CN115090904B - 实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时光束整形激光‑感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置，该方法包括：激光－感应复合熔覆的同时，对光束进行实时高频振荡与光束整形以及对每道熔覆层进行超声滚压(微锻)处理，调节熔池温度梯度分布与熔池搅拌程度，细化显微组织与降低表面粗糙度，提高抗疲劳性能。本发明通过调节激光功率和波长、高频振镜控制器的振幅及频率、不同形态光束的实时自动切换、超声滚压装置的滚压力与超声频率及振幅，在相对单纯激光熔覆增材制造效率提高5‑8倍条件下，实现大尺寸、复合结构、无裂纹、全等轴晶的实时光束整形激光‑感应/微锻复合熔覆增材制造一体化调控。

Description

实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及表面强化与增材制造技术领域，特别是涉及一种实时光束整形激光－感应/ 微锻复合熔覆增材制造方法及装置。

背景技术

激光熔覆技术是一种涉及激光技术、材料表面改性技术、传感技术、计算机技术和信息与智能于一体的多学科交叉边缘学科技术，属于高端装备制造领域。众所周知，激光熔覆技术具有能量密度高、加工区域可选可控、基材热影响区与热变形小、涂层显微组织细小与致密以及与基材呈结合强度高的冶金结合等优点，在表面强化技术领域具有广阔的应用前景。

相对于传统熔铸技术而言，基于分层切片与逐层堆积的激光熔覆增材制造(直接能量沉积)技术在制造大尺寸、结构复杂、高性能金属方面具有十分明显的优势，受到研究者的广泛关注。但是，该技术是一个非平衡凝固过程，超高温度梯度与超快冷却速度使增材制造构件易形成柱状枝晶、气孔与裂纹、各向异性，严重限制了激光熔覆增材制造技术在工业领域中的实际应用。

激光-感应复合熔覆技术是将高频感应与激光熔覆实时复合的新型熔覆技术。作为激光熔覆的升级技术,激光-感应复合熔覆技术不是激光和感应热源的简单相加，感应加热的引入使熔覆过程中的物理化学与冶金过程变化更加复杂,可以明显降低熔温度梯度与减小残余应力，消除熔覆层裂纹。因此，基于分层切片与激光－感应复合熔覆的增材制造技术可以在成形效率相对单纯激光熔覆增材制造技术提高1～5倍条件上，实现大尺寸、复杂结构与高性能金属的激光－感应复合熔覆无裂纹增材制造。但是，在激光－感应复合熔覆增材制造过程中，激光束能量通常为高斯分布且光斑形状不可调，遇到曲面成形，由于能量分布不匀以及温度梯度较高，极易诱导柱状晶生长与组织结构偏析，使增材制造构件呈各向异性。

相对于机械搅拌而言，激光束高频振荡产生的搅拌效应而增强熔池对流,实现熔池内搅拌强度与对流的有效调控，提高熔池内热量分布均匀性，在细化晶粒、降低裂纹率与气孔率、改善强韧性、消除组织不均匀性与性能各向异性以及易于实现自动控制等方面具有十分明显的优势。此外，目前没有发现将高频振荡引入实时光束整形激光－感应复合熔覆并同时进行微锻，实现全等轴晶高性能金属无裂纹增材制造的文献报道。

发明内容

为了克服激光熔覆增材制造过程中，由于激光束能量分布不匀引起成分偏析以及快速凝固产生残余热应力导致裂纹产生和扩展等问题，本发明提供了一种实时光束整形激光－感应/ 微锻复合熔覆增材制造方法及装置，通过该方法可以减少或消除熔覆层裂纹，提高金属熔覆层质量。

本发明的第一个目的在于提供一种实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法。

本发明的第二个目的在于提供一种实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造装置。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，所述方法包括：

(1)将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理后，对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；

(2)将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在3.0～6.0mm内，感应温度控制在 600～800℃；

