CN116748536A - 一种冷射流辅助激光增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种冷射流辅助激光增材制造装置，包括：激光增材制造组件、冷射流辅助组件，其中所述冷射流辅助组件的喷嘴喷出的低温气流对准激光增材制造组件形成的熔池的后缘附近的高温固相区。根据本发明的技术方案，一方面利用强化传热诱发的动态温差拉伸效应，对冷射流作用区的塑性变形进行调控，进而弱化热应力与机械约束应力的交互作用，减小工件的残余应力和几何变形；另一方面，利用冷射流带走部分热量，减少热累积对工件的残余应力和几何变形的影响。

Description

一种冷射流辅助激光增材制造装置

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种冷射流辅助激光增材制造装置。

背景技术

激光增材制造技术采用“逐点扫描、逐线搭接、逐层堆积”的熔凝模式对零件进行自由成形，几乎不受零件的材料力学性能和结构型式的影响，可为复杂构件的成形制造提供解决方案。然而，激光增材制造是一个长时周期性循环加热熔化和冷却凝固的热物理冶金过程，温度梯度大、冷却速率快，容易产生高水平的热应力和机械约束应力的交互作用，致使低刚度薄壁零件发生严重变形，且残余应力大。可见，激光增材制造中的热应力和变形问题是制约薄壁件发展和应用的瓶颈。

目前，国内外在激光增材制造变形控制方面开展了大量的研究工作。一方面，从粉体材料组分设计的角度，优化材料的热物性参数，减小零件变形，然而基体材料的物化特性被改变。另一方面，通过预热或多热源复合的方式控制热过程，改善局部塑性变形的不协调性。第三，从工艺角度对应力和变形进行调控，但是应力变形的控制效果有限。第四，通过后置热处理调整应力变形，但可能带来组织转变和费时耗资的问题。

然而，在利用激光增材制造技术来制造薄壁构件时，易发生失稳变形。

发明内容

本发明的目的是针对目前激光增材制造过程中薄壁构件易发生失稳变形的问题，提供一种面向薄壁构件的冷射流辅助激光增材制造装置。

根据本发明的第一个方面，一种冷射流辅助激光增材制造装置，所述装置包括：激光增材制造组件、冷射流辅助组件，其中所述冷射流辅助组件的喷嘴喷出的冷射流对准激光增材制造组件形成的熔池的后缘附近的高温固相区。

根据本发明的一个实施例，所述冷射流辅助组件包括冷射流辅助装置、流量阀和气罐。

根据本发明的一个实施例，所述冷射流辅助装置包括冷却箱、热交换管和喷嘴，热交换管安装在冷却箱中心，热交换管的入口与气罐相连，出口和喷嘴相连。

根据本发明的一个实施例，喷嘴处设置有温度传感器。

根据本发明的一个实施例，所述气罐出口处设置有压力传感器。

根据本发明的一个实施例，冷射流辅助装置设置在激光增材制造组件的熔覆头上，并且可绕熔覆头的轴线在熔覆头的圆周面上转动。

根据本发明的一个实施例，冷射流辅助装置的喷射角度可调，高度可调。

根据本发明的一个实施例，激光增材制造组件的熔覆头设置在机械手上，熔覆头的外圆周面上固定设置一环形滑轨，所述环形滑轨上滑动设置有一滑块，所述滑块上固定连接有夹持装置，所述夹持装置夹持固定所述冷射流辅助装置。

根据本发明的一个实施例，还包括控制系统，控制系统与多个传感器电信号连接，还与激光熔覆头、送粉机构、冷射流辅助组件的位置调节装置电信号连接。

根据本发明的一个实施例，多个传感器包括温度传感器，压力传感器。

根据本发明的一个实施例，激光增材制造组件包括激光器，送粉器，工作台，基板，机械手，熔覆头，其中熔覆头为同步送粉，包括但不限于旁轴送粉、同轴送粉。

根据本发明的技术方案，在激光增材制造过程中，一方面，利用强化传热诱发的动态温差拉伸效应，对冷射流作用区工件的塑性变形进行调控和抑制塑性区扩展，进而弱化热应力与机械约束应力的交互作用，减小工件的残余应力和几何变形；另一方面，利用冷射流带走部分热量，减少热累积对工件的残余应力和几何变形的影响。

