CN115446461A - 一种激光增材制造方法与系统 - Google Patents

一种激光增材制造方法与系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115446461A
CN115446461A CN202211270831.1A CN202211270831A CN115446461A CN 115446461 A CN115446461 A CN 115446461A CN 202211270831 A CN202211270831 A CN 202211270831A CN 115446461 A CN115446461 A CN 115446461A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
processed
additive manufacturing
plate
induction heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211270831.1A
Other languages
English (en)
Inventor
李雪凝
张明军
张健
程波
毛聪
蔡金虎
唐伟东
罗源嫱
张航
戴隆州
彭和思
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changsha University of Science and Technology
Original Assignee
Changsha University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changsha University of Science and Technology filed Critical Changsha University of Science and Technology
Priority to CN202211270831.1A priority Critical patent/CN115446461A/zh
Publication of CN115446461A publication Critical patent/CN115446461A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种激光增材制造的方法，包括如下步骤：提供待加工板材；提供夹具系统；提供激光加工系统；夹具系统夹紧第二待加工板材与第一待加工板材形成紧密叠接；启动激光加工系统，实施激光增材制造；完成一道加工后，关闭激光发生器，激光焊接头回到起始位置；打开激光发生器，实施激光切割，获得第一激光增材制造单元；夹具系统夹紧第三待加工板材与第一激光增材制造单元形成紧密叠接；进行多层激光增材制造，直至结束。本发明还提供一种激光增材制造的系统。本发明加工过程稳定性好，热传导效率高，有效控制激光增材制造的变形量，具有成本低，易进行焊前处理，适用性好等优点。

