CN114850711B - 一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，包括可旋转的搅拌头，搅拌头下方设置有基板，基板上设有增材层和增材材料，包括：设置在搅拌头下端的裙式轴肩，裙式轴肩为锥形裙摆式结构，裙式轴肩靠近基板侧设有环形凹槽；裙式轴肩与已固结的增材材料接触，并对增材材料进行碾压、搅拌形成增材层；激光组件，激光通道设在搅拌头内部，外部激光束经过激光通道、平面反射镜和环形反射镜的反射作用后，冲击焊接增材材料，使得增材材料固结在上一增材层上。加工方法包括步骤S1‑S8。本发明通过将裙式搅拌头与激光耦合，在搅拌摩擦增材的同时，在增材层表面实时进行激光冲击固结，从而实现无装夹外部进料式搅拌摩擦增材。

Description

一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材作为一种固相增材技术，可以有效避免熔化焊所导致的裂纹、气孔等问题，优势显著。现有增材加工的技术方案中，无论是送丝、粉或棒材都很难保证增材过程中的连续性，搅拌头卧式设计存在接触面小、生产效率低、等诸多问题。立式设计中由于搅拌头与材料之间存在较大摩擦力，从而需要复杂的工装夹具辅助增材过程。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种在增材层表面实时进行激光冲击固结，固结效果好的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，包括可旋转的搅拌头，搅拌头下方设置有基板，基板上设有增材层和增材材料，包括：

设置在搅拌头下端的裙式轴肩，裙式轴肩为锥形裙摆式结构，裙式轴肩靠近基板侧设有环形凹槽；裙式轴肩与已固结的增材材料接触，并对增材材料进行碾压、搅拌形成增材层；

激光组件，包括激光通道、平面反射镜和环形反射镜；激光通道设在搅拌头内部，外部激光束经过激光通道、平面反射镜和环形反射镜的反射作用后，冲击焊接增材材料，使得增材材料固结在上一增材层上。

进一步地，搅拌头内设置有贯穿裙式轴肩内和连接端上部的通孔，通孔的轴线与搅拌头的轴线重合；

环形反射镜设置在裙式轴肩的内壁上，平面反射镜设置在裙式轴肩的中部与环形反射镜配合；连接端的上方依次设置有调焦聚焦镜、准直镜和激光发射器，激光发射器透过准直镜和调焦聚焦镜向平面反射镜发射激光，激光的线束经过通孔的轴线，激光通过平面反射镜和环形反射镜反射作用于裙式轴肩下方的增材材料。

进一步地，平面反射镜安装在旋转电机上，旋转电机通过三叉支撑架设置在裙式轴肩的底部，平面反射镜的旋转平面与裙式轴肩的轴线垂直。

进一步地，裙式轴肩的下端边沿设置有向下开口的环形凹槽，环形凹槽的截面为弧形结构。

提供一种采用上述激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置进行增材加工的方法，其包括以下步骤：

S1：将需要增材的基板放置在加工平台上，搅拌头设置在基板的上方，并且使裙式轴肩倾斜；

S2：利用送料装置将增材所需的增材材料送至基板与搅拌头之间，激光发射器发射激光，透过准直镜和调焦聚焦镜后形成可以用于冲击焊接的激光，通过平面反射镜和环形反射镜的作用，激光高速冲击搅拌头下方的增材材料，驱动增材材料贴合基板并与基板发生冶金结合形成增材材料激光固结区；

S3：旋转驱动装置驱动搅拌头以设定的速度V旋转，裙式轴肩接触增材材料固结区的上表面并挤压搅拌增材材料形成增材层；

S4：利用激光2D传感器沿增材层长度方向进行扫描，并且使激光2D传感器发出的直线激光与增材材料激光固结区长度方向垂直，检测增材材料激光固结区表面的平整度；

S5：建立平整度扫描图，在平整度扫描图上标记出不平整区域；

S6：筛选出位于激光固结轨迹内的凸出区域，以凸出区域的中心作为不紧密连接点；

S7：以增材层的加工起始点作为坐标原点，在平整度扫描图上建立平面坐标系xoy，增材材料激光固结区的延伸方向为x轴的正方向，在平面坐标系xoy中标记出不紧密连接点的坐标（x1，y1）；