(3)激光器发射出的高斯激光束经过光束整形器转变为均匀强度分布的平顶光束，平顶光束通过反光镜传输至聚光镜聚焦，通过场镜调节成像光束位置，使平顶光束到达加工机床，其中，光束整形器的衍射光学元件为内置圆孔群的圆盘器件，通过电动切换装置切换衍射光学元件的圆孔用于实时调整光束形状，得到所需形状的平顶光束；

(4)将平顶光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合；根据需成形构件CAD模型分层切片，获得一系列实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹；

(5)调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力同时施加到滚压头接触的熔覆层表面，每一道熔覆层的变形量控制在2～8％的同时进行超声冲击，从而实现超声滚压微锻；

(6)实施实时光束整形、高频振动与激光－感应复合熔覆的同时对形成的每一道熔覆层进行超声滚压微锻处理，细化显微组织与降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；

(7)当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成熔覆层；当复合熔覆完一层之后，将复合熔覆增材制造加工头返回到当前层加工时的起始位置，并沿Z轴上升当前层的厚度距离；

(8)检测熔覆层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)～(7)，直到熔覆层达到构件所要求的厚度。

进一步地，激光与感应复合采用后热式激光－感应复合熔覆、耦合式激光-感应复合熔覆或预热式激光－感应复合熔覆。

进一步地，所述激光器为CO₂气体激光器、半导体激光器或光纤激光器，所述复合熔覆增材制造加工头包括光束整形器、反光镜、聚光镜、高频振镜控制器、场镜、同轴粉末喷嘴和感应加热线圈。

进一步地，所需形状的平顶光束为帽子形平顶光束、圆形平顶光束、山峰形平顶光束、矩形平顶光束、线形平顶光束或双峰形平顶光束，或者通过对圆孔群的数目和大小进行调控以得到特定形状的平顶光束。

进一步地，激光扫描速度3～6m/min，送粉率120～250g/min，搭接率为50～55％，单道熔覆厚度为0.5～2mm。

进一步地，滚压头与熔覆层表面垂直，其中超声滚压工艺参数为：滚压力0～3000N，超声振幅1～50um，超声频率20～50kHz。

进一步地，通过调控激光束在熔池内的搅拌强度、调控熔池的流动方向，以及调整光束形状，获得全等轴晶以及消除组织各向异性；其中，通过调节激光束功率、高频振动器的振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向。

进一步地，激光束振荡频率为20～5000Hz，激光束振荡扫描图形为圆形、螺旋形或三角形，以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面横向方向为Y轴，将垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-3～3mm，Y轴方向-3～3mm，Z轴方向-6～6mm，激光束振荡扫描图形为圆形、螺旋形或三角形。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造装置，所述装置包括自动送粉器、激光器、机器人、复合熔覆增材制造加工头、数控装置、加工机床、超声滚压装置与惰性气体保护罩，所述数控装置分别与激光器、自动送粉器、超声滚压装置、加工机床、机器人连接，所述激光器与机器人连接，所述自动送粉器与复合熔覆增材制造加工头连接，所述复合熔覆增材制造加工头安装在机器人上，所述机器人用于调节复合熔覆增材制造加工头与加工机床之间的距离与角度，其中：

所述复合熔覆增材制造加工头包括光束整形器、反光镜、聚光镜、高频振镜控制器、场镜、同轴粉末喷嘴和感应加热线圈；所述光束整形器包括衍射光学元件、圆孔群以及电动切换装置，所述衍射光学元件上的圆孔群用于设计激光束形状，熔覆过程中通过电动切换装置实时切换所需要的激光束形状；

所述超声滚压装置位于工件上方，并与熔覆层表面实时接触，进行高频表面冲击而实现微锻。

所述自动送粉器、激光器、机器人、数控装置、加工机床、复合熔覆增材制造加工头、超声滚压装置位于充有氮气或氩气的惰性气体保护罩内。

进一步地，所述复合熔覆增材制造加工头内的激光光束与所述自动送粉器中的同轴送粉口的中轴线重合；

所述超声滚压装置包括超声波换能器、变幅杆、滚压头以及超声波控制器；

所述高频振镜控制器安装有用于激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过光束整形器中光学衍射元件上设计圆孔群，利用不同圆孔得到圆形平顶光束、山峰形平顶光束、矩形平顶光束、线形平顶光束、双峰形平顶光束或帽子形平顶光束等多种形态光束的自动切换，满足多工况下研究应用需求。

