CN115229219B - 一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进制造技术领域，公开了一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统。该系统包括真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块、激光冲击强化模块和集成控制模块，真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块和激光冲击强化模块分别与集成控制模块电性连接，由集成控制模块协同控制。本发明设备结构布局合理、功能完备，可满足不同辅助场组合的多种激光熔化沉积复合增材制造。

Description

一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统。

背景技术

增材制造(additive manufacturing，AM)是一种颠覆性先进制造技术，可由数字模型直接逐层打印出三维零件。与铸造、锻造和机加工等传统或减材制造方法相比，增材制造是一种近净成型制造工艺，可以显着提高设计自由度、缩短生产时间。激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)是一种基于激光熔覆的增材制造技术，通过激光熔化同轴送入的粉体，逐层沉积实现零件的快速近净成型制造。除具有增材制造共性优势外，激光熔化沉积受结构尺寸约束小、成型效率高、可实现梯度/复合材料的快速成型与修复，是目前最典型金属增材制造方式之一，在汽车制造、航空航天、船舶制造等领域具有重要应用前景与价值。

然而，目前可实现有效激光熔化沉积增材制造的金属主要为316不锈钢、718镍基合金、TiAl6V4等有限种类的材料，钛铝合金、高熵合金、高强铝合金等高性能材料在激光熔化沉积过程出现明显缺陷，打印零件综合性能远低于同种材料的等/减材制造零件。主要原因是传统激光熔化沉积受工艺特性决定存在一下几点问题：(1)传统激光熔化沉积通过同轴送气为加工过程提供惰性气体保护，保护效果不佳，容易造成空气或惰性气体卷入熔池形成气孔缺陷。且对于铝合金等氧气敏感型材料，沉积表面在冷却过程容易形成坚固的氧化膜，从而在沉积层间形成未熔合、夹渣等严重缺陷；(2)激光增材制造过程高能激光与金属作用时间短、接触面积小，金属在“熔化-凝固-冷却”过程存在极大的温度梯度与冷却速率，从而使得增材制造零件存在较大的内应力，容易导致裂纹萌生与开裂；(3)激光熔化沉积过程温度梯度与冷却速率是影响成型零件最终微观结构的关键热力学因素，由于沉积金属在逐层堆叠过程发生重熔与重复的热循环，使局部微观结构经历复杂的热效应，且这种热效应不仅受打印参数影响，更与零件结构、尺寸、环境温度等多种因素密切相关。不合理的温度梯度与冷却速率会产生粗大柱状晶与不均匀的微观结构，是导致各向异性、沉积零件力学性能及稳定性差的主要原因。以上问题严重制约了大型复杂金属零件增材制造技术的工程应用，提高激光熔化沉积过程气体保护效果，改善与消除增材制造过程成型材料内应力、减少裂纹与气孔等缺陷、优化微观组织结构、提高各向同性与综合力学性能已成为增材制造领域制备大型复杂金属构件的核心。

为此，现有技术将超声冲击强化(CN111590189A、CN111451504A)与激光冲击强化(CN113976925A、CN112264618A)应用到增材制造过程，通过对增材制造进行逐层冲击改善晶粒组织粗大问题，增加位错密度，用以消除有害残余应力、提高综合力学性能。然而，现有公开的技术中仅能解决前述任一单一问题，即通过采用单一辅助场方式对增材制造过程进行调控，从而针对性地解决某一个问题，而无法同时解决增材制造过程气体保护效果差、有效调控温度梯度与冷却速率、优化微观组织结构、有效抑制裂纹与有害内应力、有效消除各向异性等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，用来解决增材制造过程中气体保护效果差、难以有效调控温度梯度与冷却速率、难以有效抑制裂纹与有害内应力并有效消除各向异性等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，该系统包括真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块、激光冲击强化模块和集成控制模块，其中：

所述真空室气氛保护模块包括保护仓，保护仓外部设置有与保护仓腔体分别连通的真空泵、除尘过滤装置、过渡仓和惰性气体补充装置，所述除尘过滤装置上还连接有循环洗气装置，所述循环洗气装置用于清洗保护仓内气体并将清洗后的气体重新送入所述保护仓内；