Description

一种激光增材制造方法与系统
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体的说是一种激光增材制造方法与系统。
背景技术
增材制造是一种通过材料逐层添加堆积、实现构件无模精确成形的数字化制造技术，将三维复杂形状构件制造为简单的二维平面形状的逐层往复叠加，避免了传统机加工精确成形制造中存在的大量材料和能源浪费，为高性能或超常性能关键构件的实现提供了全新的设计思路。同时该技术能大幅度缩短生产周期、降低生产成本和加工制造费用，使得其为制造业的变革提供了可能，具有广阔应用前景。
基于激光束的金属增材制造方法主要有选择性激光烧结和激光直接沉积，其主要填充材料形式为丝材和粉末。现阶段，上述工艺虽然能制备性能良好的构件，但仍存在增材制造过程易形成内部孔洞、裂纹等缺陷和效率低的问题。
以环形光斑光纤激光为代表的先进激光光源技术的发展，为高稳定性激光加工带来了机遇。环形光斑光纤激光可以实现高速高稳定性激光焊接过程。在材料宏观激光加工中具有广阔应用前景。
发明内容
针对传统激光金属增材制造的不足之处，本发明提供一种激光增材制造方法与系统，以提升金属增材制造质量和效率。
本发明提供一种激光增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提供待加工板材，对待加工板材的上下表面进行打磨清洗；
步骤2：提供夹具系统，夹具系统包括夹具座、支撑垫块、第一感应加热组件、第二感应加热组件和压紧盖板；
步骤3：提供激光加工系统，激光加工系统包括激光发生器、第一传输光纤、第二传输光纤、激光焊接头、激光切割头、第一机械手、第二机械手和保护气喷嘴；
步骤4：夹具系统将第二待加工板材置于第一待加工板材正上方，第一感应加热组件和第二感应加热组件与第一待加工板材底部贴合，夹具系统夹紧第二待加工板材与第一待加工板材形成紧密叠接；
步骤5：启动激光加工系统，打开激光发生器，激光焊接头输出第一激光束，第一激光束辐照第二待加工板材上表面，保护气喷嘴吹送保护气体，激光焊接头按加工路径运动，实施激光增材制造；
步骤6：完成一道加工后，关闭激光发生器，激光焊接头回到起始位置；
步骤7：打开激光发生器，激光切割头输出第二激光束，第二激光束辐照第二待加工板材上表面，实施激光切割，获得第一激光增材制造单元；
步骤8：将第三待加工板材置于第一激光增材制造单元正上方，第一感应加热组件和第二感应加热组件与第三待加工板材底部和第一激光增材制造单元侧面贴合，夹具系统夹紧第三待加工板材与第一激光增材制造单元形成紧密叠接，重复步骤6-步骤8；
步骤9：依次将第N+2待加工板材置于第N激光增材制造单元正上方，重复步骤5-步骤8，进行多层激光增材制造，直至结束；
步骤10：重复上述步骤7-9，进行多层焊，直到焊接完成。
可选地，步骤1中，待加工板材可以为镁合金、铝合金等。
可选地，待加工板材厚度为1-5mm。
可选地，待加工板材分为第一待加工板材、第二待加工板材、…、第N待加工板材、第N+1待加工板材、第N+2待加工板材。
可选地，步骤3中，激光发生器为环形光斑光纤激光器。
可选地，步骤3中，激光焊接头为摆动激光焊接头。
可选地，步骤3中，激光切割头为振镜式激光切割头。
可选地，步骤5中，激光焊接头移动速度为5-20m/min。
可选地，步骤5中，第一激光束摆动振幅为1-3mm。
可选地，步骤5中，第一激光束摆动频率为50-200Hz。
本发明还提供一种激光增材制造系统，包括激光加工系统和夹具系统，所述激光加工系统包括激光发生器、第一传输光纤、第二传输光纤、激光焊接头、激光切割头、第一机械手、第二机械手和保护气喷嘴。其中激光焊接头与第一机械手末端固连，激光切割头与第二机械手末端固连；保护气喷嘴通过固定支架与激光焊接头固连。所述夹具系统包括夹具座、支撑垫块、第一感应加热组件、第二感应加热组件和压紧盖板。第一感应加热组件和第二感应加热组件可以上下和左右移动；压紧盖板具有夹紧作用，在压紧盖板上开设有加工窗口。
本发明的有益效果：
(1)本发明方案通过夹具系统将待加工板材上下垂直紧密叠接，类似于焊接中的叠接接头，可以获得具有小孔效应的激光深熔加工模式，加工过程稳定性好，热传导效率高。此外，结合激光切割获得去除待加工板材的未加工区域(类似传统增材制造的支撑材料)，获得已加工的激光增材制造单元；而后设置第一感应加热组件和第二感应加热组件，使得激光增材制造区与待加工板材的母材和已加工的激光增材制造单元之间的温度梯度进一步减小，有效控制激光增材制造的变形量。
(2)与填丝和填粉式激光增材制造相比，本发明方案的激光增材制造具有待加工板材制作成本低，易进行焊前处理，适用性好等显著特点。
附图说明
图1为本发明实施例中激光增材制造的总体布置示意图。
图2为本发明实施例中第一待加工板材和第二待加工板材布置示意图。
图3为本发明实施例中激光切割过程示意图。