2、本发明通过将衍射光学元件上的圆孔群与电动切换装置相结合应用在激光熔覆过程中，将原本只能发射单一平顶光束的激光器转换为多种平顶光束，提供了满足不同工艺的通用解决方案，而无需改变激光结构、复杂的电子设备或特殊的光纤操作，拥有成型自由度(任何形状都可以设计)、制造灵活性等关键优势。

3、本发明通过实时光束整形、激光－感应复合熔覆、高频振动激光束以及超声滚压微锻，在相对单纯激光熔覆增材制造效率提高5-8倍条件下，实现无裂纹、组织均匀且细小、全等轴晶、无各向异性、表面光洁、高性能金属构件的增材制造。

4、本发明提供的装置通用性较强，通过在光束整形器的衍射光学元件上设计圆孔群，将衍射光学元件上的圆孔群与电动切换装置相结合应用在激光熔覆过程中，将原本只能发射单一平顶光束的激光器转换为多种平顶光束，能够满足不同工艺需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造装置示意图。

图2为光束整形器中的衍射光学元件。

图3(a)为光束整形器通过衍射光学元件调整的光束形状为圆形平顶光束。

图3(b)为光束整形器通过衍射光学元件调整的光束形状为山峰形平顶光束。

图3(c)为光束整形器通过衍射光学元件调整的光束形状为矩形平顶光束。

图3(d)为光束整形器通过衍射光学元件调整的光束形状为线形平顶光束。

图3(e)为光束整形器通过衍射光学元件调整的光束形状为双峰形平顶光束。

图3(f)为光束整形器通过衍射光学元件调整的光束形状为帽子形平顶光束。

图1中：

1-自动送粉器，2-激光器，3-机器人，4-光束整形器，4’-复合熔覆增材制造加工头， 5-反光镜，6-聚光镜，7-高频振镜控制器，8-场镜，9-同轴粉末喷嘴，10-感应加热线圈，11- 夹具，12-加工机床，13-超声波换能器，13’-超声滚压装置，14-变幅杆，15-滚压头，16-超声波控制器，17-数控装置，18-惰性气体保护罩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1：

本实施例提供了一种实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造装置，该装置包括自动送粉器、激光器、机器人、数控装置、加工机床、复合熔覆增材制造加工头、超声滚压装置与惰性气体保护罩。复合熔覆增材制造加工头主要由光束整形器、反光镜、聚光镜、高频振镜控制器、场镜、同轴粉末喷嘴、感应加热线圈组成。

该装置通用性较强，可以对工件的表面进行实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造，数控装置17分别通过光纤与自动送粉器1、激光器2、机器人3、加工机床12、超声滚压装置13’连接，自动送粉器1与复合熔覆增材制造加工头4’连接，机器人3可以调节复合熔覆增材制造加工头与加工机床12之间的距离与角度。复合熔覆增材制造加工头4’主要由光束整形器4、反光镜5、聚光镜6、高频振镜控制器7、场镜8、同轴粉末喷嘴9、感应加热线圈10组成。复合熔覆增材制造加工头4’安装在机器人3上，机器人3可以调节复合熔覆增材制造加工头4’与加工机床12之间的距离与角度。高频振镜控制器7安装有用于激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组；加工机床12上布置有夹具11用于固定基材。激光器2发射出的激光束首先经过光束整形器4后再依次传输至反光镜5、聚光镜6、高频振镜控制器7 以及场镜8形成不同的聚焦光束到达安装在加工机床12上的工件表面；超声滚压装置13’位于工件上方，并与熔覆层表面实时接触，进行高频率的表面冲击而实现微锻；自动送粉器 1、激光器2、机器人3、复合熔覆增材制造加工头4’、加工机床12以及夹具11、超声滚压装置13’、数控装置17位于充有氮气或氩气的惰性气体保护罩18内；超声滚压装置13’由超声波换能器13、变幅杆14、滚压头15与超声波控制器16组成。

