CN117324643A - 多束激光同步熔丝沉积-送粉熔覆熔池形态调控方法 - Google Patents

多束激光同步熔丝沉积-送粉熔覆熔池形态调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种多束激光熔丝‑送粉熔覆熔池形态调控方法，包括：S1、将待打印的零部件采用三维软件建模并导入切片软件，生成每一层的扫描路径；S2、成形系统控制送丝机构将丝材输送至基材上，通过大功率激光照射至丝材末端，高温加热熔化丝材形成熔池；S3、熔池监测系统实时获取熔池形态，并计算实时熔池尺寸；S4、根据实时熔池尺寸判断熔池状态，根据熔池状态实时调整粉材送粉参数以及中小功率激光运行状态，以使熔池尺寸达到标准熔池尺寸；S5、完成零部件的第一层打印，重复步骤S2～S4，直至零部件打印完成。本发明能够调控熔池形态，调控熔池尺寸稳定，减轻熔池缺陷形成倾向，间接保证增材制造零部件的组织和性能的稳定性。

Description

多束激光同步熔丝沉积-送粉熔覆熔池形态调控方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种多束激光熔丝沉积-送粉熔覆熔池形态调控方法。
背景技术
增材制造以其强大创新理念和创造力，推动装备制造形成前所未有的全新解决方案，使大量的产品概念发生革命性变化，成为我国制造业从转型到创新驱动发展模式转换的支撑。当下的增材制造是诸多航空、航天、船舶等领域关重部件唯一可行的制造方法，然而制造过程的在线质量控制尚不成熟，这已成为阻碍增材制造技术广泛应用和进一步发展的瓶颈。
特别地，熔池是增材制造的基本单元。连续稳定的熔池以及相邻熔池之间合适的几何重叠程度是实现金属丝/粉充分熔化、熔池之间良好结合和减少缺陷形成的重要因素。激光功率是激光增材制造调节能量参数的重要方法，激光功率直接以影响激光增材制造技术的输入能量密度，间接实现熔池形态和微观组织的调控。
具体地，熔池形态对最终增材制造零件的性能直接表达，熔池形态的关键参数在于熔池宽度和深度。熔池尺寸较小(宽度和深度小)时，熔池成形速率慢，构件成形效率低；熔池尺寸过大(宽度和深度过大)将会导致液态金属区域(凝固区)过大，金属零部件的晶粒生长环境温度高，晶粒长大严重、熔池高温液态金属区过大导致零件局部塌陷，从而零部件的成形尺寸、形状精度降低，高温导致金属元素烧损严重，发生实际构件成分与设计时的名义成分相差过大，出现组织和性能波动，导致零部件失效和不达标。
但现有激光增材制造技术并不具备激光熔池形态可控的成形工艺，单头激光功率调节、丝材或粉材的单性材料并不能实现熔池形态的调控，究其原因，关键在于丝材或者粉材的受温熔化与滴落状态不同，丝材熔化滴落状态较为连续，容易实现母材-熔池-母材转化过程的快速实现，但是丝材熔化会让熔池降温过程相较缓慢，导致合金元素损失较大，容易导致零部件出现成分、组织、性能波动；粉材熔化滴落状态较为分散，散热更快，不会出现明显的元素损失，但是熔滴溅射严重熔池状态不稳定。单功率激光增材制造成形零部件，熔池稳定性差，大功率激光冲击熔池，导致熔池飞溅，成分波动大，中小功率激光熔池尺寸小，成形零部件空隙大、致密度低、强韧性不足。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，以解决现有技术中单功率激光增材制造成形零部件存在难以调控熔池形态、熔池稳定性差，进而影响成形零部件质量的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，包括以下步骤：
S1、将待打印的零部件采用三维软件建模，将模型导入切片软件进行切片，并设置打印参数，生成每一层的扫描路径；
S2、成形系统控制送丝机构将丝材输送至基材上，通过大功率激光照射至丝材末端，高温加热融合丝材形成熔池；
S3、熔池监测系统实时获取熔池形态，并计算实时熔池尺寸；
S4、根据实时熔池尺寸判断熔池状态，根据熔池状态实时调整粉材送粉参数以及中小功率激光运行状态，以使熔池尺寸达到标准熔池尺寸；
S5、完成零部件的第一层打印，当执行后续零部件的打印程序时，重复步骤S2～S4，直至零部件打印完成。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2中成形系统根据标准送丝参数控制送丝机构将丝材输送至基材上，所述标准送丝参数包括送丝角度和送丝速度，所述送丝角度为30～90°，所述送丝速度为100～900mm/s。
