CN117798384A - 一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法，涉及金属增材制造技术领域，以解决现有同轴激光沉积设备在高激光功率的情况下，熔池凝固冷却速率低，产品性能差的问题。系统包括：吹气冷却装置、激光器、四个送粉装置以及控制器；四个送粉装置围绕激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个送粉装置关于激光发射轴线中心对称布置，每个送粉装置上固定有一个吹气冷却装置；送粉装置用于铺粉，激光器沿扫描方向对粉末进行激光烧结形成熔池，控制器控制位于扫描方向的后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气，对熔池进行冷却。本发明提供的同轴激光沉积中的吹气冷却系统用于在不降低高激光功率情况下，提高熔池凝固冷却速率，提高产品性能。

Description

一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法。

背景技术

同轴激光沉积增材制造技术，指通过激光加热熔化同步投送的金属粉末沉积制造金属部件的过程。同轴激光沉积增材制造过程，伴有复杂的反复加热冷却的热循环过程。这一过程中材料的热历程往往对材料物相组成、显微组织乃至性能具有至关重要的影响。特别是在钛合金、高强铝合金等的制造过程中，以往的同轴激光沉积设备在不降低输出功率的前提下，往往难以实现较高的凝固冷却速率，限制了对其物相组成、显微组织和力学性能的控制，严重影响最终产品性能。

因此，亟需一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法，用于解决现有同轴激光沉积设备在不降低高激光输出功率的情况下，熔池凝固冷却速率低，导致最终产品性能差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统，包括：吹气冷却装置、激光器、送粉装置以及控制器；所述送粉装置的数量为四个；

四个所述送粉装置围绕所述激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个所述送粉装置关于所述激光发射轴线中心对称布置，每个所述送粉装置上固定有一个吹气冷却装置，所述控制器与所述吹气冷却装置连接；

所述送粉装置用于在基板上铺粉，所述激光器用于沿扫描方向对基板上的粉末进行激光烧结形成熔池，所述控制器用于根据激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向的后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气，对所述熔池进行冷却。

与现有技术相比，本发明提供的同轴激光沉积中的吹气冷却系统中四个送粉装置围绕激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个送粉装置关于激光发射轴线中心对称布置，每个送粉装置上固定有一个吹气冷却装置，控制器与吹气冷却装置连接，四个吹气冷却装置与激光器的同轴设置，使得控制器仅需根据激光器的扫描方向选择负责吹气的三个吹气冷却装置进行吹气，不需要根据激光器扫描方向的变化实时调整吹气冷却装置与激光器之间的位置，操作简单，提高了激光增材制造的效率，同时通过控制位于扫描方向的后方、左侧以及右侧的三个吹气冷却装置吹气，吹气气流的位置沿熔化轨迹方向，紧随激光加热熔池处于其后方，可以有效带走热量，提高熔池凝固的冷却速率，同时气流不影响熔池凝固形状，实现在不降低高激光功率的情况下，提高激光增材制造产品的质量。

另一方面，本发明还提供一种同轴激光沉积中的吹气冷却方法，应用于上述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统包括：吹气冷却装置、激光器、送粉装置以及控制器；所述送粉装置的数量为四个；

四个所述送粉装置围绕所述激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个所述送粉装置关于所述激光发射轴线中心对称布置，每个所述送粉装置上固定有一个吹气冷却装置，所述控制器与所述吹气冷却装置连接；所述吹气冷却方法包括：

控制所述送粉装置在基板上铺放粉末；

控制所述激光器沿扫描方向对基板上的粉末进行激光烧结形成熔池；

根据所述激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气，对所述熔池进行冷却。

与现有技术相比，本发明提供的一种同轴激光沉积中的吹气冷却方法的有益效果与上述技术方案所述一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种同轴激光沉积中的吹气冷却方法流程图。

附图标记：

1-激光器，2-送粉装置，21-送粉管，3-吹气冷却装置，31-吹气喷嘴，32-输气管，321-输气硬管，322-连接头，323-输气软管，33-支架，34-电磁阀，4-控制器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有通过同轴激光沉积设备进行钛合金、高强铝合金等金属粉末的沉积制造过程中，具有成形效率高、制造周期短的特点，然而高功率容易导致材料延展性增大，而对于材料来说不需要那么好的延展性，所以需要降温，以提高材料硬度，而较高的激光功率增大了对材料冷却过程与机械性能调整的难度，同时增加了后续热处理及减材加工的难度，升高了制造成本。

为解决上述问题，本发明提供一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统和方法，采用吹气冷却装置可以增强对材料冷却热历程的控制能力，以提高对机械性能的调控能力。接下来结合附图进行说明。

参阅图1，本发明提供的一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统包括：激光器1、送粉装置2、吹气冷却装置3以及控制器4，送粉装置2和吹气冷却装置3的数量均为四个；四个送粉装置2固定在激光器1上，激光器1与基板垂直，四个送粉装置2围绕激光器1的激光发射轴线均匀布置，且四个送粉装置2关于激光发射轴线中心对称布置，每个送粉装置2上固定有一个吹气冷却装置3，控制器4与吹气冷却装置2连接；激光器1、送粉装置2以及吹气冷却装置3同步运动；