本发明至少具有如下有益效果：

1. 与传统激光增材制造技术相比，本发明能够对激光增材制造过程中工件的残余应力和变形进行有效调控，进而提高产品的成形精度与性能；

2. 本发明提出的装置还可拓展至激光熔覆领域，提升激光熔覆的成形性能。

附图说明

图1示出了本发明的冷射流辅助激光增材制造装置的组成示意图。

图2示出了本发明的冷射激流发生装置与熔覆头连接关系的示意图。

图3示出了本发明的高温固相区、熔池的三维示意图。

具体实施方式

现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。

参见附图1-3，根据本发明的一个实施例，一种冷射流辅助激光增材制造装置，所述装置包括：激光增材制造组件、冷射流辅助组件，其中所述冷射流辅助组件的喷嘴喷出的冷射流20对准激光增材制造组件形成的熔池24的后缘附近的高温固相区21。其中冷射流20即为低温气流。

参见附图3，在激光增材制造过程中，被激光扫描的地方温度很高，会形成熔池24，熔池24温度最高点出现光斑中心。热源离开后，通过工件与周围介质的对流换热和工件内部的热传导，材料温度迅速降低，表现出典型的急热急冷特征。这一特征使得熔覆层组织的凝固速度很快，可形成微观组织细小致密的熔覆层。温度峰值后拖有一长尾，这是由于激光的移动，光斑移出的区域温度没来得及下降，光斑进入的区域迅速升温，导致光斑移出的等温区域比将要进入的区域大。熔池24前方温度变化较为剧烈，熔池24后方的温度变化则较为缓慢。熔池24后方温度降低到一定范围之后，材料由液相转变为固相，但温度仍然远远高于周围区域，本发明中所述的高温固相区21即指代这一区域。

本发明中的激光增材制造组件可采用现有技术中惯用的激光增材制造设备，例如，如附图1所示的，包括激光器1、送粉器2、控制系统6、工作台7、基板8、六轴机械手9、熔覆头10。

其中，所述控制系统6通过信号线11与激光器1相连，所述激光器1通过光纤13与熔覆头10相连，所述的控制系统6控制激光器1发出激光束22，激光束22经光纤13传输到熔覆头10。

所述控制系统6通过信号线11与六轴机械手9相连，控制六轴机械手9的空间姿态和移动轨迹。

所述控制系统6通过信号线11与送粉器2相连，控制送粉率。

上述激光增材制造设备，可通过控制系统6控制激光器1、送粉器2、六轴机械手9的动作，通过熔覆头10在工作台7的基板8上进行传统的增材制造作业。上述设备均可选用市场上的通用的产品。

本发明涉及的冷射流辅助组件可喷射低温气流，并且可使得该喷射的气流对准激光增材制造组件形成的熔池24的后缘附近的高温固相区21，如图3所示。所述的使冷射流20对准高温固相区21，具体为，使冷射流20打到工件表面的光斑中心位于激光扫描方向的反向延长线上，且使整个气流光斑在不接触到熔池24区域的前提下，尽可能地靠近熔池24区域。考虑到系统误差等因素，优选使得气流光斑与熔池24的后边缘之间存在一定的间隙。

根据本发明的技术方案，在激光增材制造过程中，激光束22、粉末和冷射流20被同步输送到基板表面，冷射流20作用到熔池24后缘附近的高温固相区21，通过激冷诱发的动态温差拉伸效应，对高温固相区21的塑性变形进行调控和抑制塑性区扩展，进而弱化热应力与机械约束应力的交互作用，减小工件的残余应力和几何变形；同时，利用冷射流带走高温固相区21的部分热量，减少热累积对工件的残余应力和几何变形的影响。