在以上技术方案的基础上，优选的，激光熔丝参数包括照射角度、激光功率和扫描速度，所述照射角度为30～90°，激光功率为3000～10000W，扫描速度为100～900mm/s。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S3具体包括：
S31、通过实时热成像获取熔池的热图像，根据热图像提取熔池的轮廓数据；高温摄像机获取熔池的表面形态；温度传感器监测并获取熔池的温度数据；
S32、根据熔池的轮廓数据和温度数据建立熔池的几何模型和热传导模型，对熔池的形状变化和温度变化进行模拟，得到熔池形态参数；
S33、通过有限元计算获取熔池的体积，将熔池的上表面近似为一个圆形；
S34、根据近似为圆形的熔池体积计算熔池尺寸。
在以上技术方案的基础上，优选的，
所述熔池形态参数包括熔池长度、熔池深度和熔池宽度，
所述熔池长度的计算公式为：
所述熔池深度的计算公式为：
所述熔池宽度的计算公式为：W＝2H；
式中，L表示熔池长度，H表示熔池深度，W表示熔池宽度，vs表示激光扫描速度，q表示激光输入功率，Tm表示材料熔点，λ表示导热系数，a表示热扩散系数，c表示比热，ρ表示材料的密度，e表示自然常数。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述熔池尺寸的计算公式为：
h＝δ·H，
式中，V池表示熔池的体积，D表示熔池尺寸，δ表示熔池深度系数，δ取值为0.15～0.25，h表示熔池顶冠高度；
通过matlab软件采用牛顿迭代法求解熔池尺寸D，
L＝xW，x表示系数，
当x＞0.95时，此时L≈W，则D＇＝D，D＇表示实时熔池尺寸；
当x<0.95时，则D＇＝ηD，η表示形状因子，η取值为0.75～0.95
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S4中根据实时熔池尺寸判断熔池状态具体包括：
式中，Ms表示熔池状态，表示熔池状态为过熔状态；/>表示熔池状态为全熔状态，/>表示熔池状态为欠熔状态，D＇表示实时熔池尺寸，D0表示标准熔池尺寸。
在以上技术方案的基础上，优选的，
当熔池状态为过熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，控制送粉机构向熔池中心铺置金属粉末；
当熔池状态为全熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，送粉机构和激光均不运行；
当熔池状态为欠熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，控制送粉机构向熔池中心铺置金属粉末，并同步运行中小功率激光，加热熔池。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述金属粉末的铺置质量的计算公式为：
m＝ρ金属V金属，
式中，m表示金属粉末的铺置质量，ρ金属表示金属粉末的密度，V金属表示金属粉末的铺置体积,d0表示金属粉末粒径，ε表示扑粉颗粒层数，ε取值为3～5。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述丝材的直径为0.6～1.6mm，所述金属粉末粒径为5～300μm。
本发明的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过多种功率的激光配合粉材对成形的零部件进行实况调整，以实际需要的零部件为基准，进行多束激光调节，进一步调节熔池形态，进而提高最终零部件的质量和性能；
(2)送粉机构与中小功率激光同步行进跟随在送丝机构与大功率激光之后，送粉机构受控于熔池监测系统，精准送粉于熔池中部，中小功率激光受控于熔池监测系统，间歇性关闭与开启，降低熔池温度(减小熔池尺寸)、加热熔池(增大熔池尺寸)，通过粉材的精准补充覆盖在高温熔池之上，有助于防止熔池熔滴飞溅，减少材料损耗以及工件污染；同时还能实现对熔池形态的精确调整，避免丝材成形零部件和粉材成形零部件单独加工的缺点；
