WO2021253522A1 - 一种超高速激光熔覆增材制造的装置和方法 - Google Patents

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陈兰
孙禺州
张新洲
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Abstract

一种超高速激光熔覆增材制造的装置和方法，包括激光发生器（1）、扩束镜（2）和反光镜（4），所述反光镜（4）的出射光路正对熔覆喷嘴（17），所述熔覆喷嘴（17）依次通过软管（8）和泵（7）与粉末池（6）连接，所述熔覆喷嘴（17）的下方设有基体（14），所述基体（14）位于旋转平台（13）上，所述旋转平台（13）的下方固定安装主步进电机（11），所述主步进电机（11）固定在升降平台（10）上，所述基体（14）的上方设置有激光测距仪（20）。该装置通过旋转，使超高速激光熔覆技术在平板上也能达到较高的熔覆速度，可以达到100m/min。同时在激光熔覆增材过程中，开启超声振动平台（15）、红外摄像机（18）、高速摄像机（19）、激光测距仪（20）和放射探伤系统（16），对激光熔覆过程进行实时检测，动态调整工艺参数，从而达到制备无缺陷高性能金属构件目的。

Description

一种超高速激光熔覆增材制造的装置和方法 技术领域
本发明属于激光增材制造领域，尤其涉及一种超高速激光熔覆增材制造的装置和方法。
背景技术
超高速激光熔覆技术是近年新开发的表面涂层技术，相比于传统的激光熔覆技术，其具有以下优点：激光光斑直径低达1mm，单层熔覆层厚度更小，在20～250μm；熔覆速度极高(最高500m/min)；熔覆层的稀释率低，一般仅为2％～4％；热影响区小，工件变形小；加工精度高，同时加工成本更低。超高速激光熔覆技术是对零件进行修复处理的首选技术，通过在零件表面形成与基体完全不同的，具有预定特殊性能的功能熔覆材料层，从而可以完全改变材料表面性能，使价廉的材料表面获得极高的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，同时该工艺可以修复材料表面的孔洞和裂纹，恢复已磨损零件的几何尺寸和性能。
目前，超高速激光熔覆加工对象多为轴类和盘类零部件。通过工件的旋转来获得超高的熔覆速度。其运动机构主要由夹持工件的旋转机构和固定激光熔覆头的XYZ三维行走机构两部分组成。而该技术在平板上的熔覆速度较低，这需要解决如何实现熔覆头与工件的高速平面运动。同时超高速激光熔覆技术目前仍处在推广应用阶段，制备过程中的基础性研究尚不完善，在成型精度和缺陷控制方面仍有许多工作需要完成。
发明内容
本发明的目的是针对目前的超高速激光熔覆增材制造技术只能在圆柱面上达到超高速激光熔覆的问题，发明了一种可以在平板上实现超高速激光熔覆增材制造的装置和方法。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种超高速激光熔覆增材制造的装置，包括激光发生器、扩束镜和反光镜，所述反光镜的出射光路正对熔覆喷嘴，所述熔覆喷嘴依次通过软管和泵与粉末池连接，所述熔覆喷嘴的下方设有基体，所述基体位于旋转平台上，所述旋转平台的下方固定安装主步进电机，所述主步进电机固定在升降平台上，所述基体的上方设置有激光测距仪。
上述方案中，所述熔覆喷嘴固定在电动滑块A上，所述熔覆喷嘴通过所述电动滑块A在电动滑轨A上移动，所述电动滑轨A固定在电动滑块B上，所述电动滑轨A通过所述电动滑块B在电动滑轨B上移动，所述反光镜通过转动轴与电动滑块C相连，所述反光镜通过所述电动滑块C在电动滑轨C上移动。
上述方案中，所述旋转平台上设置有若干超声振动平台，每个所述超声振动平台上放置有基体，每个所述超声振动平台通过副步进电机在旋转平台上旋转。
上述方案中，所述基体的上方设置有红外摄像机和高速摄像机。
上述方案中，所述基体的上方设置有放射探伤系统。
上述方案中，所述激光发生器、泵、升降平台、主步进电机、副步进电机、超声振动平台、电动滑块A、电动滑块B和电动滑块C、放射探伤系统、红外摄像机、高速摄像机和激光测距仪均通过信号线与控制系统相连。