根据本发明的一个实施例，所述冷射流辅助组件包括冷射流辅助装置5、流量阀3和气罐4。

其中，气罐4内存储高压气体，优选为氮气，也可以是其它气体，例如氦气、氩气、氮气和二氧化碳。该气罐4内储存的气体为冷射流辅助组件提供喷射气流。气罐4通过软管与冷射流辅助装置5连接。

气罐4与冷射流辅助装置5之间，还设置有流量阀3。控制系统6通过信号线11与流量阀3电信号连接，对冷射流20的流量进行控制。

根据本发明的一个实施例，所述冷射流辅助装置5包括冷却箱14、热交换管15和喷嘴16，热交换管15安装在冷却箱14的中心位置处，热交换管15的入口与气罐4相连，出口和喷嘴16相连。

其中，热交换管15可以是螺旋铜管，也可以是其它形式的热交换结构。例如，可以是S形铜管，或者其它任何形状的铜管或者其它导热性能好的材质的管道，只需能够使气体的温度降低到合适的范围即可。

冷却箱14可以是液氮箱，也可以是充满其它制冷介质的箱体，只要可以稳定、快速的将通过其中的气流降低到零下20°以下即可。

在一些实施例中，所述冷射流辅助装置5整体设置在熔覆头10上，所述冷却箱14用于存放制冷介质，所述热交换管15安装在冷却箱14中心，其入口通过软管12与气罐3连接，出口与喷嘴16连接，气罐4内存储的高压气体通过软管12，经过流量阀3，进入到热交换管15中，由于热交换管15处于冷却箱14之内，因此进入其中的气体可被制冷介质急速冷却，冷却后的气体，从热交换管15的出口经由喷嘴16向外喷射。

其中，喷嘴16可以是现有技术中的喷射角度可调的喷嘴。在一些实施例中，其喷射角度的调整，可以通过自动控制系统来实现。

在一些实施例中，如图2所示，可采用万向竹节喷嘴16作为冷射流发生装置的喷嘴，只需手动调节万向竹节喷嘴16就能调节冷射流20的喷射角度和高度，也可以是其他能够进行变形调节且变形后喷射角度和高度保持不变的喷嘴，使冷射流对准所述熔池24的后缘附近的高温固相区21。这种实施方式成本低廉，对喷嘴16的的角度调整简单方便，缺点是精度较低，且无法根据激光扫描方向的变化而实时变化，因此仅适用于制造结构简单的元件。

本发明中，利用气罐4提供的气体，包括但不限于氩气、氮气，作为冷射流介质，液氮作为制冷介质，冷射流介质通过热交换管时被液氮制冷到-20℃以下。

根据本发明的一个实施例，喷嘴16处设置有温度传感器。

所述的温度传感器可通过信号线与控制系统6电信号连接。如此设置，使得控制系统6可根据所述温度传感器反馈的数值，来监测冷射流20的温度，从而确保在激光增材制造的过程中可以最大限度得减少产品的残余应力和变形。

根据本发明的一个实施例，所述气罐4出口处设置有压力传感器。

所述的压力传感器可通过信号线与控制系统6电信号连接。如此设置，使得控制系统6可根据所述压力传感器反馈的数值，来自动控制流量阀3，进而控制冷射流20的流量，从而确保在激光增材制造的过程中可以最大限度得减少产品的残余应力和变形。还可监测气罐4内存储的气体的量是否符合要求，如果气体的量不足，则可提醒操作人员更换或者补充。