所述激光熔化沉积模块设置在保护仓内，其包括沉积头、平移运动装置、工件转台、激光器、送粉装置和送气装置，其中，所述平移运动装置和所述工件转台固定在所述保护仓上；所述沉积头设置在所述平移运动装置上，且所述沉积头位于所述工件转台的上方，所述沉积头能在所述平移运动装置上平移运动；所述激光器、送粉装置和送气装置均设置在保护仓外部，所述激光器与所述沉积头电性连接，所述送粉装置和送气装置分别与所述沉积头相连；

所述超声冲击强化模块包括超声冲击枪与超声发生器，所述超声冲击枪固定在所述沉积头上，且二者加工端均向下朝向所述工件转台，所述超声发生器设置在保护仓外部，与所述超声冲击枪通过电信号实现通讯；

所述工件传送模块设置在所述工件转台上，其上固定有基板，且工件传送模块能左右运动将待加工的成型件送入或送出所述过渡仓；

所述辅助热场感应加热模块设置在所述工件转台上，且位于所述工件传送模块的一侧，用于给所述基板，和/或，成型件加热；

所述激光冲击强化模块设置于保护仓外，用于对在保护仓内进行激光熔化沉积加工后的成型件进行激光冲击强化；

所述真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块和激光冲击强化模块分别与所述集成控制模块电性连接，由所述集成控制模块协同控制。

进一步地，所述沉积头在所述平移运动装置上的平移运动包括左右平移、前后平移和上下平移；优选地，所述沉积头在所述平移运动装置左右方向平移的运动行程范围为0mm-800mm，在前后方向平移的运动行程范围为0mm-800mm，在上下方向平移的运动行程范围为0mm-800mm。

进一步地，所述工件转台由下至上依次包括底座、两个支撑件和工作平台，所述底座通过竖直设置的旋转轴固定在保护仓的内底面上，且其能绕旋转轴360°旋转，两个所述支撑件左右对称设置在所述底座上，所述工作平台安装在两个支撑件之间，并能在限定角度范围内前后翻转；优选地，所述限定角度范围为向后翻转0°至95°，向前翻转0°到5°。

进一步地，所述工件传送模块由下至上依次包括水平滑台与基板锁死装置，所述水平滑台可左右平移运动，所述基板锁死装置固定在水平滑台上用于锁紧基板。

进一步地，所述辅助热场感应加热模块包括测温传感器、电磁感应线圈、升降滑轨和电磁感应加热器，所述升降滑轨固定在工件转台上或保护仓上，所述测温传感器和电磁感应线圈均固定在升降滑轨上，升降滑轨能够带动测温传感器与电磁感应线圈同步上下移动，所述电磁感应加热器设置在保护仓外，与电磁感应线圈实现电通讯；优选地，所述测温传感器设置在电磁感应线圈的上方。

进一步地，所述激光冲击强化模块包括脉冲激光器、机器人与约束层铺设装置，所述机器人用于从过渡仓中将成型件运送至激光冲击强化加工位置，所述约束层铺设装置用于在成型件表面铺设约束层，所述脉冲激光器用于对铺设有约束层的成型件表面进行激光冲击强化。

进一步地，所述过渡仓包括对称设置在所述过渡仓的左右两端的过渡仓外侧门和过渡仓内侧门，以及设置在过渡仓内底面上的基板承接结构，其中，所述过渡仓内侧门位于所述保护仓与所述过渡仓之间，所述基板承接结构用于承接送入所述过渡仓的基板，所述过渡仓外侧门、基板承接结构与所述过渡仓内侧门均在所述集成控制模块的控制下运动。

进一步地，所述保护仓的内壁上还设置有水氧监测装置，用于实时监测保护仓内的水氧含量。

优选地，所述保护仓内壁上还设置有压力监测装置，用于实时监测保护仓内的气压。

进一步地，所述保护仓在真空状态下其仓内压力处在10mbar-100mbar之间。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：