图4为本发明实施例中第三待加工板材与第一激光增材制造单元布置示意图。
图5为本发明实施例中激光增材制造流程图。
图6为本发明实施例中激光增材制造获得的毛坯件示意图。
图中，1-夹具座，2-第一感应加热组件，3-第二感应加热组件，4-支撑垫块，5-第一待加工板材，6-第二待加工板材，7-压紧盖板，8-激光发生器，9-第一传输光纤，10-第二传输光纤，11-激光焊接头，12-激光切割头，13-第一机械手，14-第二机械手，15-第一激光束，16-第二激光束，17-保护气喷嘴，18-固定支架，19-第一焊缝，20-第三待加工板材，21-第二焊缝，22-第四待加工板材，23-第五待加工板材，24-第三焊缝，25-第四焊缝。
100-第一激光增材制造单元。
具体实施方案
以下将结合附图1-6以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
该实施例提供了一种激光增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1：提供2mm后镁合金板制备出第一待加工板材5、第二待加工板材6、第三待加工板材20、第四待加工板材22、第五待加工板材23，对待加工板材的上下表面进行打磨清洗；
步骤2：提供夹具系统，夹具系统包括夹具座1、第一感应加热组件2、第二感应加热组件3、支撑垫块4和压紧盖板7；
步骤3：提供激光加工系统，激光加工系统包括激光发生器8、第一传输光纤9、第二传输光纤10、激光焊接头11、激光切割头12、第一机械手13、第二机械手14和保护气喷嘴17；
可选地，激光发生器8为环形光斑光纤激光器，激光焊接头11为摆动激光焊接头，激光切割头12为振镜式激光切割头；
步骤4：夹具系统将第二待加工板材6置于第一待加工板材5正上方，第一感应加热组件2和第二感应加热组件3与第一待加工板材5底部贴合，夹具系统夹紧第二待加工板材6与第一待加工板材5形成紧密叠接；
可选地，第一感应加热组件2和第二感应加热组件3输入电压200-350V，输入电流3-15A，振荡频率1-20kHz；
步骤5：启动激光加工系统，打开激光发生器8，激光焊接头11输出第一激光束15，第一激光束15辐照第二待加工板材6上表面，保护气喷嘴17吹送保护气体，激光焊接头11按加工路径运动，实施激光增材制造；
可选地，激光焊接头11移动速度为5-20m/min，第一激光束15激光功率为2000-5000W，光斑大小为0.8-2mm，摆动振幅为1-3mm，第一激光束15摆动频率为50-200Hz；
步骤6：步骤6：完成一道加工后，关闭激光发生器8，激光焊接头11回到起始位置。
步骤7：打开激光发生器8，激光切割头12输出第二激光束16，第二激光束16辐照第二待加工板材6上表面，实施激光切割，获得第一激光增材制造单元100。
可选地，第二激光束16激光功率为4000-5000W，光斑大小为0.3-0.5mm。
步骤8：将第三待加工板材20置于第一激光增材制造单元100正上方，第一感应加热组件2和第二感应加热组件3与第三待加工板材20底部和第一激光增材制造单元100侧面贴合，夹具系统夹紧第三待加工板材20与第一激光增材制造单元100形成紧密叠接，重复步骤6-步骤8。
可选地，第一感应加热组件2和第二感应加热组件3输入电压200-550V，输入电流3-15A，振荡频率1-20kHz。
步骤9：依次将第N+2待加工板材置于第N激光增材制造单元正上方，重复步骤5-步骤8，进行多层激光增材制造，直至结束。
如图1所示，本发明实施例还提供一种激光增材制造系统，包括激光加工系统和夹具系统，所述激光加工系统包括激光发生器8、第一传输光纤9、第二传输光纤10、激光焊接头11、激光切割头12、第一机械手13、第二机械手14和保护气喷嘴17。其中激光焊接头11与第一机械手13末端固连，激光切割头12与第二机械手14末端固连；保护气喷嘴17通过固定支架18与激光焊接头11固连。所述夹具系统包括夹具座1、第一感应加热组件2、第二感应加热组件3、支撑垫块4和压紧盖板7。第一感应加热组件2和第二感应加热组件3可以上下和左右移动；压紧盖板7具有夹紧作用，在压紧盖板7上开设有加工窗口。
对于现有技术，本发明实施例方案具有如下特点。
本实施例方案通过夹具系统将待加工板材上下垂直紧密叠接，类似于焊接中的叠接接头，可以获得具有小孔效应的激光深熔加工模式，加工过程稳定性好，热传导效率高。此外，结合激光切割获得去除待加工板材的未加工区域(类似传统增材制造的支撑材料)，获得已加工的激光增材制造单元；而后设置第一感应加热组件2和第二感应加热组件3，使得激光增材制造区与待加工板材的母材和已加工的激光增材制造单元之间的温度梯度进一步减小，有效控制激光增材制造的变形量。
此外，与填丝和填粉式激光增材制造相比，本实施例方案的激光增材制造具有待加工板材制作成本低，易进行焊前处理，适用性好等显著特点。