根据本发明的一个实施例，参见图2，冷射流辅助装置设置在激光增材制造组件的熔覆头10上，并且可绕熔覆头10的轴线在熔覆头10的圆周面上转动。

根据本发明的一个实施例，熔覆头10的外圆周面上设置有一环形滑轨17，在环形滑轨17上设置有一滑块18，所述滑块18可在驱动装置的作用下，绕环形滑轨17移动。所述滑块18通过夹持装置19固定连接冷却箱14，冷却箱14的底部设置有角度可调节的喷嘴16。

在激光增材制造领域，可通过熔覆头10的空间移动来对零件进行自由成形，也就是说，熔覆头10可相对于工作台在X、Y、Z三个方向上做自由运动以形成目标零件，在这个过程中，冷射流辅助装置需要保持位于熔覆头10运动方向23的后方，才能保证冷射流辅助装置喷出的气流能够对准激光增材制造组件形成的熔池24的后缘附近的高温固相区21。

对于形状结构简单的零件，熔覆头10保持朝向一个方向的运动即可完成作业，这种情况下，冷射流辅助装置相对于熔覆头10的位置无需调整，即冷射流辅助装置可固定设置在熔覆头10上。

当待生成的零件结构复杂，需要熔覆头10的运动发生方向的改变的时候，如果冷射流辅助装置的位置不可调整，则无法实现将喷出的气流对准激光增材制造组件形成的熔池24的后缘附近的高温固相区21。

例如，熔覆头10首先向右移动，此时，冷射流辅助装置位于熔覆头10的左边，即可使喷出的气流对准激光增材制造组件形成的熔池24的后缘附近的高温固相区21。但当熔覆头10向右移动到终点，需要改变方向为向左移动的时候，冷射流辅助装置则需要移动到熔覆头10的右边。

在激光增材制造领域，还可使得熔覆头10固定不动或者仅仅能沿着Z方向移动，同时，使工作台沿着X方向和Y方向移动和/或绕Z轴转动，以完成成形作业。

在这种情况下，需要使得冷射流辅助装置时刻位于工作台运动方向23的前方。

同样地，如果待成形的零件结构简单，工作台始终朝向一个方向运动，则冷射流辅助装置可固定设置于熔覆头10上。

但如果待成形的零件结构复杂，工作台的运动方向23随时可能变化，则冷射流辅助装置的位置也需要实时调整。

为了解决上述问题，本发明使得冷射流辅助装置可绕熔覆头10的轴线转动。如此设置，可按工艺需要将冷射流辅助装置调整到熔覆头10运动方向23的后方或者工作台运动方向23的前方。

如图2所示，可采用在熔覆头10的外周设置环形轨道17，在冷射流辅助装置上设置与环形轨道相配合的滑块18以及驱动装置的方式来实现冷射流辅助装置绕熔覆头10的轴线的转动，以调整冷射流辅助装置相对于熔覆头10的周向位置。

可以理解地，也可以采用其它任意一种适合的方式或结构来实现这一调整。

根据本发明的一个实施例，冷射流辅助装置的喷射角度可调，高度可调。

可采用将冷却箱14固定设置在夹持装置19上，喷嘴16选择角度可转动的型号，控制喷嘴16相对于冷却箱14转动来实现对喷射气流20角度的调整。也可以将喷嘴16固定设置到冷却箱14上，通过控制夹持装置19运动，来实现对喷射气流20角度的调整。

对于激光增材制造设备而言，各个控制参数的不同，以及原材料的不同，均会影响到熔池24的大小和深度，也就是说，熔池24的后缘附近的高温固相区21的位置和大小相对于熔池24的中心点而言，并不固定。

为了使喷射的低温气流对准该区域，可使得冷射流辅助装置的喷射角度跟高度均可调。

调整冷射流辅助装置的高度，可控制喷射到成形零件的表面的气流的面积大小。调整冷射流辅助装置的喷射角度，可调整喷射到成形零件的表面的气流中心的位置以及气流光斑的形状，使之精确对准所述熔池24的后缘附近的高温固相区21。