1.本发明所提供的复合增材制造系统，设计了真空室气氛保护场、辅助热场(即电磁感应加热场)、超声冲击强化场和激光冲击强化形变场等多辅助场设备。各辅助场可单独使用，也可任意组合使用，整体系统功能全面，设备结构布局合理、结构功能相辅相成，可满足不同辅助场任意组合后的多种激光熔化沉积复合增材制造。且加工时还可根据不同材料特性与制造要求自由设定复合工艺类型及参数，适用于多种材料的增材制造，对综合解决增材制造过程氧化、组织晶粒粗大、有害残余应力诱发裂纹、各向异性等多种问题具有重要效益。

2.本发明的复合增材制造系统的通过设置平移运动装置，使设置在平移运动装置上的沉积头和超声冲击枪可沿前后、左右、上下方向移动，工件转台可转动或翻转，从而调整工件与沉积头或超声冲击枪之间的相对位置，使待加工工件根据加工路径调整姿态。通过设置集成控制模块控制平移运动装置、工件转台、工件传送装置等运动装置协同运动，从而组成激光熔化沉积多轴运动系统，用以按照激光熔化沉积规划路径完成精确加工。

3.本发明的复合增材制造系统还在保护仓体外侧设有过渡仓，过渡仓与保护仓之间设有内侧仓门，过渡仓另一端设有外侧仓门。内侧仓门打开后，通过仓内设置的工件传送模块将初步加工后的成型件送入过渡仓内，过渡仓内的工件承接结构将成型件接入过渡仓内，随即关闭过渡仓内侧仓门，再打开过渡仓外侧仓门将待加工工件送出仓外。这样可在不影响保护仓内气体环境下实现待加工工件在保护仓内外的自动传送，同时也可满足实验结束后在不影响仓内气体环境下取出或放入样本，从而在下次实验时不需要对保护仓重新抽真空和充入惰性气体来调整仓内气体环境，进一步显著降低了时间与用气成本。

4.本发明所提供复合增材制造系统，其中真空室气氛保护模块中的保护仓具有良好的密封性能与承压能力，通过真空泵将保护仓抽真空、惰性气体补充装置向仓内补充惰性气体等来实现保护仓内气体快速置换，且单次抽真空与充入惰性气体后可实现氧含量处在200-500ppm范围内，可有效节省换气时间与惰性气体成本。将保护仓内气体在除尘过滤装置中进行初步净化，再经过与之相连的循环洗气装置洗气之后可进一步降低保护仓内气体氧含量，再将洗气后的气体通过管道送入保护仓内，从而对氧含量要求苛刻的材料增材制造过程提供更有效的保护，进一步降低逐层增材制造过程中，由于气体保护不当造成的层间氧化与气孔、夹渣等制造缺陷。同时，循环洗气装置还将两级净化处理后的气体再次通入保护仓内，能够节约用气量，大大节省成本。

5.本发明的复合增材制造系统可同时满足超声冲击强化与激光冲击强化两种形变场辅助加工方案，可根据材料特性与加工需求优选任意一种冲击强化方式辅助，通过保护仓及过渡仓内的工件传送结构，将待加工工件传送至保护仓内外，并在保护仓内通过激光熔化沉积、在保护仓外通过激光冲击强化进行加工，既能保证两种加工工艺协同工作实现激光熔化沉积复合增材，又避免了激光冲击强化的水流约束层对激光熔化沉积环境的影响。

6.本发明将真空室气氛保护场、辅助热场(即电磁感应加热场)和超声冲击强化场设置于惰性气体保护仓内部，将激光冲击强化形变场设置在惰性气体保护仓外。加工时，真空室气氛保护场和辅助热场以及激光沉积加工均在保护仓内发生，激光冲击强化加工则在保护仓外进行，使得激光沉积加工与激光冲击强化加工不会发生干涉，互相影响。且在真空室气氛保护场内进行激光定向能量沉积制造，能够降低构件内部气孔与夹渣缺陷等。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统结构外部结构示意图；

图3是本发明实施例提供的激光熔化沉积模块的正视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的激光熔化沉积模块的右视结构示意图；

图5是本发明实施例提供的沉积头向左移动带动超声冲击强化模块移动到待加工工件正上方的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的机器人将成型件传送到激光冲击强化工位处的示意图；