(3)熔池形态监测系统的加入使得熔池实时变化过程变得可视化，让熔池形态调节便可有据可依，监测结果反馈到总控制系统，能够实现送粉机构+中小功率激光的实时同步控制，让熔池处于动态稳定状态。
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获得其他的附图。
图1为本发明的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法的流程图；
图2为本发明的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法的打印过程描述图；
图3为本发明的实施例的熔池俯视形貌示意图；
图4为本发明的实施例的熔池侧视形貌示意图
图5为发明的实施例的熔池形貌拟合示意图；
图6为本发明的实施例的零部件成形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明提供了一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，包括以下步骤：
S1、将待打印的零部件采用三维软件建模，将模型导入切片软件进行切片，并设置打印参数，生成每一层的扫描路径；
S2、成形系统控制送丝机构将丝材输送至基材上，通过大功率激光照射至丝材末端，高温加热融合丝材形成熔池；
S3、熔池监测系统实时获取熔池形态，并计算实时熔池尺寸；
S4、根据实时熔池尺寸判断熔池状态，根据熔池状态实时调整粉材送粉参数以及中小功率激光运行状态，以使熔池尺寸达到标准熔池尺寸；
S5、完成零部件的第一层打印，当执行后续零部件的打印程序时，重复步骤S2～S4，直至零部件打印完成。
本发明中，根据丝材和粉材高温熔化与滴落状态时不同的特点将丝材和粉材相结合形成一体化进行打印，首先，使用大功率激光枪输出大功率激光以加热熔化丝材形成熔池，不仅能够提供足够的能量，快速将丝材加热到熔化温度，实现快速熔化和形成熔池，还能提高打印质量和强度。但现有技术中仅采用大功率激光熔化丝材进行3D打印的过程中，由于丝材熔化能让熔池降温过程相对缓慢，导致合金元素损失较大，容易导致零部件出现成分、组织和性能波动；同时大功率激光在层层打印的过程中还会导致熔池飞溅。考虑到上述不足，本发明在采用大功率激光熔化丝材形成熔池后，然后通过熔池监测系统获取熔池形态，计算实时熔池尺寸，根据实时熔池尺寸和标准熔池尺寸的差距判断待处理的熔池状态，根据熔池状态对熔池形态进行调整，其中调整方法是利用中小功率激光和金属粉材进行调整，一方面，中小功率激光能够提供较小的能量，可更为精细的控制粉材的熔化和熔池的形成，从而对熔池形态进行调整以使其达到预设的标准熔池形态；同时中小功率激光产生的热影响区较小，可减少熔池周围的热应力和变形，提高打印精度和表面质量。另一方面，利用粉材熔化滴落状态较为分散，散热更快，不会出现明显的元素损失的特点，将金属粉材铺置在熔池表面，通过中小功率激光与金属粉材的配合实现对熔池形态的调整。当熔池形态调整至标准形态时，则完成零部件第一层打印，以此类推，重复步骤S2～S4，直至完成零部件的整体打印。
具体地，在本发明一实施例中，步骤S1包括：
S11、根据待打印的零部件的形状、尺寸和材料等参数，采用三维建模软件进行三维建模，并将零部件的三维模型导入到适用于增材制造的切片软件中，其中，三维建模软件可采用Solidworks、AutoCAD等。
S12、在切片软件中设置打印参数，包括激光熔丝参数、扫描间距、层厚、填充密度、温度等。激光熔丝参数包括照射角度、激光功率和扫描速度，其中，大功率激光的扫描速度为100-900mm/s，大功率激光功率为3000-10000W，大功率激光照射角度为30～90°；中小功率激光送粉熔覆功率为：300-3000W，扫描速度为100～900mm/s，中小功率激光照射角度为30～90°，扫描间距10-120μm，层厚15-50μm。
通过限定扫描速度可控制激光在材料表面的停留时间，若扫描速度低于100mm/s，则打印速度过慢，影响打印效率；若扫描速度高于900mm/s，则激光与材料的相互作用时间较少，不利于材料的熔化和固化过程，从而影响打印质量和密度。大功率激光可提供更高的热能，适用于快速加热和大尺寸打印；中小功率激光可体用更精细的热能控制，适用于高精度零部件。而扫描间距或层厚过小会增加打印时间，过大可降低打印分辨率和表面质量。