进一步地，光束整形器将高斯光束转变为均匀强度分布的平顶光束。

进一步地，光束整形器由衍射光学元件及圆孔、电动切换装置组成，衍射光学元件上的圆孔用于改变光束的形状，电动切换装置用于实时调控所需的光束形状。

进一步地，感应加热线圈为圆环形。

进一步地，机器人可在上下左右方向进行高度调节，自由度大。

进一步地，加工机床设置固定工件的夹持装置。

进一步地，超声滚压装置主要元件为超声波换能器、变幅杆、滚压头、超声波控制器。

实施例2：

本实施例提供了一种实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法，具体步骤如下：

将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理后对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化。

激光熔覆装备采用4000瓦光纤输出的半导体激光器(波长1070nm)，同轴熔覆头，在实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置中，将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在3.0mm内，感应温度控制在600℃，激光扫描速度3m/min，送粉率120g/min，搭接率为50％，单道熔覆厚度为0.5mm。

激光器发射出的激光束经过光束整形器，将高斯光束转变为均匀强度分布的平顶光束，激光熔覆过程通过电动切换装置实时切换衍射光学元件的圆孔，以得到圆形平顶光束，圆形平顶光束通过反光镜再传输至聚光镜聚焦，场镜在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束位置，调节后的平顶光束到达加工机床进行激光熔覆。

将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据需成形构件CAD模型分层切片，获得一系列实时光束整形激光－感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹。

调节高频振镜控制器使激光束振荡频率为600Hz，以复合熔覆方向为X轴方向,位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴,垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为:X轴方向-3～3mm，Y轴方向-3～3mm，Z～轴方向-6～6mm,激光束振荡扫描图形为圆形。

调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械同时施加到滚压头接触的熔覆层表面，每一道熔覆层的变形量控制在2％，滚压力为600N，超声振幅为10um，超声频率为20KHz。

实施实时光束整形、高频振动与感应复合熔覆，同时对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织与降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能。在多种条件下对金属粉末进行熔覆，复合粉末在熔池内发生熔化。

当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层。

当复合熔覆完一层之后，将复合熔覆增材制造加工头返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升0.3mm。

检测熔覆层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤，直到熔覆层达到构件所要求的厚度；否则，工作结束。

实施例3：

本实施例提供了一种实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法，具体步骤如下：

将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理后对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化。

激光熔覆装备采用Trumpf6000瓦CO₂激光器(波长10.6um)，同轴熔覆头，在实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置中，将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在4.0mm内，感应温度控制在650℃；激光扫描速度4m/min，送粉率180g/min，搭接率为55％，单道熔覆厚度为1mm。

激光器发射出的激光束经过光束整形器，将高斯光束转变为均匀强度分布的平顶光束，激光熔覆过程通过电动切换装置实时切换衍射光学元件的圆孔，以得到山峰形平顶光束，山峰形平顶光束通过反光镜再传输至聚光镜聚焦，场镜在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束位置，调节后的平顶光束到达加工机床进行激光熔覆。

将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据需成形构件CAD模型分层切片，获得一系列实时光束整形激光－感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹。

调节高频振镜控制器使激光束振荡频率为800Hz，以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为:X 轴方向-2～2mm，Y轴方向-2～2mm，Z～轴方向-4～4mm，激光束振荡扫描图形为螺旋形。

调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械同时施加到滚压头接触的熔覆层表面，每一道熔覆层的变形量控制在3％，滚压力为1200N，超声振幅为20um，超声频率为30KHz。

实施实时光束整形、高频振动与感应复合熔覆，同时对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织与降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；在多种条件下金属粉末进行熔覆，复合粉末在熔池内发生熔化。