上述方案中，激光发生器为光纤激光发生器，波长：1080nm，额定输出功率：4000W，焦距：280mm,功率可调范围：5～100％；光纤输出接口：QCS；焦斑光强分布：平顶；激光工作模式：CW；输出功率稳定性：<3％；激光器专用云服务远程诊断系统；15m传输光纤。
本发明还提供一种利用超高速激光熔覆增材制造的装置进行增材制造的方法，包含以下步骤：S1将基体打磨、清洗和吹干，并对其进行预热；S2将基体固定至超声振动平台上，控制升降平台微调使基体与喷嘴之间有一个合适的距离H；控制电动滑块B带动喷嘴移动至旋转平台最内侧；激光测距仪测定到基体的距离D1；S3主步进电机带动旋转平台开始转动，使基体和熔覆喷嘴产生相对位移；S4控制泵开始工作，将粉末由粉末池通过熔覆喷嘴喷射至基体表面；激光发生器输出激光通过喷嘴聚焦到基体表面，熔化喷至基体表面的粉末；超声振动平台开始振动和旋转，使喷至基体表面的粉末得以完全熔化，减少孔隙的产生；S5红外摄像机拍摄熔池的温度，高速摄像机拍摄熔池的宽度并将其反馈给控制系统，以此判断粉末熔化是否充分，紧接着动态控制旋转平台转速以达到一个合适的激光能量密度；动态控制超声振动平台振动频率，使得粉末可以被充分熔化；S6激光测距仪测定到熔覆层的距离D2，计算出熔覆层厚度D2-D1，判断熔覆层厚度是否达到预期要求，紧接着动态控制送粉率，保证熔覆层厚度均匀；S7当旋转平台完整旋转一圈后，激光暂停输出，泵暂停送粉；电动滑块B带动熔覆喷嘴向旋转平台外侧移动一定距离X；S8重复步骤S4，S5，S6，S7直至一层的增材制造加工完成；S9主步进电机停止旋转，使用放射探伤系统对完成的熔覆层进行无接触探伤，并记录下缺陷的位置；S10控制电动滑块B沿着电动滑轨B移动，带动喷嘴移动至旋转平台最内侧；升降平台下降一定的高度H；超声振动平台旋转一定的角度α；S11控制系统根据放射探伤系统所记录下缺陷的位置，将下一层超高速激光熔覆增材制造过程中的参数进行改变，使得喷嘴在经过缺陷上方时，增大激光功率，增大送粉率，已达到重熔修复缺陷的目的；S12重复步骤S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S11直至 所有的增材制造加工完成。
上述方案中，在超高速激光熔覆增材制造过程中，喷嘴通过电动滑块A在电动滑轨A上移动，以改变熔覆喷嘴轴线与基体表面的夹角，以此克服基体表面熔融态粉末由于旋转而产生的离心力；同时，反光镜可以围绕转轴旋转，并通过电动滑块C在电动滑轨C上移动，以改变反射光的角度和位置，使光线可以通过反光镜进入熔覆喷嘴；喷嘴轴线与基体表面的夹角由熔覆喷嘴到旋转平台轴线的距离以及旋转平台转速决定。
上述方案中，所述步骤S8和步骤S12在熔覆过程中，激光发生器的激光功率3000～4000W；扫描速度1～200m/min；光斑直径1～3mm；搭接率0～100％；熔覆层厚度10～1000μm。
本发明的有益效果：1.超高速激光熔覆是一种新兴技术，与传统的激光熔覆技术相比，其最大的特征是扫描速度快，但是此技术仅在圆柱面上可以达到超高速激光熔覆，在平板上的熔覆速度较低，仅可以达到10m/min。本发明通过旋转，使超高速激光熔覆技术在平板上也能达到较高的熔覆速度，可以达到100m/min。2.相比于传统的激光熔覆增材制造，采用圆弧形扫描路径，在制造带有较多圆弧的零件时更有优势。3.传统的激光熔覆增材制造使用直线扫描路径，其扫描速度受限于丝杠电机。相比于传统的熔覆增材制造，本装置扫描速度更快，加工效率更高。4.本装置熔覆过程中的旋转角度易于改变，可以适应多变的生产需求；同时可以对四个或更多零件进行熔覆，大大提高了生产效率；同时本装置既可以进行单层激光熔覆，也可以进行多层激光熔覆增材制造，弥补了高速激光熔覆技术不能在平板应用的技术空缺，进而可以将现有超高速激光熔覆二维增材技术拓展至超高速激光沉积三维增材技术。5.本装置在基体下设有超声振动装置，其可以使粉末被均匀熔化，同时使熔融粉末中的气体可以快速逃离熔池，减少孔隙，提高产出零件的综合性能。6.