CN114559060A - 一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位激光冲击强化‑激光增材制造装置及方法。该装置包括：成形室、控制系统、激光粉末床熔化激光系统、原位脉冲激光冲击强化激光系统、振镜、扫描镜头、监控单元。本发明将激光粉末床熔化与脉冲激光冲击强化结合，成形与强化过程交替进行，可节省构件加工时间，提高加工效率，改善激光增材制造成形金属层的性能。结合金属增材制造逐层成形特点，创新地实现了利用表面处理工艺改善金属构件整体性能，大幅提高了金属激光粉末床熔化一次成型质量。

Description

一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置及方法
技术领域
本发明属于金属增材制造领域及材料强化领域，尤其涉及一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造技术出现于20世纪80年代，是目前世界上快速发展的先进制造技术之一，部分技术已成熟应用于工业生产中。其中，基于粉末逐层精细铺粉、激光逐层熔凝堆积方式的激光粉末床熔化技术，是利用高能激光熔化处于松散状态的金属粉末薄层，成形任意复杂形状的高致密度构件。激光粉末床熔化技术成形精度高、对特殊复杂结构(如悬垂结构、薄壁结构、复杂曲面、空间点阵等)制造适用程度高，尤其适合于中小型复杂构件直接紧密净成形。
激光冲击强化是一种利用高能量脉冲激光诱导冲击波实现金属表面强化的表面处理技术，可在材料近表面区域引入压缩残余应力，有效改善金属材料表面有害缺陷，减轻或消除拉伸残余应力带来的不利影响，从而提高材料疲劳寿命及抗应力开裂能力。
虽然目前激光粉末床熔化成形构件机械性能已经接近传统工艺产品，但仍有一些固有缺陷，包括有害拉伸残余应力的积累。脉冲激光冲击强化是一种可有效改善激光粉末床熔化成形金属构件表面性能的表面处理技术。但传统工艺流程中，激光粉末床熔化成形结束之后再进行脉冲激光冲击强化处理，如此只能对金属构件近表层缺陷进行处理，难以涉及构件内部，而且耗时较长、效率较低。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决传统金属激光增材制造过程中，成形与强化依次分步进行的加工工艺仅能改善金属构件近表层性能且加工效率较低的不足。为了解决上述问题，本发明提供一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置及方法，能够在金属激光增材制造过程中同步实现原位强化，减少构件缺陷和拉伸残余应力，提升构件表面和内部性能，同时提高金属增材制造加工效率。
技术方案：本发明提供了一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置，该装置至少包括：
成形室：密封结构，内部为高浓度氮气环境；
控制系统：用于根据加工方案控制装置各组成部分；
激光粉末床熔化激光系统：用于提供激光粉末床熔化过程所需能源；
原位脉冲激光冲击强化激光系统4：用于提供原位脉冲激光冲击强化过程所需能源；
振镜Ⅰ；
振镜Ⅱ；
振镜Ⅲ；
扫描镜头；
监控单元。
所述振镜Ⅰ位于激光粉末床熔化激光系统下方，所述振镜Ⅲ位于原位脉冲激光冲击强化激光系统下方，所述振镜Ⅱ位于所述振镜Ⅰ和所述振镜Ⅲ之间，振镜Ⅰ和振镜Ⅱ共同用于控制激光粉末床熔化激光系统激光光路，振镜Ⅲ和振镜Ⅱ共同用于控制原位脉冲激光冲击强化激光系统激光光路。
进一步地，在激光粉末床熔化过程，振镜Ⅱ与振镜Ⅰ共同用于控制激光粉末床熔化激光系统激光光路，此时振镜Ⅱ无法与振镜Ⅲ共同用于控制原位脉冲激光冲击强化激光系统激光光路；在原位脉冲激光冲击强化过程，振镜Ⅱ与振镜Ⅲ共同用于控制原位脉冲激光冲击强化激光系统激光光路，此时振镜Ⅱ无法与振镜Ⅰ共同用于控制激光粉末床熔化激光系统激光光路。
本发明还提供了一种原位激光冲击强化-激光增材制造方法，可适用于上述任一项所述的原位激光冲击强化-激光增材制造装置，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取金属构件三维实体几何模型和切片数据；
步骤2、设计加工计划；
步骤3、加工前设备准备；
步骤4、根据所述加工计划，使用所述原位激光冲击强化-激光增材制造装置进行加工。
