分束光斑分布及光斑数目，合适的DOE光学元件可保证辅助激光束的光斑面积大于主激光器光斑，且在不同形状和不同光束中，主激光光斑落于辅助激光中间。由于SLM扫描速度快，在主激光束熔化过的部分和即将要熔化的部分都有辅助激光照射，保证同步热处理的进行；
S4、辅助激光功率选择：根据不同金属粉末性质不同，选择不同的激光功率进行预热和温度场维持，一般来说，快速退火温度场维持对零件性能改善效果大于预热对零件性能的改善效果，所以，选择激光功率多倾向于维持熔池温度场所需的温度，同时也应尽量达到预热所需的要求。维持熔池瞬态温度场以达到快速退火目的所需要的激光功率可通过能量密度要求选择，其中最小能量密度为：,其中代表材料表面吸收率，代表激光功率，代表扫描速度，代表粉层厚度，代表光束半径，材料密度，代表粉末材料比热容，Tm和T0分别代表粉末材料的液相线温度和初始温度；
S5、主激光功率选择：根据待熔化金属粉末的物理性质和铺粉厚度来选择主激光功率；
S6、扫描速度选择：扫描速度要保证待熔化的金属粉末与基板或上层沉积层充分熔合，辅助激光与主激光扫描速度相同；
S7、设置红外测温系统：红外线测温仪所发射的红外线通过主激光器的振镜控制的扫描镜反射移动，随着主激光光斑同步运动，测得熔池温度传输到反馈系统中，反馈系统根据熔池温度生成温度变化曲线，并在下层沉积时根据温度变化曲线改变辅助激光功率；
S8、多层切片及加工路径生成：采用切片软件，将零件分割成与第一层厚度相同的数层，生成每层的加工路径；
S9、程序运行：启动系统，送粉缸上升一个层厚高度，铺粉辊使金属粉末平铺到金属基板上，开启辅助激光器，使其光斑落于金属粉末上，预热粉末，启动主激光器和红外线测温仪，使其照射于所铺金属粉末上，且主激光束光斑落于辅助激光束光斑中，并按照生成的每一层路径运动，熔化在金属基板上铺的粉末，并收集熔池温度传递到反馈系统，主激光器运动的同时，辅助激光器同时运动，且扫描路径和速度相同，一层零件制造完成后，成型缸下降一个层厚高度，送粉缸上升一个层厚高度，铺粉辊重新在已经打印的沉积层上均匀的铺设粉末，一层打印完成后，通过循环程序，逐层打印，直到所分割的每一层都打印完成，制得高质量的零件。
与相关技术相比，辅助激光同步热处理选区激光熔化装置应用具有如下增益：
采用辅助激光同步预热，相比于其他方法中的先预热，再打印，减少了工艺程序；预热减小了熔化过程中基板与熔化金属粉末的温度差，减小了增材制造过程中因为急冷和急热而产生的高应力；采用辅助激光同步热处理，相较于全部沉积完再热处理，同样减少了工艺过程，且热处理减小了熔池的冷却速度，改善了由于不同金属之间热膨胀系数不同而造成的热应力和由于温度场不均匀的现象，减小了不同相之间由于比热容的不同而在沉积过程中产生的相变应力，减小了工件变形开裂的概率；采用DOE光学元件来改变辅助激光的形状和光束数目分布，满足了SLM增材制造过程中主激光移动速度快的要求，而采用其他方法通过机械传动，很难达到相同的速度；采用红外线测温仪实时采集熔池温度，进而改变辅助激光功率，可用于不同部位主激光熔化的不同情形。
本发明属于金属增材制造领域技术，提供了一种多能束选区激光熔化装置及增材方法，该系统包括：腔体模块、测温模块、光学模块和铺粉模块。本发明有多束激光同时作用于待熔化金属粉末上，其中主激光束用于选区熔化，辅助激光束光斑通过可行性模式变换，用于对打印路径粉末进行预热并调控部件成型过程的冷却速度。同时，装置依据多元红外测温数值，根据自定义算法，通过区域激光功率密度控制维持区域温度场和增材部件成形过程温度场，改善增材体微观组织结构，有效降低热应力及其诱发的缺陷，可用于焊接敏感材料的增材制造及单晶部件的修复。