当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层。

当复合熔覆完一层之后，将复合熔覆增材制造加工头返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升0.4mm。

检测熔覆层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤，直到熔覆层达到构件所要求的厚度；否则，工作结束。

实施例4：

本实施例提供了一种实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法，具体步骤如下：

将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理后对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化。

激光熔覆装备采用3000瓦光纤输出的半导体激光器(波长808～975um)，同轴熔覆头，在实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置中，将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在5.0mm内，感应温度控制在700℃。激光扫描速度5m/min，送粉率200g/min，搭接率为55％，单道熔覆厚度为1.5mm。

激光器发射出的激光束经过光束整形器，将高斯光束转变为均匀强度分布的平顶光束，激光熔覆过程通过电动切换装置实时切换衍射光学元件的圆孔，以得到矩形平顶光束，矩形平顶光束通过反光镜再传输至聚光镜聚焦，场镜在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束位置，调节后的平顶光束到达加工机床进行激光熔覆。

将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据需成形构件CAD模型分层切片，获得一系列实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹。

调节高频振镜控制器使激光束振荡频率为1000Hz，以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为:X 轴方向-3～0mm，Y轴方向-3～0mm，Z轴方向-6～0mm，激光束振荡扫描图形为螺旋形。

调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械同时施加到滚压头接触的熔覆层表面，每一道熔覆层的变形量控制在4％，滚压力为1800N，超声振幅为30um，超声频率为40KHz。

实施实时光束整形、高频振动与感应复合熔覆，同时对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织与降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；在多种条件下金属粉末进行熔覆，复合粉末在熔池内发生熔化。

当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层。

当复合熔覆完一层之后，将复合熔覆增材制造加工头返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升0.5mm。

检测熔覆层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤，直到熔覆层达到构件所要求的厚度；否则，工作结束。

实施例5：

本实施例提供了一种实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法，具体步骤如下：

将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理后对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化。

激光熔覆装备采用ND:YAG激光器，同轴熔覆头，在实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法及装置中，将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在6.0mm内，感应温度控制在800℃；激光扫描速度6m/min，送粉率250g/min，搭接率为55％，单道熔覆厚度为2mm。

激光器发射出的激光束经过光束整形器，将高斯光束转变为均匀强度分布的平顶光束，激光熔覆过程通过电动切换装置实时切换衍射光学元件的圆孔，以得到双峰形平顶光束，双峰形平顶光束通过反光镜再传输至聚光镜聚焦，场镜在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束位置，调节后的平顶光束到达加工机床进行激光熔覆。

将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据需成形构件CAD模型分层切片，获得一系列实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹。

调节高频振镜控制器使激光束振荡频率为2000Hz，以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X 轴方向-3～3mm，Y轴方向-3～3mm，Z轴方向-6～6mm，激光束振荡扫描图形为三角形。

调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械同时施加到滚压头接触的熔覆层表面，每一道熔覆层的变形量控制在5％，滚压力为3000N，超声振幅为50um，超声频率为50KHz。

实施实时光束整形、高频振动与感应复合熔覆，同时对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织与降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；在多种条件下金属粉末进行熔覆，复合粉末在熔池内发生熔化。

当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层。

当复合熔覆完一层之后，将复合熔覆增材制造加工头返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升0.6mm。

检测熔覆层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤，直到熔覆层达到构件所要求的厚度。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理后，对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；

（2）将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在3.0～6.0mm内，感应温度控制在600～800℃；

（3）激光器发射出的高斯激光束经过光束整形器转变为均匀强度分布的平顶光束，平顶光束通过反光镜传输至聚光镜聚焦，通过场镜调节成像光束位置，使平顶光束到达加工机床，其中，光束整形器的衍射光学元件为内置圆孔群的圆盘器件，通过电动切换装置切换衍射光学元件的圆孔用于实时调整光束形状，得到所需形状的平顶光束；其中所述所需形状的平顶光束为帽子形平顶光束、圆形平顶光束、山峰形平顶光束、矩形平顶光束、线形平顶光束或双峰形平顶光束，或者通过对圆孔群的数目和大小进行调控以得到特定形状的平顶光束；