图7是本发明实施例提供的工作平台的翻转方向右视示意图。

图中：11-保护仓，111-抽真空口，112-循环气体入口，113-进气口，114-出气口，115-信号线出入口，116-光纤入口，117-送粉与送气管入口，12-真空泵，13-惰性气体补充装置，14-除尘过滤装置，15-循环洗气装置，16-水氧监测装置，17-压力监测装置，18-过渡仓，181-过渡仓外侧门，182-基板承接装置，813-过渡仓内侧门，21-沉积头，22-平移运动装置，23-工件转台，24-激光器，25-光纤，26-送粉装置，27-送气装置，31-测温传感器，32-电磁感应线圈，33-升降滑轨，34-电磁感应加热器，41-超声冲击枪，42-超声发生器、51-水平滑台，52-基板锁死装置，61-机器人，62-脉冲激光器，63-约束层辅助装置，7-基板，8-成型件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，为本实施例提供的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统结构示意图，该系统包括真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块、激光冲击强化模块和集成控制模块，其中：

真空室气氛保护模块包括保护仓11，其仓外的侧壁上设置有与保护仓11腔体分别连通的真空泵12、除尘过滤装置14、过渡仓18和惰性气体补充装置13，除尘过滤装置14上还连接有循环洗气装置15，循环洗气装置15通过外接管道与保护仓11连接。

优选地，真空泵12和除尘过滤装置14设置在保护仓11外的左侧面上，所述过渡仓18和惰性气体补充装置13设置在保护仓11的右侧面上，两个侧面中间的前侧面上设置有保护仓11的仓门，仓门上还设置有可视窗，用于观测仓内加工情况。

更优选地，如图2所示，为本实施例提供的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统结构外部结构示意图，真空泵12通过管道与保护仓11上的抽真空口111相连，用于将保护仓11抽真空。惰性气体补充装置13通过管道与保护仓11的进气口113相连，用于向保护仓11内充入惰性气体。除尘过滤装置14通过管道与保护仓11的出气口114相连，用于过滤保护仓11内排出的气体。循环洗气装置15与除尘过滤装置14相连，经除尘过滤装置过滤后的气体进入循环洗气装置15，通过净化去除气体内的氧气与水分，之后再通过外接管道将循环洗气装置15的出气口与循环气体入口112连通，将净化后的气体送回保护仓11内。

优选地，如图3所示，为一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统正视透视图，保护仓11内的仓壁上还设置有水氧监测装置16与压力监测装置17，分别用于监测保护仓11内的水氧含量与压力值。

优选地，保护仓11的尺寸为1800mm×1500mm×2000mm，采用碳钢材质制造成形，仓壁厚度优选为28mm，能使保护仓11具有良好密封性能与承压能力。当抽真空时，可承受的仓内最小绝对压力为50mbar。真空泵12优选为机械泵与罗茨泵组合的多级真空泵，可实现对保护仓11快速抽真空，节省了抽真空时间成本，还能节约保护气体用量。

如图3所示，为激光熔化沉积模块的正视结构示意图，如图4所示，为激光熔化沉积模块的右视结构示意图，激光熔化沉积模块设置在保护仓11内，其包括沉积头21、平移运动装置22、工件转台23、激光器24、送粉装置26和送气装置27，其中：平移运动装置22和工件转台23设置在保护仓11的内底面上；沉积头21设置在平移运动装置22上，位于工件转台23的上方，且其能在平移运动装置22上平移运动；激光器24、送粉装置26和送气装置27均设置在保护仓11外部，激光器24通过从保护仓11顶部开设的光纤入口116中穿设进仓内的光纤25与沉积头21连接，送粉装置26和送气装置27分别通过从保护仓11顶部开设的送粉与送气管入口117穿设进仓内的管路与沉积头21相连。保护仓11顶部还开设有信号线出入口115，用于实现仓内外需要电信号通讯的各结构间的信号通讯。工作时激光器24产生激光，经过沉积头21准直、聚焦后投射到成型件表面金属上形成熔池，并熔化与激光同轴送入的粉体，实现逐层制造。

