CN115673343A - 一种消除激光增材制造残余应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除激光增材制造残余应力的装置及方法，该装置包括成形装置、送粉装置、收粉装置和保温装置，在传统设备基础上引入保温装置，使得制件成形结束后，整个成形模块(含粉末)直接进入保温装置进行长时保温来消除残余应力。本方法适用于钛合金、高温合金、高强铝合金、模具钢、高强钢、高熵合金等在激光增材制造过程中会产生较大残余应力或微裂纹的所有材料。保温装置通过保温消除残余应力。采用本发明的装置和方法进行激光增材制造，可降低变形、开裂风险，提高制件沉积态性能，提高激光增材制造制件稳定性，降低废品率。

Description

一种消除激光增材制造残余应力的装置及方法

技术领域

本发明用于金属增材制造技术领域，具体涉及一种消除激光增材制造残余应力的装置及方法。

背景技术

钛合金、高温合金、高强铝合金、模具钢、高强钢、高熵合金等在激光增材制造过程中会产生较大残余应力或微裂纹，导致在生产过程中，经常发生开裂、变形等问题，废品率高，浪费严重，影响产品生产周期和生产成本。

残余应力由凝固过程中的温度变化、材料膨胀收缩过程引起。当残余应力超过材料本身或基板的屈服强度，将会产生零件变形、开裂或者基板翘曲。目前主要通过制件摆放调整、支撑添加或基板预热的方式控制成形过程残余应力，控制成形过程中的变形、开裂等，但是这些方法对于难成形材料控制效果不明显。也可以将制件移至成形舱外进行热处理来进行应力的消除，但由于热处理环节的独立操作，使得已经发生的变形、开裂等状况无法逆转，使得某些金属制件在热处理前已报废。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种消除激光增材制造残余应力的装置及方法，以解决现有技术中针对难成形材料增材制造后，缺乏相对应的消除应力方法的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种消除激光增材制造残余应力的装置，包括壳体，壳体内部的上部为成形舱室；成形舱室的底部开设有三个窗口，从前到后，第一个窗口下设置有送粉装置，第二个窗口下设置有成形装置，第三个窗口下设置有收粉装置，收粉装置的下方设置有保温装置；成形装置的下方，以及保温装置的内部设置有传送辊；

所述壳体的上端面上设置有光学系统，光学系统连接有激光源。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述保温装置的壳体包括三层，从外之内依次为钢板外壳、保温层和耐火层。

优选的，所述成形装置包括打印舱室和成型基板，成型基板设置在打印舱室中；打印舱室的下端面可拆卸的连接有顶杆，成形基板的下端面可拆卸的连接有导轨丝杠；顶杆的下端和导轨丝杠的下端均设置在壳体的底部。

优选的，所述传送辊、顶杆和导轨丝杠均通过伺服电机驱动。

优选的，所述保温装置的前侧壁上设置有保温炉门，成形装置的下部后侧壁上设置有成型室侧门。

优选的，所述送粉装置包括粉仓和升降机构，粉仓的下端面和升降机构连接。

优选的，所述成形装置和保温装置之间设置有氧传感器；所述壳体的顶部设置有氧传感器。

优选的，所述保温装置的内部设置有热电偶、氧传感器和电热元件。

优选的，所述保温装置内的加热温度和成形装置中温度相互关联。

一种基于上述消除激光增材制造残余应力装置的方法，包括以下步骤：

步骤1，送粉装置中的粉末被送进成形装置后，粉末在光学系统发出激光的作用下形成成形制件；

步骤2，成形制件被传送辊送至保温装置中保温加热；

步骤3，成形制件保温加热结束后，被送回至成形装置中进行后处理，后处理结束后，增材制造结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种消除激光增材制造残余应力的装置，该装置包括成形装置、送粉装置、收粉装置和保温装置，在传统设备基础上引入保温装置，使得制件成形结束后，整个成形模块(含粉末)直接进入保温装置进行长时保温来消除残余应力。本方法适用于钛合金、高温合金、高强铝合金、模具钢、高强钢、高熵合金等在激光增材制造过程中会产生较大残余应力或微裂纹的所有材料。保温装置通过保温消除残余应力。采用本发明的装置和方法进行激光增材制造，可降低变形、开裂风险，提高制件沉积态性能，提高激光增材制造制件稳定性，降低废品率。