（4）将平顶光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合；根据需成形构件CAD模型分层切片，获得一系列实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹；

（5）调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力同时施加到滚压头接触的熔覆层表面，每一道熔覆层的变形量控制在2～8%的同时进行超声冲击，从而实现超声滚压微锻；

（6）实施实时光束整形、高频振动与激光－感应复合熔覆的同时对形成的每一道熔覆层进行超声滚压微锻处理，细化显微组织与降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；

（7）当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成熔覆层；当复合熔覆完一层之后，将复合熔覆增材制造加工头返回到当前层加工时的起始位置，并沿Z轴上升当前层的厚度距离；

（8）检测熔覆层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤（2）～（7），直到熔覆层达到构件所要求的厚度。

2.根据权利要求1所述的实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，激光与感应复合采用后热式激光－感应复合熔覆、耦合式激光-感应复合熔覆或预热式激光－感应复合熔覆。

3.根据权利要求1所述的实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，所述激光器为CO₂气体激光器、半导体激光器或光纤激光器，所述复合熔覆增材制造加工头包括光束整形器、反光镜、聚光镜、高频振镜控制器、场镜、同轴粉末喷嘴和感应加热线圈。

4.根据权利要求1所述的实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，激光扫描速度为3～6m/min，送粉率120～250g/min，搭接率为50～55%，单道熔覆层厚度为0.5～2mm。

5.根据权利要求1所述的实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，滚压头与熔覆层表面垂直，其中超声滚压工艺参数为：滚压力0～3000N，超声振幅1～50um，超声频率20～50kHz。

6.根据权利要求1所述的实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，通过调控激光束在熔池内的搅拌强度、调控熔池的流动方向，以及调整光束形状，获得全等轴晶以及消除组织各向异性；其中，通过调节激光束功率、高频振动器的振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向。

7.根据权利要求1所述的实时光束整形激光－感应/微锻复合熔覆增材制造方法，其特征在于，激光束振荡频率为20～5000Hz，激光束振荡扫描图形为圆形、螺旋形或三角形，以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面横向方向为Y轴，将垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-3～3mm，Y轴方向-3～3mm，Z轴方向-6～6mm，激光束振荡扫描图形为圆形、螺旋形或三角形。

8.一种应用权利要求1~7任一项所述的实时光束整形激光-感应/微锻复合熔覆增材制造方法的装置，其特征在于，所述装置包括自动送粉器、激光器、机器人、复合熔覆增材制造加工头、数控装置、加工机床、超声滚压装置与惰性气体保护罩，所述数控装置分别与激光器、自动送粉器、超声滚压装置、加工机床、机器人连接，所述激光器与机器人连接，所述自动送粉器与复合熔覆增材制造加工头连接，所述复合熔覆增材制造加工头安装在机器人上，所述机器人用于调节复合熔覆增材制造加工头与加工机床之间的距离与角度，其中：

所述复合熔覆增材制造加工头包括光束整形器、反光镜、聚光镜、高频振镜控制器、场镜、同轴粉末喷嘴和感应加热线圈；所述光束整形器包括衍射光学元件、圆孔群以及电动切换装置，所述衍射光学元件上的圆孔群用于设计激光束形状，熔覆过程中通过电动切换装置实时切换所需要的激光束形状；

所述超声滚压装置位于工件上方，并与熔覆层表面实时接触，进行高频表面冲击而实现微锻；

所述自动送粉器、激光器、机器人、数控装置、加工机床、复合熔覆增材制造加工头、超声滚压装置位于充有氮气或氩气的惰性气体保护罩内。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述复合熔覆增材制造加工头内的激光光束与所述自动送粉器中的同轴送粉口的中轴线重合；

所述超声滚压装置包括超声波换能器、变幅杆、滚压头以及超声波控制器；

所述高频振镜控制器安装有用于激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组。

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