优选地，本实施例中的平移运动装置22包括两组龙门架和一根水平设置的连接架，两组龙门架的横梁分别沿前后方向设置，即与Y轴方向平行，且龙门架均对称固定在保护仓11的内底面左右两侧，连接架垂直于两个龙门架的横梁，即连接架与X轴方向平行。且其两端分别与两组龙门架的横梁连接，形成一组三维龙门架形式的平移运动装置22。龙门架横梁上设置有导轨，导轨一端设置有电机，电机提供动力带动沉积头21相对于平移运动装置前后运动；连接架上也设置有导轨和电机，电机能够带动沉积头21沿着导轨相对于平移运动装置左右平移；连接架上竖直固定有一根纵梁，纵梁上同样设置有导轨和电机，沉积头21设置在该导轨中，能够在电机带动下沿着该导轨做上下方向的平移运动；连接架上也设置有导轨和电机，纵梁设置于连接架上的导轨中，能够在电机的驱动下带动沉积头21左右平移。这样，沉积头21即能沿前后(即Y轴方向)、左右(即X轴方向)或上下方向(即Z轴方向)任意平移运动，任意调整加工位置。

更优选地，将前述龙门架替换为两根带有导轨的支撑架，将两根支撑架分别水平对称地固定在保护仓两侧壁上，连接架与两根支撑架垂直，且其两端与该两根支撑架分别连接，使得沉积头能够在任意一根支撑架或连接架上平移运动。

更优选地，前述平移运动装置22上的导轨也可以替换为滑槽或其他任何能够使沉积头在龙门架、连接架或支撑架上平移运动的结构。

更优选地，前述平移运动装置22也可以为设置在保护仓内的运动机器人，运动机器人包括运动部件，且运动机器人还搭载有运动控制系统。将沉积头22固定在运动部件上，运动控制系统控制运动部件在任意方向进行平移运动，使得沉积头22能够实现加工路径的变化。

优选地，工作转台23由下至上依次包括底座、两个支撑件和工作平台，所述底座通过竖直设置的旋转轴固定在保护仓11的内底面上，且其能绕旋转轴的C方向或者C方向的反方向360°无限旋转，两个所述支撑件左右对称设置在所述底座上，两个支撑件之间设置有工作平台，工作平台能够沿A方向或A方向的反方向在限定角度范围内前后翻转。如图7所示，工作平台的翻转方向右视示意图，限定角度范围为沿B方向顺时针旋转0°到95°，沿B反向的反方向逆时针旋转0°到-5°，从而使得成型件8能根据加工路径更精确地调整其位姿，并且调整时不会因过调与其他仓内设备相互干涉。

工件传送模块设置在工件转台23上，用于锁紧基板7。

优选地，工件传送模块由下至上依次包括水平滑台51与基板锁死装置52，水平滑台51固定在工件转台23的工作平台上，且可相对于工作平台左右平移运动，基板锁死装置52固定在水平滑台51上，用于锁紧基板7，集成控制模块能控制水平滑台和基板锁死装置执行动作。

优选地，过渡仓18包括对称设置在过渡仓18的左右两端的过渡仓外侧门181和过渡仓内侧门183，以及设置在过渡仓18内底面上的基板承接结构182，其中，过渡仓内侧门183位于所述保护仓11与所述过渡仓18之间，基板承接结构用于承接送入所述过渡仓18的基板7，过渡仓外侧门181、基板承接结构182与过渡仓内侧门183均在集成控制模块的控制下运动，优选地，两个门可以上下滑动开闭，或者过渡仓内侧门183向保护仓内侧方向打开，过渡仓外侧门181向保护仓外侧方向打开。

辅助热场感应加热模块设置在工件转台23上，且位于工件传送模块的一侧，用于给基板7、待加工的成型件加热。

优选地，辅助热场感应加热模块由测温传感器31、电磁感应线圈32、升降滑轨33和电磁感应加热器34组成，升降滑轨33固定在工件转台23上，或者也可以固定在保护仓内底面上，测温传感器31与电磁感应线圈32均固定在升降滑轨33上，且二者呈上下排布形式，固定于同一位置，电磁感应加热器34设置在保护仓外，其通过穿设于信号线出入口115中的信号线与电磁感应线圈32实现电信号通讯。集成控制模块控制升降滑轨33上下升降，从而带动测温传感器31与电磁感应线圈32上下移动，使得随沉积层数增加时，测温传感器31与电磁感应线圈32同步上移，使与成型件8之间的相对距离不变。测温传感器31优选采用双色测温仪，双色测温仪聚焦在基板7表面，给基板7加热，后续也可以给成型件8加热。