送粉装置2用于在基板上铺粉，激光器1用于沿扫描方向对基板上的粉末进行激光烧结形成熔池，控制器4用于根据激光器1的扫描方向控制位于扫描方向的后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置3吹气，对熔池进行冷却。需要说明的是图1中仅示出两个送粉装置以及两个吹气冷却装置。

本发明提供的同轴激光沉积中的吹气冷却系统的控制器仅需根据激光器的扫描方向选择负责吹气的三个吹气冷却装置进行吹气，不需要根据激光器扫描方向的变化实时调整吹气冷却装置与激光器之间的位置，操作简单，提高了激光增材制造的效率，同时通过控制位于扫描方向的后方、左侧以及右侧的三个吹气冷却装置吹气，吹气气流的位置沿熔化轨迹方向，紧随激光加热熔池处于其后方，可以有效带走热量，提高熔池凝固的冷却速率，同时气流不影响熔池凝固形状，实现在不降低高激光功率的情况下，提高激光增材制造产品的质量。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述系统中的送粉装置包括送粉管21，吹气冷却装置3包括吹气喷嘴31、输气管32、支架33以及电磁阀34，吹气喷嘴31与输气管32的一端连接，输气管32通过两个支架33固定在送粉管21上，输气管32上设置有电磁阀34，电磁阀34用于控制输气管32的通断，电磁阀34与控制器4连接，控制器4控制电磁阀34的开关和开度。吹气喷嘴31具有耐高温性能。

控制器4通过控制电磁阀34的开关对各吹气冷却装置的开闭进行实时控制，配合激光器的扫描轨迹，在工作时只有扫描方向的后方、左侧、右侧的吹气冷却装置吹气，同时产生的气流不影响熔池凝固形状，以保证熔池的稳定；另外，在工作时，位于扫描方向后方的吹气冷却装置的吹气喷嘴对着凝固的熔池直吹，位于扫描方向左侧和右侧的吹气冷却装置的吹气喷嘴对着熔池两侧的部位进行吹气，吹气气流的位置沿熔池轨迹方向，紧随激光加热熔池位于其后方，以气体对流的方式可快速有效的带走熔池的热量，提高熔池的冷却速率，控制其热历程。

控制器4通过控制电磁阀34的开度可以控制吹气冷却装置3的吹气流量和吹气的脉冲频率，使吹气冷却装置3进行连续吹气或间断性吹气，可以改变熔池的冷却速率，配合不同的激光沉积参数，获得多样的冷却热历程，实现对沉积材料热历程的调控，从而调节成形产品的物相组成、显微形貌以及机械性能，提高激光增材制造产品的质量的同时减少后续热处理及加工的难度。示例性的，在激光器的激光功率为5000～9000W,激光器形成的光斑直径为6～10mm，扫描速度为900～1800mm/s，送粉装置的送粉量为1～2kg/h，保护气和载气流量为12～16L/min等参数下，对钛合金粉末的高功率激光沉积，具有成形效率高、制作周期短的特点，本同轴激光沉积中的吹气冷却系统可以在不降低激光功率的情况下，根据激光功率调整吹气冷却装置的吹气流量和吹气的脉冲频率，对金属粉末形成的熔池快速降温，使材料的延展性不因高功率影响增大，提高材料硬度。控制器控制电磁阀的开闭和开度从整体上降低了材料冷却过程与机械性能的调整难度，增强对材料冷却历程的控制能力，提高了机械性能的调控能力。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述系统中的吹气冷却装置3的输气管32包括输气硬管321、输气软管323以及连接头322，输气硬管321的一端与吹气喷嘴31相连，输气硬管321的另一端通过连接头322与输气软管323连接，输气软管323上设置有电磁阀34。输气硬管321可以保证吹气喷嘴31的吹气角度与送粉管21送粉角度相同，保证吹气和送粉不相互影响，输气软管323可使同轴激光器的激光头的移动不受影响。

作为一种可能的实现方式，为了在吹气冷却装置3吹气过程中，不影响送粉装置2的粉末投送状态和保护激光器1的保护气体投送，送粉装置2的出粉口距离基板的高度应大于吹气喷嘴31的吹气口距离基板的高度。例如，送粉管出粉口距离基板12～20mm，吹气喷嘴的吹气口距离基板6～12mm，不影响粉末投送轨迹。

作为一种可能的实现方式，当送粉管的出粉口的直径小于吹气喷嘴的吹气口直径，吹气喷嘴的气流量小于送粉管的载气流量时。也可以实现不影响送粉装置的粉末投送轨迹，例如：送粉管的出粉口直径为3mm，送粉管的载气流量为12～16L/min，吹气嘴直径为8mm，气流量为8～10L/min。

作为一种可选的方式，所述吹气冷却装置3输送的气体包括氩气等惰性气体，同时包含一定含量的氮气以及氧气等混合气体，以提高相应的元素含量，从而影响金属粉末的化学成分组成，以实现对材料物相、显微形貌及力学性能的调节。