S13、将三维模型进行切片，生成每一层的扫描路径，格局打印参数和三维模型几何信息，计算每一层的扫描路径，包括填充路径、轮廓路径等，其中还包括根据打印需求和材料特性，对生成的路径进行优化，以确定最优扫描路径，通过调整填充路径的方向、密度和填充类型，以实现更好的打印效果和强度。
S14、将优化后的扫描路径导出为适合打印机识别的文件格式，将导出的路径文件传输至打印机控制软件中，进行打印。
具体地，本发明一实施例中，步骤S2包括：
S21、预先向增材制造的设备内通入一定量的高纯氩气，促使腔内氧含量小于0.1％。其中氩气的纯度≥99.99％，通过流量器控制氩气的流量，根据增材制造设备的要求和制造材料的特性，调整流量以确保适量的氩气进入制造腔体，通常，氩气的流量应使腔内氧含量保持在小于0.1％的水平，通过通入高纯氩气降低腔内氧含量，可保护材料免受氧化影响，从而提高制造质量和可靠性。
S22、将待打印的丝材装载到打印机的送丝机构中，总控制系统通过成形系统控制根据送丝参数控制送丝机构将丝材输送至基材上。其中送丝参数包括送丝角度和送丝速度，送丝角度为30～90°，送丝速度为100～900mm/s。
S23、总控制系统通过成形系统控制大功率激光照射至丝材的末端，高温加热熔化丝材形成熔池。当大功率激光照射至丝材末端时，丝材会受到激光的热能作用，迅速升温并熔化，形成熔池。
具体地，本发明一实施例中，步骤S3包括：
S31、通过实时热成像获取熔池的热图像，根据热图像提取熔池的轮廓数据；高温摄像机获取熔池的表面形态；温度传感器获取熔池的实时温度数据。
将红外热成像相机安装在增材制造设备上，使其准备记录熔池的热辐射。根据材料的热特性和增材制造设备的要求，设置红外热成像相机的参数，如图像分辨率、采样率和颜色映射等。通过红外热成像相机实时记录熔池的热图像，对就的热图像进行图像处理，包括去噪、增强对比度等，然后通过图像处理算法提取熔池的轮廓数据，作为本领域技术人员可以理解的是，具体可通过阈值分割、边缘检测等操作企图熔池的轮廓数据，在此不做赘述。通过实时热成像可以提供动态的熔池信息，帮助监测熔池的形态变化；通过热图像提取熔池的轮廓数据，可以获得熔池的几何形状信息，便于后续的建模和分析。
将高温摄像机安装在增材制造设备上，进行校准后，根据需要设置高温摄像机的参数，例如测量范围、采样率、色彩显示等，确保摄像机的参数适合熔池温度范围和测量要求，通过高温摄像机观察熔池，并记录摄像机显示的熔池形态变化。通过高温摄像机在高温环境下进行熔池形态监测，可及时监测和调整增材制造过程，提高制造质量和性能。
将温度传感器与熔池监测系统进行搭配，实时捕获熔池动态温度场变化云图，通过高通量数据筛选，便于熔池形态参数的计算与拟合。
S32、根据熔池的轮廓数据和温度数据建立熔池的几何模型和热传导模型，对熔池的形状变化和温度变化进行模拟，得到熔池形态参数。
根据熔池的轮廓数据，进行数据处理和修正，以去除噪声和不必要的细节。利用轮廓数据，建立熔池的几何模型，可以使用曲线拟合算法或多边形拟合算法来生成熔池的几何形状。根据熔池的温度数据，进行数据处理和平滑处理，以获得准确的温度分布。基于熔池的几何模型和温度数据，建立熔池的热传导模型，可以使用有限元方法或其他数值模拟方法来解决热传导方程，以模拟熔池的温度分布和传热过程。根据熔池的轮廓数据和温度数据建立模型，可以更准确地标准熔池的形状和温度分布，帮助优化增材制造过程；同时通过热传导模型可以提供熔池的温度变化规律，帮助控制熔池的形态和质量。
S33、通过有限元计算获取熔池的体积，将熔池的上表面近似为一个圆形。
将熔池的几何模型和温度数据导入有限元计算软件，对熔池进行网格划分，将其离散为小的有限元单元。根据材料的热特性和熔池的温度分布，设置材料的热导率、比热容等参数，根据增材制造过程中的实际情况，设置边界条件，如热源边界条件和冷却边界条件，使用有限元方法解决热传导方程，计算熔池的温度分布和热传导过程，根据计算得到的温度分布，通过积分计算熔池的体积，由于熔池的上表面近似为一个圆形，可以使用圆锥体积的计算公式来近似计算熔池的体积。通过有限元计算获取熔池的体积，可以提供熔池的准确尺寸信息，帮助评估制造质量和性能；将熔池的上表面近似为一个圆形，简化了计算过程，提高了计算效率。