Claims (7)
1.一种多能束选区激光熔化装置，其特征在于，包括：腔体模块、测温模块、光学模块和铺粉模块四大部分，其中腔体模块包括：SLM腔体、真空系统、工作台和机械传动装置；测温模块包括：随着主激光光斑同步移动的非接触式红外线测温仪、连接非接触式测温仪的反馈系统；光学模块包括：位于腔体上方的高能量密度的单模光纤激光器、位于腔体上方的辅助大功率多模光纤激光器、控制激光光斑移动的振镜和扫描镜、固定于箱体顶部可拆卸更换的DOE光学元件、固定于腔体顶部的F-Theat场镜、主激光计算机控制系统和辅助激光控制系统；铺粉模块包括：送粉缸、成型缸和铺粉辊。
2.如权利要求1所述的一种多能束选区激光熔化装置，其特征在于，所述光学模块主激光器采用高能量密度的单模光纤激光器。
3.如权利要求1所述的一种多能束选区激光熔化装置，其特征在于，所述光学模块辅助激光器采用多模光纤激光器。
4.如权利要求1所述的一种多能束选区激光熔化装置，其特征在于，所述光学模块选择通过可行性模式变换，满足SLM制造过程中速度快特点的合适的DOE光学元件。
5.如权利要求1所述的一种多能束选区激光熔化装置，所述测温模块红外线测温仪与主激光器通过同一振镜控制扫描镜移动。
6.如权利要求1所述的一种多能束选区激光熔化增材方法，其特征在于，测温模块将反馈系统与红外线测温仪和辅助激光计算机控制系统连接，辅助激光计算机控制系统连接辅助激光器，控制其功率以满足不同材料的预热和快速退火要求，维持熔池瞬态温度场以达到快速退火的目的所需要的激光功率可通过能量密度要求选择，其中最小能量密度为：Emin＝A′q/[2vlrBρcp(Tm-T0),其中A′代表材料表面吸收率，q代表激光功率，v代表扫描速度，l代表粉层厚度，rB代表光束半径，ρ材料密度，cp代表粉末材料比热容，Tm和T0分别代表粉末材料的液相线温度和初始温度，辅助激光系统与主激光器采用同一个扫描轨迹和速度。
7.一种多能束选区激光熔化增材方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、模型处理与切片：将以STL格式保存的三维零件模型导入切片软件中，分割成厚度相同的片状结构，并通过每层的切面形状，生成扫描路径；
S2、零件选择：通过扫描路径，选择合适的DOE光学元件处理辅助激光光束，使其可以同时起到预热粉末和维持熔池瞬态温度场来快速退火的作用；
S3、参数设置：通过待熔化粉末的物理性质，选择熔化所需的温度对应的主激光功率，选择预热和快速退火的合适温度对应的辅助激光功率，其中，根据材料不同，选择辅助激光预热或快速退火的倾向性不同；根据激光功率和粉末的物理性质，选择合适的扫描速度；设置反馈激光功率，反馈系统根据红外线测温仪所收集的温度数据输出不同的信号，辅助激光计算机控制系统依据信号调节辅助激光功率；
S4、程序运行：启动主激光器和红外线测温仪，使其照射于所铺金属粉末上，且主激光束光斑位于辅助激光束光斑中，并按照每层生成的路径运动，熔化在金属基板上铺的粉末，同时收集熔池温度传递到反馈系统，在主激光器运动的同时，辅助激光器按照同样的路径运动，红外线测温仪收集实时温度并传递给反馈系统，生成温度变化曲线，下层沉积时辅助激光功率按照曲线改变；
S5、完成制造：第一层零件制造完成后，重复铺粉送粉工序，循环以上操作，完成高性能高质量零件的制造。
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