本发明还公开了一种基于消除激光增材制造残余应力的装置的方法，该方法打破现有的不连续去应力环节束缚，在制件成形完毕后，于设备中直接进行低温长时保温，消除残余应力。该方法是一种在线零间隔粉末包覆状态直接低温长时保温处理消除残余应力的方法，该方法减少因热处理环节的独立操作，造成的制件失效，提高制件沉积态力学性能。采用该方法，金属制件的残余应力明显降低，大大减小了金属制件的变形、宏观开裂及微裂纹的萌生情况，提高沉积态金属制件的强韧性。

附图说明

图1是本发明激光增材制造装置结构示意图；

图中，1-激光源、2-光学系统、3-收粉装置、4-成形装置、5-送粉装置、6-氧传感器、7-保温装置、8-钢板外壳、9-保温层、10-耐火层、11-热电偶、12-电热元件、13-传送辊、14-保温炉门、15-保温装置底座、16-成型室侧门、17-成形制件、18-金属粉末；19-壳体；20-成型舱室；22-顶杆；23-导轨丝杠；4-1-打印舱室；4-2-成型基板；5-1-粉仓；5-2-升降机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种消除激光增材制造残余应力的装置及方法，如图1所示，该装置的结构包括增材制造装置壳体19，所述壳体19中设置有收粉装置3、成形装置4、送粉装置5、保温装置7和成型舱室20，壳体19的外部设置有光学系统2和激光源1。所述激光源1和光学系统2连接，激光源1通过光学系统2向壳体19的内部发送激光。

顺着金属粉末的加工顺序，设定送粉装置5所在的一侧为前，收粉装置3所在的一侧为后，本发明的撰写均以此为基准，后面不再赘述。

壳体19整体氛围上、下两部分，以成型舱室20的底部作为分界，在成型舱室20的下部设置三个装置，分别是收粉装置3、成形装置4和送粉装置5。成形舱室20的底部开设有三个窗口，每一个窗口对应一个装置，从前向后的方向，第一个窗口下设置的为送粉装置5，第二个窗口下设置的成形装置4，第三个窗口下设置的为收粉装置3，收粉装置3的下方设置有保温装置7。送粉装置5的上端面、成形制件17中的上端面和收粉装置3的上端面均在成型舱室20所在的水平面上。

具体的，壳体19内部设置有送粉装置5，所述送粉装置5内装载有待打印的粉末；所述送粉装置5包括粉仓5-1和升降机构5-2，粉仓5-1的下部和升降机构5-2连接，升降机构5-2推动粉仓5-1中的下推板向上移动，使得粉仓5-1中存储的待打印金属粉末18能够突出粉仓5-1的上表面。

所述成型舱室20内设置有刮刀，刮刀能够沿着送粉装置5的上端面、成型舱室20的下端面、成形制件17中的上端面和收粉装置3的上端面沿着壳体19的前后方向做往复直线运动。刮刀和成型舱室20的底部侧边为滑动连接，刮刀的下表面和粉仓5-1的上表面相接触，使得刮刀能够将突出粉仓5-1上表面的待打印金属粉末推入至成型装置4中。

具体的，成形装置4包括打印舱室4-1和成形基板4-2，成型基板4-2设置在打印舱室4-1中，成型基板4-2的底部和导轨丝杠23可拆卸连接，导轨丝杠23穿过打印舱室4-1的底部抵住成形基板4-2的底端，推动成形基板4-2能够在打印舱室4-1内上下移动。打印舱室4-1的底部可拆卸的连接有两个顶杆22，所述顶杆22为由可伸缩顶杆，两个顶杆22穿过传送辊13抵住打印舱室4-1的底部。顶杆22和导轨丝杠23均由伺服电机驱动升降。

成形基板4-2上装载有金属粉末18。打印舱室4-1的上方为光学系统2的发光器。光学系统2的发光器发出光后，在打印舱室4-1中形成成形制件17。成形装置4下部的后侧设置有成型室侧门16。

成形装置4的后方设置有收粉装置3，所述收粉装置3的上端口开设在成型舱室20上，收粉装置3用于承载并收集成型舱室20上未使用的粉末。收粉装置3的下方为保温装置7。

成型装置4的底部和保温装置7的底部共同设置有一排传送辊13，传送辊13的传送方向为从前到后，或者是从后到前。由伺服电机控制传送辊13的转动和停止，用于传送整个成型装置4。传送辊13平行设置，所有的传送辊13由伺服电机驱动。