S34、根据近似为圆形的熔池体积计算实时熔池尺寸。通过计算实时熔池尺寸，可评估当前阶段熔池形态是否达到标准熔池形态，进而帮助优化工艺参数和控制制造质量。
具体地，如图3-5所示，在本发明一实施例中，熔池形态参数包括熔池长度、熔池深度和熔池宽度，其中，
熔池长度的计算公式为：
熔池深度的计算公式为：
熔池宽度的计算公式为：W＝2H；
式中，L表示熔池长度，H表示熔池深度，W表示熔池宽度，vs表示激光扫描速度，q表示激光输入功率，Tm表示材料熔点，λ表示导热系数，a表示热扩散系数，c表示比热，ρ表示材料的密度，e表示自然常数。
具体地，在本发明一实施例中，熔池尺寸的计算公式为：
h＝δ·H，
式中，V池表示熔池的体积，熔池的体积由熔池监测系统通过有限算计算获取得到；D表示熔池尺寸，h表示熔池顶冠高度，δ表示熔池深度系数，δ取值为0.15～0.25，
通过matlab软件采用牛顿迭代法求解熔池尺寸D；
当L＝xW时，x表示系数，当x≥0.95时，此时L≈W，则熔池上表面近似为圆形，则D＇＝D，D＇表示实时熔池尺寸；
当x<0.95时，L与W存在差值，则此时求得的熔池尺寸受到形状因子的影响，则D＇＝ηD，η表示形状因子，η取值为0.75～0.95。
具体地，本发明一实施例中，步骤S4包括：
S41、熔池监测系统将实时熔池尺寸数据传输至总控制系统，总控制系统接收熔池尺寸数据后，对数据进行分析和处理，将实时熔池尺寸与标准熔池尺寸进行比较，根据比较结果判断熔池状态，其中标准熔池尺寸由使用者根据零部件打印需求设置。
进一步地，根据比较结果判断熔池状态包括：
式中，Ms表示熔池状态，表示熔池状态为过熔状态；/>表示熔池状态为全熔状态，/>表示熔池状态为欠熔状态，D＇表示实时熔池尺寸，D0表示标准熔池尺寸。
熔池状态包括过熔状态、全熔状态和欠熔状态，其中，过熔状态表示当前阶段熔池尺寸超过了标准熔池尺寸，可能是由于丝材过多或激光功率过高导致，此时则需要缩小熔池尺寸以促使熔池形态达到标准形态；全熔状态表示当前阶段熔池尺寸与标准熔池尺寸相符，此时意味着丝材已经完全熔化，并且形成了预期的熔池；欠熔状态表示当前阶段熔池尺寸小于标准熔池尺寸，可能是由于丝材过少或激光功率过低导致的。通过监测和比较熔池尺寸，可及时实现熔池状态的异常，从而对熔池形态进行调整，以保证熔池形态与预期形态匹配，从而提高增材制造的质量和性能。
S42、根据熔池状态实时调整粉材送粉参数以及中小功率激光运行状态，具体而言：
当熔池状态为过熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，总控制系统通过熔池形态控制系统控制送粉机构向熔池中心铺置金属粉末。即，当熔池状态为过熔状态时，此时表明熔池尺寸过大，需要减小熔池尺寸，总控制系统控制送粉机构将金属粉末定量地铺置在熔池的中央，具体可以通过控制粉材的铺置位置、铺置速度和铺置的量来实现，在金属粉末铺置后，继续通过熔池监测系统监测熔池尺寸变化，根据熔池尺寸的变化情况，总控制系统可以动态的调整金属粉末的铺置量，如果熔池尺寸仍然过大，可增加金属粉末的铺置量；如果熔池尺寸已经接近目标尺寸，可减少金属粉末的铺置量。通过补充定量质量的金属粉末，使其吸收熔池热量，减小熔池尺寸。
当熔池状态为全熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，送粉机构和中小功率激光均不运行。即，当熔池状态为全熔状态时，此时表明熔池尺寸达到目标尺寸，此时无需对熔池形态进行调整，则送粉机构和中小功率激光均不运行。
当熔池状态为欠熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，总控制系统通过熔池形态控制系统控制送粉机构向熔池中心铺置金属粉末，并同步运行中小功率激光，加热熔池。即，当熔池状态为欠熔状态时，此时表明熔池尺寸过小，需要增大熔池尺寸，总控制系统控制送粉机构和中小功率激光同步运行，即送粉机构将金属粉末定量地铺置在熔池的中央，同时启动中小功率激光，通过中小功率激光对金属粉末进行加热，促使金属粉末熔化和融合，继续通过熔池监测系统监测熔池尺寸变化，根据熔池尺寸的变化情况，总控制系统可以动态的调整金属粉末的铺置量或中小功率激光参数，如果熔池尺寸仍然过小，可增加金属粉末的铺置量；如果熔池尺寸已经接近目标尺寸，可减少金属粉末的铺置量或调整中小功率激光参数。通过铺设金属粉末，并通过中小功率激光加热熔化，金属粉末的熔化可进一步增加熔池尺寸，确保零部件的准确尺寸和形状；中小功率激光可避免过度加热或熔池过热的情况发生；同时金属粉末的充分熔化和融合可提高零部件的密实性和结构强度，有效改善零部件的质量和性能。