根据本发明的一个实施例，激光增材制造组件的熔覆头设置在机械手上，机熔覆头上安装有环形滑轨17，环形滑轨17上安装夹持装置19，夹持装置19上安装冷射流辅助装置。工作时，冷射流辅助装置通过夹持装置19上的滑块18沿环形滑轨17做周向移动，实现其周向位置的调节。

根据本发明的一个实施例，还包括控制系统，控制系统与多个传感器电信号连接，还与激光熔覆头、送粉机构、冷射流辅助组件的位置调节装置电信号连接。

激光增材制造是自动化程度很高的一项工艺，其各个工艺参数均需要通过控制系统进行设置以及控制，并通过感测元件实时监控并反馈，控制系统再根据反馈的数值，通过预先编制的程序进行运算，实时调整输出的控制指令。本发明的制造装置，不仅激光熔覆头、送粉机构、冷射流的流量可以实现自动控制，还可以自动控制冷射流辅助装置的位置、高度、角度，以确保喷射出的低温气流符合要求。

其中温度传感器用于感测喷嘴16喷射出的气流的温度。其被固定设置于喷嘴附近。如喷射出的气流的温度高于一预定值时，则发出报警信号。操作人员可根据报警信号，对系统进行检测，修理或者更换。

其中的压力传感器设置于气罐4出口附近，用于检测气罐4内的气体压力。如该压力小于一预设值，则提示操作人员更换气罐4。

控制系统可控制激光功率，光斑直径，工作台转速，送粉速度，熔覆头运动方向23和速度，冷射流20的流量、位置和方向。

根据本发明的一个实施例，激光增材制造组件包括激光器，送粉器，工作台，基板，机械手，熔覆头，其中熔覆头结构包括但不限于旁轴送粉熔覆头、多路同轴送粉熔覆头、环形同轴送粉熔覆头及其他形式的同步送粉熔覆头。

出于示例和描述的目的，已经给出了本公开实施的前述说明。前述说明并非是穷举性的也并非要将本公开限制到所公开的确切形式，根据上述教导还可能存在各种变形和修改，或者是可能从本公开的实践中得到各种变形和修改。选择和描述这些实施例是为了说明本公开的原理及其实际应用，以使得本领域的技术人员能够以适合于构思的特定用途来以各种实施方式和各种修改而利用本公开。

Claims (7)

1.一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，所述装置包括：激光增材制造组件、冷射流辅助组件，其中所述冷射流辅助组件的喷嘴喷出的冷射流对准激光增材制造组件形成的熔池的后缘附近的高温固相区；所述冷射流辅助组件包括冷射流辅助装置、流量阀和气罐；所述冷射流辅助装置设置在激光增材制造组件的熔覆头上，并且可绕熔覆头的轴线在熔覆头的圆周面上转动；激光增材制造组件的熔覆头设置在机械手上，熔覆头的外圆周面上固定设置一环形滑轨，所述环形滑轨上滑动设置有一滑块，所述滑块上固定连接有夹持装置，所述夹持装置夹持固定所述冷射流辅助装置。

2.如权利要求1所述的一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，所述冷射流辅助装置包括冷却箱、热交换管和喷嘴，热交换管安装在冷却箱中心，热交换管的入口与气罐相连，出口和喷嘴相连。

3.如权利要求2所述的一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，喷嘴处设置有温度传感器。

4.如权利要求2所述的一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，所述气罐出口处设置有压力传感器。

5.如权利要求1所述的一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，冷射流辅助装置的喷射角度可调，高度可调。

6.如权利要求1所述的一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，还包括控制系统，控制系统与多个传感器电信号连接，还与激光熔覆头、送粉机构、冷射流辅助组件的位置调节装置电信号连接。

7.如权利要求1所述的一种冷射流辅助激光增材制造装置，其特征在于，激光增材制造组件包括激光器，送粉器，工作台，基板，机械手，熔覆头，其中熔覆头为同步送粉。