Claims (6)

1.一种激光增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供待加工板材，对待加工板材的上下表面进行打磨清洗；
步骤2：提供夹具系统，夹具系统包括夹具座、支撑垫块、第一感应加热组件、第二感应加热组件和压紧盖板；
步骤3：提供激光加工系统，激光加工系统包括激光发生器、第一传输光纤、第二传输光纤、激光焊接头、激光切割头、第一机械手、第二机械手和保护气喷嘴；
步骤4：夹具系统将第二待加工板材置于第一待加工板材正上方，第一感应加热组件和第二感应加热组件与第一待加工板材底部贴合，夹具系统夹紧第二待加工板材与第一待加工板材形成紧密叠接；
步骤5：启动激光加工系统，打开激光发生器，激光焊接头输出第一激光束，第一激光束辐照第二待加工板材上表面，保护气喷嘴吹送保护气体，激光焊接头按加工路径运动，实施激光增材制造；
步骤6：完成一道加工后，关闭激光发生器，激光焊接头回到起始位置；
步骤7：打开激光发生器，激光切割头输出第二激光束，第二激光束辐照第二待加工板材上表面，实施激光切割，获得第一激光增材制造单元；
步骤8：将第三待加工板材置于第一激光增材制造单元正上方，第一感应加热组件和第二感应加热组件与第三待加工板材底部和第一激光增材制造单元侧面贴合，夹具系统夹紧第三待加工板材与第一激光增材制造单元形成紧密叠接，重复步骤6-步骤8；
步骤9：依次将第N+2待加工板材置于第N激光增材制造单元正上方，重复步骤5-步骤8，进行多层激光增材制造，直至结束。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造的方法，其特征在于，可待加工板材可以为镁合金、铝合金等。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造的方法，其特征在于，激光发生器为环形光斑光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造的方法，其特征在于，激光焊接头为摆动激光焊接头。
5.根据权利要求1所述的激光增材制造的方法，其特征在于，激光切割头为振镜式激光切割头。
6.一种激光增材制造的系统，其特征在于，包括激光加工系统和夹具系统，所述激光加工系统包括激光发生器、第一传输光纤、第二传输光纤、激光焊接头、激光切割头、第一机械手、第二机械手和保护气喷嘴；其中激光焊接头与第一机械手末端固连，激光切割头与第二机械手末端固连；保护气喷嘴通过固定支架与激光焊接头固连；所述夹具系统包括夹具座、支撑垫块、第一感应加热组件、第二感应加热组件和压紧盖板；第一感应加热组件和第二感应加热组件可以上下和左右移动；压紧盖板具有夹紧作用，在压紧盖板上开设有加工窗口。
CN202211270831.1A 2022-10-17 2022-10-17 一种激光增材制造方法与系统 Pending CN115446461A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211270831.1A CN115446461A (zh) 2022-10-17 2022-10-17 一种激光增材制造方法与系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211270831.1A CN115446461A (zh) 2022-10-17 2022-10-17 一种激光增材制造方法与系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115446461A true CN115446461A (zh) 2022-12-09

Family

ID=84311025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211270831.1A Pending CN115446461A (zh) 2022-10-17 2022-10-17 一种激光增材制造方法与系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115446461A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108436270B (zh) 一种用于铝合金激光焊接的表面预处理方法
JP5725723B2 (ja) 高出力レーザビーム溶接及びそのアセンブリ
CN103769746B (zh) 一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备
WO2020258859A1 (zh) 超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法
CN109746453B (zh) 一种激光修复方法及装置
JP6203297B2 (ja) レーザ重ね溶接方法
WO2022179205A1 (zh) 超薄结构增材制造修复的方法
JP4780526B2 (ja) 異種材料の接合方法、接合装置及び接合構造
CN102151995B (zh) 汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法
CN107999916A (zh) 一种异种材料的双光束激光-tig复合填丝熔钎焊方法
KR101756089B1 (ko) 레이저 소결 디바이스용 지지 플레이트 및 향상된 소결 방법
WO2017163431A1 (ja) ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム
CN103286444A (zh) 一种硅钢片激光对接焊的方法
KR101429854B1 (ko) 벌크화 공정을 이용한 알루미늄 시트의 마찰교반 용접방법
CN110714199A (zh) 一种用于3d打印搭接电子束制备涂层的方法
CN107498173A (zh) 一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置及制造方法
RU2477679C2 (ru) Способ ремонта изношенной торцевой части металлической пластины
CN113927045A (zh) 一种激光增材制造的在线原位应力控制装置
CN110538997B (zh) 一种激光预熔覆辅助等离子增材制造设备与方法
CN115446461A (zh) 一种激光增材制造方法与系统
US20230088160A1 (en) Method for manufacturing stator for rotary electric machine
CN113967787B (zh) 一种激光焊接方法
Zhu et al. Additive manufacturing phenomena of various wires using a hot-wire and diode laser
JP6587028B1 (ja) 積層造形方法および積層造形装置
CN108015421A (zh) 一种电器开关柜用铝合金箱体的焊接工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination