CN211276516U - 一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，包括由导线连接的熔融沉积系统、冲击强化系统和在线监控系统，所述熔融沉积系统包括熔融激光器、光路组件、送粉器、熔融沉积头和立体加工平台，所述熔融激光器发射的激光光束通过所述光路组件导引后穿过所述熔融沉积头至所述立体加工平台上，形成激光光斑；所述冲击强化系统包括冲击强化激光器和导光组件，所述在线监控系统包括通过导线连接的在线监控传感器和信息采集控制系统。本实用新型在解决激光熔融沉积过程热应力问题的同时，还能克服复杂曲面零件复合制造难题，此外，由于采用激光冲击调控，将具有高响应、非接触、高可控性等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于增材制造领域，尤其涉及一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置。
背景技术
激光熔融沉积(lasermeltingdeposition，LMD)主要依据“离散-堆积”的技术原理，以合金粉末为原料，将粉末同轴/旁轴送入，通过激光熔化并快速凝固形成沉积制造。通过激光逐点扫描、逐线搭接、逐层熔化凝固堆积，实现三维复杂零件的“近净成形”(增材制造)，具有无模具、短周期、低成本、高柔性、快响应等优点。然而激光熔融沉积工艺物理过程十分复杂，热应力和内部质量(冶金缺陷、晶粒、显微组织)难以有效控制，这一问题极大限制了其在关键及主承力构件中的应用；
目前对于激光熔融沉积内应力调控，已有预热缓冷、超声振动、高压辊扎等方法研究，然而预热缓冷仅能在一定程度上缓解热张应力，并且在金属零件尺寸较大材料体系复杂时，不仅对加热设备要求大幅提高，而且长时保温会引起成形组织发生变化，影响成型零件性能，超声振动无法实现零件全区域的有效超声干预，对应力改善效果有限，直接影响了该方法的有效性。高压辊扎虽然能改善内应力情况，使零件形成残余压应力，但其为接触式调控，无法加工复杂形状零部件。因此，现有的辅助手段对成形金属零件内应力调控起到了一定作用，但各方法均存在一定局限性。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型的目的在于提供一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置及方法，连续成形激光与短脉冲强化激光协同工作，在成形过程中在线实施“冲击锻造”和“冲击去应力”，在解决激光熔融沉积过程热应力问题的同时，还能克服复杂曲面零件复合制造难题。
一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，包括由导线连接的熔融沉积系统、冲击强化系统和在线监控系统，
所述熔融沉积系统包括熔融激光器、光路组件、送粉器、熔融沉积头和立体加工平台，所述熔融沉积头设置在所述立体加工平台的上方，所述熔融激光器发射的激光光束通过所述光路组件导引后穿过所述熔融沉积头至所述立体加工平台上，形成激光光斑；所述送粉器通过管路与所述熔融沉积头连接；
所述冲击强化系统包括冲击强化激光器和导光组件，所述冲击强化激光器发射冲击强化激光，经所述导光组件导引至熔池后端；
所述在线监控系统包括通过导线连接的在线监控传感器和信息采集控制系统，所述信息采集控制系统还通过导线与所述熔融激光器和所述冲击强化激光器连接。
优选的，还包括保护气体贮存装置，所述保护气体贮存装置通过管路分别与所述送粉器和所述熔融沉积头连接。
优选的，所述在线监控传感器包括高温计、红外相机、高速相机和光电探测器。
优选的，所述熔融激光沉积头贯通设置有三个通道，由内到外分别为激光光束通道、送粉通道和送气通道，所述熔融激光沉积头靠近立体加工平台的部分为锥体。
优选的，还包括基板，所述基板设置在立体加工平台上。
一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造方法，采用激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置实现，不分先后的具体步骤如下：
S1：所述熔融激光器发射的熔融激光光束，光路组件将激光光束导引至熔融沉积头，并照射在基板上；
S2：所述送粉器通过管路将待成形粉末输送至熔融沉积头，并通过熔融沉积头的送粉通道，汇聚于熔融激光光束在基板上的照射点，粉末受激光加热熔化形成熔池，再瞬间凝固形成沉积成形点；同时保护气体贮存装置将惰性气体通过管路输送至熔融沉积头，经熔融沉积头内流道喷出；
S3：所述立体加工平台使基板相对于熔融沉积头在XYZ方向运动，使沉积成形点沿零件截面轮廓形状逐点沉积，形成沉积区，同时在线监控传感器捕捉采集熔池的温度场和流场信息，并将信息电讯传输至信息采集控制系统；
S4：所述信息采集控制系统分析熔池的温度场和流场信息，判定出熔融激光作用位置，进而控制冲击强化激光器发射冲击强化激光，并通过导光组件照射至作用位置，对熔池后端的热影响区进行冲击，使沉积区热张应力转为压应力，并细化组织；
S5：沉积成形点按照零件的截面轮廓逐点逐层扫描运动，进而成形出完整的零件；同时在此过程中，在线监控传感器和信息采集控制系统也实时采集分析熔池的温度场和流场信息，如若出现工艺失稳，信息采集控制系统可实时调节熔融激光器的激光功率，使工艺趋于稳定。
本实用新型的技术方案如下：
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
(1)本实用新型采用激光熔融沉积、激光冲击强化和过程监控一体化的技术方案进行激光熔融沉积，在激光熔融沉积过程中同步利用激光冲击波作用消除热应力、细化组织；通过传感器监控加工状态，实时调整激光参数、强化位置和强化时机，实现复杂结构件的应力消除和性能提升。
(2)本实用新型不受限于金属零件的尺寸和形状，可以加工复杂形状零部件，适用范围较广。
附图说明
图1为本实用新型一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置的结构示意图；
本实用新型的附图标记列示如下：
1-熔融激光器，2-光路组件，3-送粉器，4-保护气体贮存装置，5-熔融沉积头，6-沉积成形点，7-零件，8-基板，9-立体加工平台，10-冲击强化激光器， 11-导光组件，12-在线监控传感器，13-信息采集控制系统。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本实用新型具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
同时，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。此外，术语“第一”，“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本实用新型包括提供一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置及方法，激光熔融沉积、激光冲击强化和过程监控的一体化技术方案，在激光熔融沉积过程中同步利用激光冲击波作用消除热应力、细化组织；通过传感器监控加工状态，实时调整激光参数、强化位置和强化时机，实现复杂结构件的应力消除和性能提升。
以下结合附图对本实用新型做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，包括由导线连接的熔融沉积系统、冲击强化系统和在线监控系统，
所述熔融沉积系统包括熔融激光器1、光路组件2、送粉器3、熔融沉积头 5和立体加工平台9，所述熔融沉积头5设置在所述立体加工平台9的上方，所述熔融激光器1发射的激光光束通过所述光路组件2导引后穿过所述熔融沉积头5至所述立体加工平台9上，形成激光光斑；所述送粉器3通过管路与所述熔融沉积头5连接；熔融激光器1发射的激光光束通过光路组件2的反射后，将激光光束导引至熔融沉积头5的激光光束通道，最后射向立体加工平台9上。
其中，所述熔融沉积头5贯通设置有三个通道，由内到外分别为激光光束通道、送粉通道和送气通道，所述熔融沉积头5靠近立体加工平台9的部分为锥体。
熔融沉积头5作用是激光光束整形，使成形粉末会聚于激光照射点，并在沉积过程中通过保护气流防止沉积过程氧化。
立体加工平台9提供XYZ三轴成形能力。
所述冲击强化系统包括冲击强化激光器10和导光组件11，所述冲击强化激光器10发射冲击强化激光，经所述导光组件11导引至熔池后端；熔池指的是粉末经熔融沉积头5流往激光出射光斑处，遇激光光斑加热熔化沉积成熔池，沉积过程中熔池向前移动，后端即位于熔池前进反方向一端。
所述在线监控系统包括通过导线连接的在线监控传感器12和信息采集控制系统13，所述信息采集控制系统还通过导线与所述熔融激光器1和所述冲击强化激光器10连接。信息采集控制系统13分析熔池的温度场和流场信息，判定出冲击光作用位置，进而控制冲击强化激光器10发射冲击强化激光。
信息采集控制系统13主要作用在于分析传感器采集到的各种信号信息，通过分析熔池的温度场和流畅，判定冲击光作用位置；输出信号给冲击强化系统，冲击强化系统据此实施强化加工。同时信息采集系统还监测熔池特征稳定性，如特征失稳，则表明工艺失稳，可输出信号给沉积系统，调整沉积工艺。
优选的，还包括保护气体贮存装置4，所述保护气体贮存装置4通过管路分别与所述送粉器3和所述熔融沉积头5连接。保护气体贮存装置4内储存有惰性气体，经过管路将惰性气体输送至熔融沉积头5内设的送气通道后喷出，使熔池周围被惰性气体保护，防止熔化成形过程中氧化污染。
优选的，所述在线监控传感器12包括高温计、红外相机、高速相机和光电探测器。在线监控传感器12用于捕捉采集熔池的温度场和流场信息，并将信息电讯传输至信息采集控制系统13。
优选的，还包括基板8，所述基板8设置在立体加工平台9上。基板8用于放置零件7，使激光冲击波不会直接损伤立体加工平台9。
一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造方法，采用激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置实现，不分先后的具体步骤如下：
S1：所述熔融激光器1发射的熔融激光光束，光路组件2将激光光束导引穿过熔融沉积头5，并照射在基板8上；
S2：所述送粉器3通过管路将待成形粉末输送至熔融沉积头5，并通过熔融沉积头5的送粉通道，汇聚于熔融激光光束在基板8上的照射点，粉末与激光加热熔化形成熔池，再瞬间凝固形成沉积成形点；同时保护气体贮存装置4将惰性气体通过管路输送至熔融沉积头5，经熔融沉积头5内流道喷出；
S3：所述立体加工平台9使基板8相对于熔融沉积头5在XYZ方向运动，使沉积成形点6沿零件7截面轮廓形状逐点沉积，形成沉积区，同时在线监控传感器12捕捉采集熔池的温度场和流场信息，并将信息电讯传输至信息采集控制系统13；
S4：所述信息采集控制系统13分析熔池的温度场和流场信息，判定出熔融激光作用位置，进而控制冲击强化激光器10发射冲击强化激光，并通过导光组件11照射至作用位置，对熔池后端的热影响区进行冲击，使沉积区热张应力转为压应力，并细化组织；
S5：沉积成形点按照零件的截面轮廓逐点逐层扫描运动，进而成形出完整的零件7；同时在此过程中，在线监控传感器12和信息采集控制系统13也实时采集分析熔池的温度场和流场信息，如若出现工艺失稳，信息采集控制系统13可实时调节熔融激光器1的激光功率，使工艺趋于稳定。
综上所述，工作流程为：
熔融激光器1发射激光光束，经光路组件2导引在零件7上形成激光光斑，送粉器3和保护气体贮存装置4将成形粉末通过管路输送至熔融沉积头5，粉末经熔融沉积头5流往激光出射光斑处，遇激光光斑加热熔化沉积成熔池，熔池凝固形成沉积成形点6；立体加工平台9相对于熔融沉积头5在XYZ方向上多自由度相对运动，使沉积点沿零件7切面轮廓形状逐点堆积，进而成形出所需零件7。
冲击强化激光由冲击强化激光器10发出，经过导光组件11导引至熔池后端。冲击强化光路伴随熔化沉积光路运动而运动，双光束出光点间隔由工艺确定。在线监控传感器12实时捕捉沉积点熔池的流场和热场信息，并将所采集信息电讯传输至信息采集控制系统13，经分析后通过控制冲击激光器10和导光组件11 实时调节冲击强化激光作用时机和作用位置，即双光束作用间隔。
上面结合附图对本实用新型优选实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本实用新型的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本实用新型不限于特定的实施方式，本实用新型的范围由所附权利要求限定。
Claims (5)
1.一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，其特征在于：包括由导线连接的熔融沉积系统、冲击强化系统和在线监控系统，
所述熔融沉积系统包括熔融激光器、光路组件、送粉器、熔融沉积头和立体加工平台，所述熔融沉积头设置在所述立体加工平台的上方，所述熔融激光器发射的激光光束通过所述光路组件导引后穿过所述熔融沉积头至所述立体加工平台上，形成激光光斑；所述送粉器通过管路与所述熔融沉积头连接；
所述冲击强化系统包括冲击强化激光器和导光组件，所述冲击强化激光器发射冲击强化激光，经所述导光组件导引至熔池后端；
所述在线监控系统包括通过导线连接的在线监控传感器和信息采集控制系统，所述信息采集控制系统通过导线与所述熔融激光器和所述冲击强化激光器连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，其特征在于：还包括保护气体贮存装置，所述保护气体贮存装置通过管路分别与所述送粉器和所述熔融沉积头连接。
3.根据权利要求1所述的一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，其特征在于：所述在线监控传感器包括高温计、红外相机、高速相机和光电探测器。
4.根据权利要求1所述的一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，其特征在于：所述熔融沉积头贯通设置有三个通道，由内到外分别为激光光束通道、送粉通道和送气通道，所述熔融沉积头靠近立体加工平台的部分为锥体。
5.根据权利要求1所述的一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置，其特征在于：还包括基板，所述基板设置在立体加工平台上。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20230315 Address after: 710000 Room 301, West 3rd Floor, Building B, Huigu Innovation Park, No. 1123, Hangchuang Road, National Civil Aerospace Industry Base, Xi'an, Shaanxi Province Patentee after: Xi'an Intelligent Manufacturing Enterprise Management Partnership (L.P.) Address before: 710100 Room 303-306, 3rd Floor, Zhongchuang Plaza, No. 385, Hangtian Middle Road, Xi'an National Civil Aerospace Industry Base, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee before: XI'AN AERO-SPACE ENGINE & SMART MANUFACTURING INSTITUTE CO.,LTD. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230828 Address after: Room 303, West third floor, building B, Huigu Innovation Park, 1123 hangchuang Road, Xi'an national civil aerospace industry base, Shaanxi 710000 Patentee after: Xi'an Aerospace electromechanical Intelligent Manufacturing Co.,Ltd. Address before: 710000 Room 301, West 3rd Floor, Building B, Huigu Innovation Park, No. 1123, Hangchuang Road, National Civil Aerospace Industry Base, Xi'an, Shaanxi Province Patentee before: Xi'an Intelligent Manufacturing Enterprise Management Partnership (L.P.) |
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