优选的，所述步骤(4)中原位脉冲激光冲击强化激光系统4扫描策略为：选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑半径为R1，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与相邻的圆形光斑相切且所围成的空隙最小，所述第一层光斑中任意三个两两相邻圆形光斑的圆心构成等边三角形；以所述等边三角形几何中心为圆心，以r为半径，得到第二层圆形光斑，其中r满足
Figure BDA0003516855620000031
在所述激光粉末床熔化激光系统的扫描路径上依次使用所述第一层光斑、第二层光斑对所述金属构件层表面进行强化操作。
优选的，所述步骤(4)中原位脉冲激光冲击强化激光系统4扫描策略为：设定预设半径R2，从所述激光粉末床熔化激光系统的扫描路径起点处，每隔R2以预设半径R2的圆形光斑对所述金属构件层表面进行强化操作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明在激光粉末床熔化成形过程中引入原位脉冲激光冲击强化，并在一台设备中实现。相对于传统的“先成形，再强化”的加工模式，本发明中成形与强化过程交替进行，可节省构件加工时间，提高加工效率，改善激光粉末床熔化成形金属层性能。结合金属增材制造逐层成形特点，创新地实现了利用表面处理工艺改善金属构件整体性能的效果，大幅提高了金属激光粉末床熔化一次成型质量。
附图说明
图1是本发明所述的一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置示意图；
图2是本发明所述的一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置激光粉末床熔化过程振镜Ⅱ示意图；
图3是本发明所述的一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置原位脉冲激光冲击强化过程振镜Ⅱ示意图；
图4是本发明所述的一种原位激光冲击强化-激光增材制造方法制造过程示意图；
图5是本发明实施例1的显微组织图像；
图6是本发明实施例2的显微组织图像；
图7是本发明实施例3的显微组织图像；
其中，1-成形室；2-控制系统；3-激光粉末床熔化激光系统；4-原位脉冲激光冲击强化激光系统；5-振镜Ⅰ；6-振镜Ⅱ；7振镜Ⅲ；8-扫描镜头；9-监控单元；10-激光粉末床熔化成形的金属层；11-经过原位脉冲激光冲击强化的激光粉末床熔化成形金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明实施例首先提供了一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置，该原位激光冲击强化-激光增材制造装置至少包括：
成形室1；所述成型室1外设置有控制系统2；所述成型室1外上方设置有激光粉末床熔化激光系统3、原位脉冲激光冲击强化激光系统4、振镜Ⅰ5、振镜Ⅱ6、振镜Ⅲ7、扫描镜头8及监控镜头9。
下面将对本发明实施例中的上述原位激光冲击强化-激光增材制造装置进一步的详细说明。
所述振镜Ⅱ6在激光粉末床熔化过程与所述振镜Ⅰ5共同用于控制所述激光粉末床熔化激光系统3激光光路，此时所述振镜Ⅱ6无法与所述振镜Ⅲ7共同用于控制所述原位脉冲激光冲击强化激光系统4激光光路，如图2所示。
所述振镜Ⅱ6在原位脉冲激光冲击强化过程与所述振镜Ⅲ7共同用于控制所述原位脉冲激光冲击强化激光系统4激光光路，此时所述振镜Ⅱ6无法与所述振镜Ⅰ5共同用于控制所述激光粉末床熔化激光系统3激光光路，如图3所示。
本发明实施例还提供了一种原位激光冲击强化-激光增材制造方法，应用于所述的原位激光冲击强化-激光增材制造装置，该方法步骤包括：步骤S1～步骤S4。
步骤S1：获取金属构件三维实体几何模型和切片数据；
具体的，首先构建金属构件三维实体几何模型，然后对该模型用3D打印模型处理软件进行切片处理，得到金属构件激光粉末床熔化成形过程所需分层切片数据。
步骤S2：设计加工计划；
具体的，将所述金属构件激光粉末床熔化成形过程根据需求进行合理分节，每两节之间加入原位脉冲激光冲击强化过程，得到激光粉末床熔化成形过程和原位脉冲激光冲击强化过程交替进行的加工计划，并设定好激光功率、扫描速度、扫描策略、脉冲激光能量等全部加工工艺参数。
步骤S3：加工前设备准备；