成型结束后，成型基板4-2由上下运动的导轨丝杠23控制落至打印舱室4-1底部平台上，导轨丝杠23脱离；打印舱室4-1由可上下移动的顶杆22移动落至传送辊13上，顶杆22脱离打印舱室4-1的下底面。导轨丝杠23和顶杆22均由伺服电机控制其运动。

打印舱室侧门16由气动阀控制其启动开启，当保温装置7和成形装置4之间的氧传感器6监测的氧含量降至800ppm以下时，保温炉门14由气动阀打开，滚动轴承13滚动运动将打印舱室4运送至保温装置7中，保温舱门16关闭，在持续保温过程中，保温舱室7中的氧传感器6始终监测氧含量，过程中持续通入99.999％的高纯氩气，控制氧含量在800ppm以下。

壳体19内设置有两个氧传感器6，一个设置在壳体19的顶部，一个设置在成形装置4和保温装置7之间。

保温装置7整体为箱体结构，其箱体结构包括三层，从外向内依次为钢板外壳8、保温层9和耐火层10；保温装置7的底部设置有保温装置底座15,，保温装置7的侧壁上设置有热电偶11，保温装置7的上端设置有氧传感器6和电热元件，保温装置7的前端设置有保温炉门14。

保温装置7中氧传感器6用来监测氧含量，反馈给设备控制单元，闭环控制保温装置的含氧量；电热元件12为热阻丝，用于根据指令加热保温装置7，热电偶11监测室内温度并反馈给设备来控制单元控制保温温度。保温装置底座15用于放置被加热器件。

保温炉门14和成型室侧门16均为气动开启、复位。

本发明通过上述装置进行增材制造的保温工作过程为：

制件在预热状态下打印完成后，不进行开舱清件，而是直接将成形制件17从打印舱室4-1中移至保温装置7中，进行低温长时去应力处理，去应力完成缓冷至室温后，再移回至打印舱室4-1进行清粉取件。

保温装置7和成形装置4的控制反馈相互关联，保温装置7和成形装置4中成形平台4-2的预热温度相同，保温装置7的保温温度取决于成形装置4的预热温度，成形平台4-2的底部设置有电阻丝，对成形平台4-2进行预热，成形制件17在打印过程中，保温装置7就开始预热，保温装置7的开启取决于制件成形结束时间和平台预热温度，实现实时控制，无缝对接，使得程序结束前，保温温度已到达平台预热温度。

成型完毕后，整个成形粉舱4-1降至限位位置，通过传送辊13整体移至保温装置7中，在软件控制界面输入需要保温的时间，开始进行保温处理。

保温结束后，成形粉舱4-1在保温装置7中，在保护气氛下打印舱室4-1降至室温，保温炉门14打开，通过传送辊13移回至原打印舱室坐标，Z轴运动，零件露出成形平台表面，开始进行清件取件工作。

取件后，进行常规操作，线切割、热处理、打磨、抛光等，可根据实际情况，调整线切割和热处理顺序。

成型开始至保温结束降至室温，整个过程中打印舱室4-1及保温装置7、整个连通通道一直充有氩气，通过氧传感器6检测三个位置的氧含量，控制在800ppm以下，根据材料不同，将氧含量控制在相应的水平。

采用上述激光增材制造装置进行制件成形的具体过程如下：

(1)建立待成型制件的三维模型，在UG等三维软件中进行模型余量添加、扩孔等操作。

(2)使用3D打印专用模型处理软件对模型进行摆放、支撑添加、剖分切片操作，获得3D打印程序。

(3)将步骤(2)生成的程序导入激光增材制造设备中，将设备基板预热到指定温度，开始成形。

(4)激光束按照预先设定的扫描路径，对基材上的粉末18进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层；平台下降一个层厚，铺粉厚开始下一层的熔覆，重复进行，直至成形完毕，形成成形制件17。