本装置所述激光发生器、泵、升降平台、主步进电机、副步进电机、超声振动平台、电动滑块A、电动滑块B和电动滑块C、红外摄像机和高速摄像机与控制系统组成一个闭环反馈控制系统，动态控制加工参数，充分熔化粉末，减少孔隙、裂纹、未熔融粉末等缺陷的生成，提高产出零件的综合性能。7.通过激光测距仪，实时控制熔覆层厚度，使得熔覆层的厚度均匀，提高产出零件的综合性能。8.通过超声探伤系统，在下一层熔覆过程中修复上一层熔覆过程中产生的缺陷，大大减少了出产零件的内部缺陷，提高产出零件的综合性能。9.通过本发明提出的装置和方法也可将现有超高速激光熔覆二维增材技术拓展至超高速激光沉积三维增材技术，能够弥补传统三维增材技术效率和精度的不足，从而拓宽超高速激光沉积技术的应用范围，促进其推广应用。
附图说明
图1是本发明装置的示意图。
图2是本发明装置中的旋转平台俯视图。
图3是控制电动滑块B带动熔覆喷嘴移动至旋转平台最内侧。
图4是激光熔化表面的粉末形成熔覆轨迹图。
图5至图7是一层的熔覆增材制造加工过程图。
图8至图9是超声振动平台旋转一定的角度α后熔覆增材制造加工过程图。
图10至图13是熔覆增材制造加工的过程示意图。
图中：1.激光发生器；2.扩束镜；3.平行光束；4.反光镜；5.信号线；6.粉末池；7.泵；8.软管；9.控制系统；10.升降平台；11.主步进电机；12.副步进电机；13.旋转平台；14.基体；15.超声振动平台；16.放射探伤系统；17.熔覆喷嘴；18.红外摄像机；19.高速摄像机；20.激光测距仪；21.电动滑块A；22.电动滑轨A；23.电动滑块B；24.电动滑轨B；25.电动滑块C；26.电动滑轨C。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行更进一步的说明。
如图1和图2所示，本实施方式提供的一种超高速激光熔覆增材制造的装置，包括激光发生器1和扩束镜2，扩束镜2用来将入射激光扩展成平行激光束3。平行激光束3经过反光镜4进入熔覆喷嘴17，并通过熔覆喷嘴内的透镜聚焦到基体14上。熔覆喷嘴17固定在电动滑块A21，并且可以在电动滑轨A22上移动。电动滑轨A22固定在电动滑块B23上，并且可以在电动滑轨B24上移动。反光镜4通过转轴与电动滑块C25相连并且可以沿电动滑轨C26方向移动。基体14固定在超声振动平台15上。超声振动平台15嵌入在旋转平台13上，并被副步进电机12带动，可以在旋转平台13内旋转。旋转平(13与主步进电机11相连，并可以被其带动旋转。主步进电机11固定在升降平台10上，并可以上下升降。粉末由泵7从粉末池6经过软管8送至熔覆喷嘴17中喷射至基体14上，被聚焦在基体14表面的激光熔化。
所述激光发生器1、泵7、升降平台10、主步进电机11、副步进电机12、超声振动平台15、电动滑块A21、电动滑块B23和电动滑块C25、放射探伤系统16、红外摄像机18、高速摄像机19和激光测距仪20通过信号线5与控制系统9相连，并由其控制。所述旋转平台13上可以安装多个超声振动平台15，由此安装多个基体14，一次可以增材制造多个零件，大大提高生产效率。
下面以Inconel625合金为例，本发明包含以下步骤。A.将基体14打磨、清洗和吹干，并对其进行预热300℃；B.将基体14固定至超声振动平台15上，控制升降平台10微调使基体14与喷嘴17之间有一个合适的距离H；控制电动滑块B23带动喷嘴17移动至旋转平台13最内侧，如图3；激光测距仪20测定到基体14的距离D1；C.主步进电机11带动旋转平台13开始转动，使基体14和喷嘴17产生相对位移，其中步进电机步进角度1.8°，保持力矩20N·m；D.泵7开始运作，将粉末由粉末池6通过喷嘴17喷射至基体14表面；激光发生器1输出激光通过喷嘴17聚焦到基体14表面，熔化喷至基体17表面的粉末，形成熔覆轨迹，如图4；超声振动平台15开始振动和旋转，使喷至基体14表面的粉末得以完全熔化，减少孔隙的产生，初始光纤激光发生器参数设置为：激光功率为2000W，光斑直径为1mm，搭接率为50％，熔覆速度为100m/min，熔覆层厚度20μm；E.