S8：搅拌头根据坐标（x1，y1）进行定位，调节转速V和对增材材料的顶锻力和增材时间，对不紧密连接点进行参数实时调节加工，形成稳定、平整的增材层。

本发明的有益效果为：本发明通过将裙式搅拌头与激光耦合，在搅拌摩擦增材的同时，在增材层表面实时进行激光冲击固结，从而实现无装夹外部进料式搅拌摩擦增材。

本发明的增材加工装置为了保证激光冲击的路径单独可调，平面反射镜安装在旋转电机上；通过调整搅拌头的转速、行走速度、下压量等参数，可实现调节搅拌摩擦增材工艺，通过调节激光的功率、冲击频率、平面反射镜的角度、旋转电机的转速，调节激光冲击的能量密度和冲击范围。

本发明在增材过程中，对增材层的平整度进行检查，并准确定位出不平整区域，使得搅拌头在进行二次加工时，只针对不平整区域进行加工，增加了加工效率，缩减了加工成本，确保能形成稳定、平整的增材层。

附图说明

图1为激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置的半剖图。

图2为激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置加工示意图。

图3为激光冲击固结复合搅拌摩擦增材在基板上加工的示意图。

图4为增材材料反应固结状态的示意图。

图5为增材层表面的结构图。

其中，1、连接端，2、搅拌头，3、裙式轴肩，4、环形反射镜，5、平面反射镜，6、旋转电机，7、三叉支撑架，8、环形凹槽，9、增材材料，10、准直镜；11、调焦聚焦镜，12、弧形纹，13、激光固结轨迹，14、基板，15、增材材料激光固结区。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图5所示，本方案的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置包括可旋转的搅拌头2，搅拌头2下方设置有基板14，基板14上设有增材层和增材材料9；

设置在搅拌头2下端的裙式轴肩3，裙式轴肩3为锥形裙摆式结构，裙式轴肩3靠近基板14侧设有环形凹槽8；裙式轴肩3与已固结的增材材料9接触，并对增材材料9进行碾压、搅拌形成增材层；

激光组件，包括激光通道、平面反射镜5和环形反射镜4；激光通道设在搅拌头内部，外部激光束经过激光通道、平面反射镜和环形反射镜的反射作用后，冲击焊接增材材料9，使得增材材料9固结在上一增材层上，形成增材材料激光固结区15。

搅拌头2的上端通过设置连接端1与旋转驱动装置连接；搅拌头2的下端设置有裙式轴肩3，搅拌头2内设置有贯穿裙式轴肩3内和连接端1上部的通孔，通孔的轴线与搅拌头2的轴线重合。

裙式轴肩3的内壁上设置有一圈环形反射镜4，裙式轴肩3的中部设置有与环形反射镜4配合的平面反射镜5；连接端1的上方依次设置有调焦聚焦镜11、准直镜10和激光发射器，激光发射器透过准直镜10和调焦聚焦镜11向平面反射镜5发射激光，激光的线束经过通孔的轴线，激光通过平面反射镜5和环形反射镜4反射作用于裙式轴肩3下方的增材材料9。

平面反射镜5安装在旋转电机6上，旋转电机6通过三叉支撑架7设置在裙式轴肩3的底部，平面反射镜5的旋转平面与裙式轴肩3的轴线垂直。裙式轴肩3的下端边沿设置有向下开口的环形凹槽8，环形凹槽8的截面为弧形结构，环形凹槽8的两侧分别与裙式轴肩3内表面和外表面连接。

上述激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置进行增材加工的方法包括以下步骤：

S1：将需要增材的基板14放置在加工平台上，搅拌头2设置在基板14的上方，并且使裙式轴肩3倾斜；

S2：利用送料装置将增材所需的增材材料送至基板14与搅拌头2之间，激光发射器发射激光，激光透过准直镜10和调焦聚焦镜11后形成用于冲击焊接的激光，再利用平面反射镜5和环形反射镜4的作用，激光高速冲击搅拌头2下方的增材材料，驱动增材材料贴合基板14并与基板14发生冶金结合形成增材材料激光固结区15；

S3：旋转驱动装置驱动搅拌头2以设定的速度V旋转，裙式轴肩3接触固结区的上表面并挤压搅拌增材材料形成增材层；

S4：利用激光2D传感器沿增材层长度方向进行扫描，并且使激光2D传感器发出的直线激光与增材材料激光固结区15的长度方向垂直，检测增材材料激光固结区表面的平整度；

S5：建立平整度扫描图，在平整度扫描图上标记出不平整区域；

S6：筛选出位于激光固结轨迹13内的凸出区域，以凸出区域的中心作为不紧密连接点；

S7：以增材层的加工起始点作为坐标原点，在平整度扫描图上建立平面坐标系xoy，增材材料激光固结区15的延伸方向为x轴的正方向，在平面坐标系xoy中标记出不紧密连接点的坐标（x1，y1）；