超声冲击强化模块包括超声冲击枪41和超声发生器42，沉积头21上并排固定有超声冲击枪41，超声发声器42设置在保护仓外，通过保护仓顶部开设的信号线出入口115穿设的信号线与超声冲击枪41连接。沉积头21能在平移运动装置22上带动超声冲击枪41在平移运动装置22上前后、左右或上下进行平移。优选地，其运动行程范围为800mm×800mm×800mm，能够避免其运动时与保护仓内其他设备发生干涉。如图5所示，为沉积头21向左移动带动超声冲击枪41移动到成型件8正上方的示意图。

测温传感器31与电磁感应加热器34保持通讯，当测温传感器31测到的温度低于设定值时，电磁感应加热器34提高功率，使得测温传感器31加热基板7，使其升温；当测温传感器31测到的温度高于设定值时，电磁感应加热器34停止或减小功率，则基板7温度降低。

激光冲击强化模块设置于保护仓11外，用于对在保护仓11内进行激光熔化沉积单层或多层加工后得到的成型件进行激光冲击强化。

优选地，该激光冲击强化模块包括脉冲激光器62、机器人61、约束层铺设装置63，如图3所示，当工件传送模块将固定在基板7上的待加工工件，即成型件8，从保护仓11内的激光熔化沉积工位向过渡仓18中传送后，机器人61将从过渡仓的外侧仓门处夹持基板7，并将成型件8移动到激光冲击强化工位处。

真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块和激光冲击强化模块分别与集成控制模块电性连接，由集成控制模块协同控制。

优选地，该集成控制模块包括工控机、数据采集卡及搭载的控制软件，工控机和数据采集卡与本增材制造系统中的各设备通过信号线连接进行通讯，工控机接收数据采集卡采集的相关参数，并利用搭载的控制软件来控制系统中真空室气氛保护模块，首先控制惰性气体补充装置向保护仓内充入惰性气体，置换仓内气体，同时控制气体过滤装置和循环洗气装置对置换出的气体进行净化后重新充入保护仓内。在形成保护仓内加工环境的同时，控制辅助热场将基板预热。待保护仓内加工环境形成后，持续控制向保护仓内通入惰性气体，同时控制激光熔化沉积模块进行激光熔化沉积增材制造。待完成多层制造后，再控制工件传送模块将成型件送出到激光冲击强化模块所处的加工环境中，此时，仍可控制真空气氛保护模块运行以维持保护仓内的气体环境，以便后续加工。在保护仓外，控制激光冲击强化模块向成型件加工表面铺设约束层后进行激光冲击强化加工，加工后再将成型件送入保护仓。此外，待完成多层制造后，还可以控制平移运动装置与超声冲击强化模块对沉积零件表面进行超声冲击强化。重复前述的控制步骤，直至得到完整零件。控制软件控制过程中，辅助热场感应加热模块和激光冲击强化模块等进行协同作业，包括控制各运动装置的路径与速度、控制各设备启停、来调节主要工艺加工参数、控制传感器数据接收与传递及控制气体、冷却水与粉体物料的供给等。

实施例2

真空室气氛保护模块可为激光熔化沉积提供惰性气氛保护场，实现方式如下：

通过真空泵12将保护仓11内气体抽出，直至保护仓内气体绝对压力为50mbar，惰性气体补充装置13经由进气口113向保护仓11中充入氩气，直至达到标准大气压。单次抽真空与补充氩气达到大气压后，保护仓11内氧含量达到200ppm,且稳定在200ppm-500ppm范围内。之后，经过除尘过滤装置14和循环洗气装置15对保护仓内气体逐步净化，并将净化后的气体通过管道从循环洗气装置15中经由循环气体入口112送入保护仓11内，从而实现气体置换，最终可实现保护仓内氧含量达到50ppm,并处在50ppm-200ppm范围内。在增材制造过程中，也可以同时利用除尘过滤装置14与循环洗气装置15对保护仓内气体进行置换，保证保护仓内氧含量在设定范围内。