具体的，将所述原位激光冲击强化-激光增材制造装置清理后，准备好加工所需设备条件。
步骤S4：根据所述加工计划，使用所述原位激光冲击强化-激光增材制造装置进行加工；
具体的，根据步骤S1所述分层切片数据和步骤S2所述加工计划进行加工，激光粉末床熔化成形过程和原位脉冲激光冲击强化过程交替进行，直至整个金属构件成形完毕(如图4所示)。
下面参考图5、图6、图7结合具体实施例结果说明本发明所述装置和方法的有益效果。
实施例1、实施例2、实施例3在激光粉末床熔化阶段的加工工艺参数相同，激光功率均为240W，扫描速度均为100mm/s。不同之处在于，实施例1未经原位脉冲激光冲击强化，实施例2原位脉冲激光冲击强化激光能量为20J，实施例3原位脉冲激光冲击强化激光能量为40J。
如图5所示，实施例1显微组织中裂纹较多，另经残余应力测试仪测量，表面有较大拉伸残余应力。
如图6所示，实施例2显微组织中裂纹明显减少，另经残余应力测试仪测量，表面拉伸残余应力明显减小。
如图7所示，实施例3显微组织中裂纹大大减少，另经残余应力测试仪测量，表面有一定的压缩残余应力。

Claims (6)

1.一种原位激光冲击强化-激光增材制造装置，其特征在于，包括：
成形室(1)：密封结构；
控制系统(2)：用于根据加工方案控制装置各组成部分；
激光粉末床熔化激光系统(3)：用于提供激光粉末床熔化过程所需能源；
原位脉冲激光冲击强化激光系统(4)：用于提供原位脉冲激光冲击强化过程所需能源；
振镜Ⅰ(5)；
振镜Ⅱ(6)；
振镜Ⅲ(7)；
扫描镜头(8)；
监控单元(9)；
所述振镜Ⅰ(5)位于激光粉末床熔化激光系统(3)下方，所述振镜Ⅲ(7)位于原位脉冲激光冲击强化激光系统(4)下方，所述振镜Ⅱ(6)位于所述振镜Ⅰ(5)和所述振镜Ⅲ(7)之间，振镜Ⅰ(5)和振镜Ⅱ(6)共同用于控制激光粉末床熔化激光系统(3)激光光路，振镜Ⅲ(7)和振镜Ⅱ(6)共同用于控制原位脉冲激光冲击强化激光系统(4)激光光路。
2.根据权利要求1所述的原位激光冲击强化-激光增材制造装置，其特征在于，在激光粉末床熔化过程，振镜Ⅱ(6)与振镜Ⅰ(5)共同用于控制激光粉末床熔化激光系统(3)激光光路，此时振镜Ⅱ(6)无法与振镜Ⅲ(7)共同用于控制原位脉冲激光冲击强化激光系统(4)激光光路；在原位脉冲激光冲击强化过程，振镜Ⅱ(6)与振镜Ⅲ(7)共同用于控制原位脉冲激光冲击强化激光系统(4)激光光路，此时振镜Ⅱ(6)无法与振镜Ⅰ(5)共同用于控制激光粉末床熔化激光系统(3)激光光路。
3.根据权利要求1所述的原位激光冲击强化-激光增材制造装置，其特征在于，所述成形室(1)内部为高浓度氮气环境。
4.一种原位激光冲击强化-激光增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取金属构件三维实体几何模型和切片数据；
步骤2、设计加工计划；
步骤3、加工前设备准备；
步骤4、根据所述加工计划，使用所述原位激光冲击强化-激光增材制造装置进行加工。
5.根据权利要求4所述的原位激光冲击强化-激光增材制造装置的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中原位脉冲激光冲击强化激光系统4扫描策略为：选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑半径为R1，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与相邻的圆形光斑相切且所围成的空隙最小，所述第一层光斑中任意三个两两相邻圆形光斑的圆心构成等边三角形；以所述等边三角形几何中心为圆心，以r为半径，得到第二层圆形光斑，其中r满足
Figure FDA0003516855610000021
在所述激光粉末床熔化激光系统的扫描路径上依次使用所述第一层光斑、第二层光斑对所述金属构件层表面进行强化操作。
6.根据权利要求4所述的原位激光冲击强化-激光增材制造装置的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中原位脉冲激光冲击强化激光系统4扫描方法为：设定预设半径R2，从所述激光粉末床熔化激光系统的扫描路径起点处，每隔R2以预设半径R2的圆形光斑对所述金属构件层表面进行强化操作。
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