S8：搅拌头2根据坐标（x1，y1）进行定位，调节转速V和对增材材料9的顶锻力和增材时间，对不紧密连接点进行参数实时调节加工，形成稳定、平整的增材层。

本发明通过将裙式搅拌头2与激光耦合，在搅拌摩擦增材的同时，在增材层表面实时进行激光冲击固结，从而实现无装夹外部进料式搅拌摩擦增材。

本发明的增材加工装置为了保证激光冲击的路径单独可调，平面反射镜5安装在旋转电机6上；通过调整搅拌头2的转速、行走速度、下压量等参数，可实现调节搅拌摩擦增材工艺，通过调节激光的功率、冲击频率、平面反射镜5的角度、旋转电机6的转速，调节激光冲击的能量密度和冲击范围。

本发明在增材过程中，对增材层的平整度进行检查，并准确定位出不平整区域，使得搅拌头2在进行二次加工时，只针对不平整区域进行加工，增加了加工效率，缩减了加工成本，确保能形成稳定、平整的增材层。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于 本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本 发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的 所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，包括可旋转的搅拌头，所述搅拌头下方设置有基板，所述基板上设有增材层和增材材料，其特征在于，包括：

设置在搅拌头下端的裙式轴肩，所述裙式轴肩为锥形裙摆式结构；所述裙式轴肩与已固结的增材材料接触，并对增材材料进行碾压、搅拌形成增材层；

激光组件，包括激光通道、平面反射镜和环形反射镜；所述激光通道设在搅拌头内部，外部激光束经过所述激光通道、平面反射镜和环形反射镜的反射作用后，冲击焊接增材材料，使得增材材料固结在上一增材层上。

2.根据权利要求1所述的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，其特征在于，所述搅拌头内设置有贯穿裙式轴肩和连接端上部的通孔，所述通孔的轴线与搅拌头的轴线重合；

所述环形反射镜设置在裙式轴肩的内壁上，所述平面反射镜设置在裙式轴肩的中部与环形反射镜配合；所述连接端的上方依次设置有调焦聚焦镜、准直镜和激光发射器，所述激光发射器透过准直镜和调焦聚焦镜向平面反射镜发射激光，所述激光的线束经过通孔的轴线，所述激光通过平面反射镜和环形反射镜反射作用于裙式轴肩下方的增材材料。

3.根据权利要求2所述的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，其特征在于，所述平面反射镜安装在旋转电机上，所述旋转电机通过三叉支撑架设置在裙式轴肩的底部，所述平面反射镜的旋转平面与裙式轴肩的轴线垂直。

4.根据权利要求2所述的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，其特征在于，所述裙式轴肩的下端边沿设置有向下开口的环形凹槽，所述环形凹槽的截面为弧形结构。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置对增材层进行加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将需要增材的基板放置在加工平台上，搅拌头设置在基板的上方，并且使裙式轴肩倾斜；

S2：利用送料装置将增材所需的增材材料送至基板与搅拌头之间，激光发射器发射激光，透过准直镜和调焦聚焦镜后形成可以用于冲击焊接的激光，通过平面反射镜和环形反射镜的作用，激光高速冲击搅拌头下方的增材材料，驱动增材材料贴合基板并与基板发生冶金结合形成增材材料激光固结区；

S3：旋转驱动装置驱动搅拌头以设定的速度V旋转，裙式轴肩接触增材材料固结区的上表面并挤压搅拌增材材料形成增材层；

S4：利用激光2D传感器沿增材层长度方向进行扫描，并且使激光2D传感器发出的直线激光与增材材料激光固结区长度方向垂直，检测增材材料激光固结区表面的平整度；

S5：建立平整度扫描图，在平整度扫描图上标记出不平整区域；

S6：筛选出位于激光固结轨迹内的凸出区域，以凸出区域的中心作为不紧密连接点；

S7：以增材层的加工起始点作为坐标原点，在平整度扫描图上建立平面坐标系xoy，增材材料激光固结区的延伸方向为x轴的正方向，在平面坐标系xoy中标记出不紧密连接点的坐标（x1，y1）；

S8：搅拌头根据坐标（x1，y1）进行定位，调节转速V和对增材材料的顶锻力和增材时间，对不紧密连接点进行参数实时调节加工，形成稳定、平整的增材层。