循环洗气装置15置换保护仓11内气体的工作原理如下：利用循环风机将保护仓11内气体抽出并送入除尘过滤装置14，过滤去除固态颗粒后将气体送入循环洗气装置15。在循环洗气装置15中经过氧化还原反应去除气体内的氧气，并吸收气体中的水分，从而实现气体净化。净化后的气体经由循环气体入口112送回保护仓，从而有效节约保护气体用量。

将保护仓11内气体置换为惰性气体时，通过气体补充装置13向保护仓11内充入惰性气体，并通过真空泵来同步排除保护仓11内原有的气体，直至所述保护仓11内水氧含量与压力值达到目标值，该方法较先抽真空后再充惰性气体的作业时间更久、需要的惰性气体量也更多。

实施例3：

本发明的系统可在不影响保护仓11气体环境下实现成型件8在保护仓11内外相互传送，具体实现方法如下：

如图3所示，水平滑台51沿X轴水平运动，带动其上由下至上依次设置的基板锁死装置52、基板7、成型件8运动，过渡仓内侧门183自动打开，直至将该些结构运送到过渡仓18内，之后集成控制模块控制基板锁死装置52自动解锁，将基板7与成型件8传送到过渡仓18内的基板承接装置182上。之后水平滑台51退出过渡仓18，过渡仓内侧门183自动关闭，打开过渡仓外侧门181，机器人61从过渡仓中夹持出基板7，将其上的成型件8带出到保护仓11外的激光冲击强化工位处，完成成型件8保护仓11内向保护仓11外的传送。此过程中，保护仓11内水氧含量与压力不受影响。通过工件传送模块可实现成型件8在保护仓11与过渡仓18之间相互传递，通过机器人61进一步实现成型件8在过渡仓18与激光冲击强化工位之间相互传递，如图6虚线箭头所示，为机器人61将成型件8传送到激光冲击强化工位处的过程。

将成型件8由保护仓11外经由过渡仓18送入保护仓11内时，打开过渡仓外侧舱门181，将基板7固定在过渡仓内的基板承接装置182上，再关闭过渡仓外侧舱门181。由开设在过渡仓上的进气口向过渡仓18内充入惰性气体，以排出过渡仓18内空气，直到过渡仓18内惰性气体环境与保护仓11内相同。此时，集成控制模块控制过渡仓内侧门183向上滑动打开，并控制工件传送模块运动至过渡仓18内，利用基板锁死装置锁紧基板7，并解除过渡仓内基板承接装置182对基板的锁定。最后控制水平滑台51运动将基板上的成型件运送至激光熔化沉积工位，该过程保护仓11内气体环境由于过渡仓的存在不会受影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，该系统包括真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块、激光冲击强化模块和集成控制模块，其中：

所述真空室气氛保护模块包括保护仓（11），保护仓（11）外部设置有与保护仓（11）腔体分别连通的真空泵（12）、除尘过滤装置（14）、过渡仓（18）和惰性气体补充装置（13），所述除尘过滤装置（14）上还连接有循环洗气装置（15），所述循环洗气装置（15）用于清洗保护仓（11）内气体并将清洗后的气体重新送入所述保护仓（11）内；

所述激光熔化沉积模块设置在保护仓（11）内，其包括沉积头（21）、平移运动装置（22）、工件转台（23）、激光器（24）、送粉装置（26）和送气装置（27），其中，所述平移运动装置（22）和所述工件转台（23）固定在所述保护仓（11）内；所述沉积头（21）设置在所述平移运动装置（22）上，且所述沉积头（21）位于所述工件转台（23）的上方，所述沉积头（21）能在所述平移运动装置（22）上进行平移运动；所述激光器（24）、送粉装置（26）和送气装置（27）均设置在保护仓（11）外部，所述激光器（24）与所述沉积头(21)通过光纤连接，所述送粉装置（26）和送气装置（27）分别与所述沉积头（21）相连；