(5)在过程(4)中，保温装置7根据程序剩余时间开始进行保温装置7加热，加热速率为5℃/min，在成形完毕之前，保温装置7温度达到基板预热温度。

(6)制件17成形完毕后，打印舱室4-1由顶杆22和导轨丝杠23控制下降至传送辊13限位高度，触碰成形室侧门16的传感器，侧门能够打开，打印舱室侧门16由气动阀控制其启动开启，当保温装置7和成形装置4之间的氧传感器6监测的氧含量降至800ppm以下时，保温炉门14由气动阀打开，打印舱室4-1被传送辊13带动向保温装置7移动。

(7)打印舱室4-1移动至保温炉门14一侧，通过设备控制单元气动打开保温炉门14，打印舱室4-1被传送辊13移动至保温装置7中，并落于保温装置底座15上，-成型室侧门16关闭，开始保温计时，直至保温时间达到设置的时长后，保温装置加热终止，自然冷却。在持续保温过程中，保温舱室7中的氧传感器6始终监测氧含量，过程中持续通入99.999％的高纯氩气，控制氧含量在800ppm以下。

(8)冷却至室温后，依次打开保温炉门14和成形室侧门16，打印舱室4-1整体由传送辊13送至限位高度，而后顶杆22上升，然后通过导轨丝杠23将成形制件17推至成形平台以上，进行清粉、取件操作，随后进行常规的热处理、线切割等操作。

本发明应用于CoCrFeNiMn高熵合金的成形，基板预热温度为200℃，在成形完毕后直接进行200℃保温20h处理，保温完成后，清件、线切割，之后进行组织分析和力学性能测试，并与预热成型、直接取出离线热处理的试验结果对比，结果表明连续保温处理后宏观无开裂现象，组织中无微裂纹，且力学性能相较离线热处理的抗拉强度提升约100MPa，延伸率提升了8％～10％。

采用本发明成形的激光增材制造制件，大大降低了组织内部残余应力，组织稳定，避免了金属制件因移至舱外造成的残余应力引起开裂的状况，降低废品率，提高制件沉积态性能，特殊情况下，可无需舱外热处理，直接线切割，打磨、去支撑。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，包括壳体(19)，壳体(19)内的上部为成形舱室(20)；成形舱室(20)的底部开设有三个窗口，从前到后，第一个窗口下设置有送粉装置(5)，第二个窗口下设置有成形装置(4)，第三个窗口下设置有收粉装置(3)，收粉装置(3)的下方设置有保温装置(7)；成形装置(4)的下方，以及保温装置(7)的内部设置有传送辊(13)；

所述壳体(19)的上端面上设置有光学系统(2)，光学系统(2)连接有激光源(1)。

2.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述保温装置(7)的壳体包括三层，从外之内依次为钢板外壳(8)、保温层(9)和耐火层(10)。

3.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述成形装置(4)包括打印舱室(4-1)和成型基板(4-2)，成型基板(4-2)设置在打印舱室(4-1)中；打印舱室(4-1)的下端面可拆卸的连接有顶杆(22)，成形基板(4-2)的下端面可拆卸的连接有导轨丝杠(23)；顶杆(22)的下端和导轨丝杠(23)的下端均设置在壳体(19)的底部。

4.根据权利要求3所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述传送辊(13)、顶杆(22)和导轨丝杠(23)均通过伺服电机驱动。

5.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述保温装置(7)的前侧壁上设置有保温炉门(14)，成形装置(4)的下部后侧壁上设置有成型室侧门(16)。

6.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述送粉装置(5)包括粉仓(5-1)和升降机构(5-2)，粉仓(5-1)的下端面和升降机构(5-2)连接。

7.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述成形装置(4)和保温装置(7)之间设置有氧传感器(6)；所述壳体(19)的顶部设置有氧传感器(6)。

8.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述保温装置(7)的内部设置有热电偶(11)、氧传感器(6)和电热元件(12)。

9.根据权利要求1所述的一种消除激光增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述保温装置(7)内的加热温度和成形装置(4)中温度相互关联。

10.一种基于权利要去1所述消除激光增材制造残余应力装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，送粉装置(5)中的粉末被送进成形装置(4)后，粉末在光学系统(2)发出激光的作用下形成成形制件(17)；

步骤2，成形制件(17)被传送辊(13)送至保温装置(7)中保温加热；

步骤3，成形制件(17)保温加热结束后，被送回至成形装置(4)中进行后处理，后处理结束后，增材制造结束。

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