具体地，在本发明一实施例中，金属粉末的铺置质量的计算公式为：
m＝ρ金属V金属，
式中，m表示金属粉末的铺置质量，ρ金属表示金属粉末的密度，V金属表示金属粉末的铺置体积,d0表示金属粉末粒径，ε表示铺粉颗粒层数，ε取值为3～5。
根据实时熔池尺寸和标准熔池尺寸的差距计算金属粉末的铺置质量，进而实现定量铺置金属粉末，可实现对熔池尺寸的精确控制；同时定量铺置金属粉末可避免熔池过度或不足，从而保持熔池的稳定性，提高零部件的质量和性能；同时定量铺置金属粉末可减少不必要的金属粉末浪费，还可精确调整熔池尺寸，减小后续加工的需求，提高生产效率。
具体地，在本发明一实施例中，丝材的直径为0.6～1.6mm，金属粉末粒径为5～300μm。通过限定丝材的直径和粉材的粒径范围，可实现更高的制造精度和分辨率，同时较小的丝材直径和粉材粒径可实现更均匀的材料分布和更细致的晶粒结构，从而提高零部件的力学性能和表面质量。
具体地，在本发明一实施例中，步骤S5包括：
S51、当完成零部件的第一层打印后，根据打印路径规划，沿着单向条带的方向进行扫描，逐层打印材料。每一层的打印路径都是沿着同一个方向进行，直到整个图层的打印完成。在每一层打印完成后，需要确保当前层与下一层之间有良好的连接。可以使用一些技术手段，如热处理、热压等，使得不同层之间的结合更加牢固。
S52、重复上述过程，完成整个打印件，打印完成后，关闭保护气、多束激光系统以及增材制造控制系统，待零部件完全冷却后，取出零部件，并进行后处理，后处理包括机加工、热处理等。
本实施例中，在打印时，有些复杂的几何形状可能需要支撑结构来保持稳定，可以采用长条状线性支撑，在打印完成后，对长条状线性支撑结构进行机械拆除，并通过打磨、喷砂以及烧结等工艺保证打印件的性能与表面质量。
如图6所示，本发明还提供了一种实现多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法的装置，包括大功率激光枪3、送丝机构4、中小功率激光枪5和送粉机构6，
其中，送丝机构4用于将丝材输送至基材1上，大功率激光枪3用于输出大功率激光以对基材1表面的丝材进行加热熔融以形成熔池；送粉机构6用于将金属粉末铺置熔池表面，中小功率激光用于对熔池表面的金属粉末进行加热熔融以调整熔池形态，使用时，首先通过送丝机构4将丝材输送至基材1表面，大功率激光枪3输出大功率激光加热丝材形成熔池，熔池监测系统判断是否需要调整熔池形态，若需要缩小熔池尺寸，则控制送粉机构6将金属粉末铺置于熔池表面，若需要增大熔池尺寸，则控制送粉机构6将金属粉末铺置于熔池表面，同时控制中小功率激光枪输出中小功率激光以加热熔融金属粉末，通过层层打印，进而形成成形零部件2。
需要说明的是，可分别设置大功率激光枪3和中小功率激光枪5进行独立控制，也可仅设置一个激光枪分别实现大功率和中小功率的输出，以能实现本发明技术方案即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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)

1.一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将待打印的零部件采用三维软件建模，将模型导入切片软件进行切片，并设置打印参数，生成每一层的扫描路径；
S2、成形系统控制送丝机构将丝材输送至基材上，通过大功率激光照射至丝材末端，高温加热融合丝材形成熔池；
S3、熔池监测系统实时获取熔池形态，并计算实时熔池尺寸；
S4、根据实时熔池尺寸判断熔池状态，根据熔池状态实时调整粉材送粉参数以及中小功率激光运行状态，以使熔池尺寸达到标准熔池尺寸；
S5、完成零部件的第一层打印，当执行后续零部件的打印程序时，重复步骤S2～S4，直至零部件打印完成。