所述超声冲击强化模块包括超声冲击枪（41）与超声发生器（42），所述超声冲击枪固定在所述沉积头（21）上，且二者加工端均向下朝向所述工件转台（23），所述超声发生器（42）设置在保护仓（11）外部，与所述超声冲击枪（41）通过电信号实现通讯；

所述工件传送模块设置在所述工件转台（23）上，其上固定有基板（7），且工件传送模块能左右运动将待加工的成型件送入或送出所述过渡仓（18）；

所述辅助热场感应加热模块设置在所述工件传送模块的一侧，用于给所述基板（7），和/或，成型件加热；

所述激光冲击强化模块设置于保护仓（11）外，用于对在保护仓（12）内进行激光熔化沉积加工后的成型件进行激光冲击强化；

所述真空室气氛保护模块、激光熔化沉积模块、超声冲击强化模块、工件传送模块、辅助热场感应加热模块和激光冲击强化模块分别与所述集成控制模块电性连接，由所述集成控制模块协同控制。

2.如权利要求1所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述沉积头（21）在所述平移运动装置（22）上的平移运动包括左右平移、前后平移和上下平移。

3.如权利要求2所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述沉积头（21）在所述平移运动装置（22）左右方向平移的运动行程范围为0mm-800mm，在前后方向平移的运动行程范围为0mm-800mm，在上下方向平移的运动行程范围为0mm-800mm。

4.如权利要求1所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述工件转台（23）由下至上依次包括底座、两个支撑件和工作平台，所述底座通过竖直设置的旋转轴固定在保护仓（11）的内底面上，且其能绕旋转轴360°旋转，两个所述支撑件左右对称设置在所述底座上，所述工作平台安装在两个支撑件之间，并能在限定角度范围内前后翻转。

5.如权利要求4所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述限定角度范围为向后翻转0°至95°，向前翻转0°到5°。

6.如权利要求1所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述工件传送模块由下至上依次包括水平滑台（51）与基板锁死装置（52），所述水平滑台（51）可左右平移运动，所述基板锁死装置（52）固定在水平滑台（51）上用于锁紧基板（7）。

7.如权利要求1所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述辅助热场感应加热模块包括测温传感器（31）、电磁感应线圈（32）、升降滑轨（33）和电磁感应加热器（34），所述升降滑轨（33）固定在工件转台（23）上或保护仓（11）上，所述测温传感器（31）和电磁感应线圈（32）均固定在升降滑轨（33）上，升降滑轨（33）能够带动测温传感器（31）与电磁感应线圈（32）同步上下移动，所述电磁感应加热器（34）设置在保护仓（11）外，与电磁感应线圈（32）实现通讯。

8.如权利要求7所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述测温传感器（31）设置在电磁感应线圈（32）的上方。

9.如权利要求1所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述激光冲击强化模块包括脉冲激光器（62）、机器人（61）与约束层铺设装置（63），所述机器人（61）用于从过渡仓（18）中将成型件运送至激光冲击强化加工位置，所述约束层铺设装置（63）用于在成型件表面铺设约束层，所述脉冲激光器（62）用于对铺设有约束层的成型件表面进行激光冲击强化。

10.如权利要求1-9任一所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述过渡仓（18）包括对称设置在所述过渡仓（18）的左右两端的过渡仓外侧门（181）和过渡仓内侧门（183），以及设置在过渡仓（18）内底面上的基板承接结构（182），其中，所述过渡仓内侧门（183）位于所述保护仓（11）与所述过渡仓（18）之间，所述基板承接结构用于承接送入所述过渡仓（18）的基板（7），所述过渡仓外侧门（181）、基板承接结构（182）与所述过渡仓内侧门（183）均在所述集成控制模块的控制下运动。

11.如权利要求10所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述保护仓（11）的内壁上还设置有水氧监测装置（16），用于实时监测保护仓（11）内的水氧含量。

12.如权利要求10所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述保护仓（11）内壁上还设置有压力监测装置(17)，用于实时监测保护仓（11）内的气压。

13.如权利要求10所述的一种多场辅助的激光熔化沉积复合增材制造系统，其特征在于，所述保护仓（11）在真空状态下其仓内压力处在10mbar-100mbar之间。