参见图2，本发明还提供一种同轴激光沉积中的吹气冷却方法，应用于所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，同轴激光沉积中的吹气冷却系统包括：吹气冷却装置、激光器、送粉装置以及控制器，送粉装置和吹气冷却装置的数量均为四个；四个送粉装置围绕激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个送粉装置关于激光发射轴线中心对称布置，每个送粉装置上固定有一个吹气冷却装置，所述控制器与所述吹气冷却装置连接；吹气冷却方法包括以下步骤：

步骤201：控制所述送粉装置在基板上铺放粉末；

步骤202：控制所述激光器沿扫描方向对基板上的粉末进行激光烧结形成熔池；

步骤203：根据所述激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气，对所述熔池进行冷却。

具体的，首先根据所述激光器的扫描方向确定目标吹气冷却装置，目标吹气冷却装置为位于扫描方向的后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置；

然后根据激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向后方的吹气冷却装置向凝固的所述熔池进行直吹；

控制位于扫描方向左侧和右侧的吹气冷却装置对所述基板的位于所述熔池两侧的部位进行吹气，使得三个吹气冷却装置吹送的气体形成对流。

进一步的，控制吹气冷却装置吹气的具体过程为，控制器根据激光器的激光功率控制吹气冷却装置的吹气流量和/或吹气的脉冲频率，使吹气冷却装置进行连续吹气或间断性吹气。具体的，激光器的激光功率越大，控制器控制吹气冷却装置的吹气流量越大、吹气的脉冲频率越快。

根据激光器的激光功率控制吹气冷却装置的吹气流量和/或吹气的脉冲频率可以改变熔池的冷却速率，配合不同的激光沉积参数，实现对沉积材料热历程的调控，从而调节形成产品的物相组成、显微形貌以及机械性能，提高产品的质量的同时减少后续热处理及加工的难度，降低成本。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，包括：吹气冷却装置、激光器、送粉装置以及控制器；所述送粉装置的数量为四个；

四个所述送粉装置围绕所述激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个所述送粉装置关于所述激光发射轴线中心对称布置，每个所述送粉装置上固定有一个吹气冷却装置，所述控制器与所述吹气冷却装置连接；

所述送粉装置用于在基板上铺粉，所述激光器用于沿扫描方向对基板上的粉末进行激光烧结形成熔池，所述控制器用于根据激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向的后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气，对所述熔池进行冷却。

2.根据权利要求1所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述送粉装置包括送粉管，所述吹气冷却装置包括吹气喷嘴、输气管、支架以及电磁阀，所述吹气喷嘴与所述输气管的一端连接，所述输气管通过所述支架固定在所述送粉管上，所述输气管上设置有所述电磁阀，所述电磁阀用于控制所述输气管的通断，所述电磁阀与控制器连接，所述控制器控制所述电磁阀的开关和开度。

3.根据权利要求2所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述输气管包括输气硬管、输气软管以及连接头，所述输气硬管的一端与所述吹气喷嘴相连，所述输气硬管的另一端通过所述连接头与所述输气软管连接，所述输气软管上设置有所述电磁阀。

4.根据权利要求2所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述送粉装置的出粉口距离所述基板的高度大于所述吹气喷嘴的吹气口距离所述基板的高度。

5.根据权利要求2所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述送粉管的出粉口的直径小于所述吹气喷嘴的吹气口直径，所述吹气喷嘴的气流量小于所述送粉管的载气流量。

6.根据权利要求1所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述吹气冷却装置输送的气体包括惰性气体、氮气以及氧气。

7.根据权利要求1所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述激光器的激光功率为5000～9000W，激光器形成的光斑直径为6～10mm，扫描速度为900～1800mm/s。

8.一种同轴激光沉积中的吹气冷却方法，应用于权利要求1-7任意一项所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统，其特征在于，所述同轴激光沉积中的吹气冷却系统包括：吹气冷却装置、激光器、四个送粉装置以及控制器；

四个所述送粉装置围绕所述激光器的激光发射轴线均匀布置，且四个所述送粉装置关于所述激光发射轴线中心对称布置，每个所述送粉装置上固定有一个吹气冷却装置，所述控制器与所述吹气冷却装置连接；所述吹气冷却方法包括：

控制所述送粉装置在基板上铺放粉末；

控制所述激光器沿扫描方向对基板上的粉末进行激光烧结形成熔池；

根据所述激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气，对所述熔池进行冷却。

9.根据权利要求8所述同轴激光沉积中的吹气冷却方法，其特征在于，所述根据所述激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气包括：

根据所述激光器的扫描方向控制位于所述扫描方向后方的吹气冷却装置向凝固的所述熔池进行直吹；

控制位于所述扫描方向左侧和右侧的吹气冷却装置对所述基板的位于所述熔池两侧的部位进行吹气，使得三个吹气冷却装置吹送的气体形成对流。

10.根据权利要求8所述同轴激光沉积中的吹气冷却方法，其特征在于，所述控制位于所述扫描方向后方、左侧以及右侧的吹气冷却装置吹气包括：

根据所述激光器的激光功率控制吹气冷却装置的吹气流量和/或吹气的脉冲频率，使所述吹气冷却装置进行连续吹气或间断性吹气。