2.如权利要求1所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：步骤S2中成形系统根据标准送丝参数控制送丝机构将丝材输送至基材上，所述标准送丝参数包括送丝角度和送丝速度，所述送丝角度为30～90°，所述送丝速度为100～900mm/s。
3.如权利要求1所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：激光熔丝参数包括照射角度、激光功率和扫描速度，所述大功率激光照射角度为30～90°，大功率激光为3000～10000W，扫描速度为100～900mm/s；所述中小功率激光照射角度为30～90°，中小功率激光为300～3000W，扫描速度为100～900mm/s。
4.如权利要求1所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：步骤S3具体包括：
S31、通过实时热成像获取熔池的热图像，根据热图像提取熔池的轮廓数据；高温摄像机获取熔池的表面形态；温度传感器监测并获取熔池的温度数据；
S32、根据熔池的轮廓数据和温度数据建立熔池的几何模型和热传导模型，对熔池的形状变化和温度变化进行模拟，得到熔池形态参数；
S33、通过有限元计算获取熔池的体积，将熔池的上表面近似为一个圆形；
S34、根据近似为圆形的熔池体积计算熔池尺寸，进而获得实时熔池尺寸。
5.如权利要求4所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：
所述熔池形态参数包括熔池长度、熔池深度和熔池宽度，
所述熔池长度的计算公式为：
所述熔池深度的计算公式为：
所述熔池宽度的计算公式为：W＝2H；
式中，L表示熔池长度，H表示熔池深度，W表示熔池宽度，vs表示激光扫描速度，q表示激光输入功率，Tm表示材料熔点，λ表示导热系数，a表示热扩散系数，c表示比热，ρ表示材料的密度，e表示自然常数。
6.如权利要求5所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：所述熔池尺寸的计算公式为：
h＝δ·H，
式中，V池表示熔池的体积，D表示熔池尺寸，δ表示熔池深度系数，δ取值为0.15～0.25，h表示熔池顶冠高度；
通过matlab软件采用牛顿迭代法求解熔池尺寸D，
L＝xW，x表示系数，
当x≥0.95时，此时L≈W，则D＇＝D，D＇表示实时熔池尺寸；
当x<0.95时，则D＇＝ηD，η表示形状因子，η取值为0.75～0.95。
7.如权利要求6所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：步骤S4中根据实时熔池尺寸判断熔池状态具体包括：
式中，Ms表示熔池状态，表示熔池状态为过熔状态；/>表示熔池状态为全熔状态，表示熔池状态为欠熔状态，D＇表示实时熔池尺寸，D0表示标准熔池尺寸。
8.如权利要求7所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：
当熔池状态为过熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，控制送粉机构向熔池中心铺置金属粉末；
当熔池状态为全熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，送粉机构和中小功率激光均不运行；
当熔池状态为欠熔状态时，熔池监测系统传输信号至总控制系统，控制送粉机构向熔池中心铺置金属粉末，并同步运行中小功率激光，加热熔池。
9.如权利要求8所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：所述金属粉末的铺置质量的计算公式为：
m＝ρ金属V金属，
式中，m表示金属粉末的铺置质量，ρ金属表示金属粉末的密度，V金属表示金属粉末的铺置体积,d0表示金属粉末粒径，ε表示铺粉颗粒层数，ε取值为3～5。
10.如权利要求8所述的一种多束激光熔丝-送粉熔覆熔池形态调控方法，其特征在于：所述丝材的直径为0.6～1.6mm，所述金属粉末粒径为5～300μm。
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