红外摄像机18拍摄熔池的温度，高速摄像机19拍摄熔池的宽度并将其反馈给控制系统9，以此判断粉末熔化是否充分，紧接着动态控制旋转平台13转速以达到一个合适的激光能量密度；动态控制超声振动平台15振动频率，使得粉末可以被充分熔化；红外摄像机18测温范围为800～4000℃，测量精度为±1‰读数，重复测量精度为±0.5‰读数，探测响应时间20ms；高速摄像机(19)最高分辨率1280×896，满幅帧率30000fps，图像位深12bit；F.激光测距仪20测定到熔覆层的距离D2，计算出熔覆层厚度D2-D1，判断熔覆层厚度是否达到预期要求，紧接着动态控制送粉率，保证熔覆层厚度均匀，其中激光测距仪20的分辨率1μm，测量速度1MHz，测量范围500mm；G.当旋转平台13完整旋转一圈后，激光暂停输出，泵7暂停送粉；电动滑块B23带动喷嘴17向旋转平台13外侧移动一定距离X；H.重复步骤D，E，F，G直至一层的增材制造加工完成，如图5-图7；I.主步进电机11停止旋转，使用放射探伤系统16对完成的熔覆层进行无接触探伤，并记录下缺陷的位置，其中放射探伤系统分辨率0.5μm，探测范围30mm；J.控制电动滑块B23带动喷嘴17移动至旋转平台13最内侧；升降平台10下降一定的高度H；超声振动平台15旋转一定的角度α，如图8-图9，其中电动滑块B23最大行程1.8m，最大负载200N；K.控制系统9根据放射探伤系统16所记录下缺陷的位置，将下一层超高速激光熔覆增材制造过程中的参数进行改变，使得喷嘴17在经过缺陷上方时，增大激光功率，增大送粉率，已达到重熔修复缺陷的目的；L.重复步骤C，D，E，F，G，H，I，J，K直至所有的增材制造加工完成，如图10-图13。
所述步骤H和L的熔覆过程中，基准参数为：激光发生器1的激光功率4000W；扫描速度80m/min；光斑直径2mm；搭接率50％；熔覆层厚度500μm。
在超高速激光熔覆增材制造过程中，喷嘴17可以通过电动滑块A21在电动滑轨A22 上移动，以改变喷嘴17轴线与基体14表面的夹角，以此克服基体表面熔融态粉末由于旋转而产生的离心力；同时，反光镜可以围绕转轴旋转，并通过电动滑块C在电动滑轨C上移动，改变反射光角度，使反射光线可以通过反光镜进入喷嘴；喷嘴轴线与基体表面的夹角由熔覆喷嘴到旋转平台轴线的距离以及旋转平台转速决定。

Claims (10)

  1. 一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，包括激光发生器(1)、扩束镜(2)和反光镜(4)，所述反光镜(4)的出射光路正对熔覆喷嘴(17)，所述熔覆喷嘴(17)依次通过软管(8)和泵(7)与粉末池(6)连接，所述熔覆喷嘴(17)的下方设有基体(14)，所述基体(14)位于旋转平台(13)上，所述旋转平台(13)的下方固定安装主步进电机(11)，所述主步进电机(11)固定在升降平台(10)上，所述基体(14)的上方设置有激光测距仪(20)。
  2. 根据权利要求1所述的一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，所述熔覆喷嘴(17)固定在电动滑块A(21)上，所述熔覆喷嘴(17)通过所述电动滑块A(21)在电动滑轨A(22)上移动，所述电动滑轨A(22)固定在电动滑块B(23)上，所述电动滑轨A(22)通过所述电动滑块B(23)在电动滑轨B(24)上移动，所述反光镜(4)通过转动轴与电动滑块C(25)相连，所述反光镜(4)通过所述电动滑块C(25)在电动滑轨C(26)上移动。
  3. 根据权利要求2所述的一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，所述旋转平台(13)上设置有若干超声振动平台(15)，每个所述超声振动平台(15)上放置有基体(14)，每个所述超声振动平台(15)通过副步进电机(12)在旋转平台(13)上旋转。
  4. 根据权利要求3所述的一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，
    所述基体(14)的上方设置有红外摄像机(18)和高速摄像机(19)。
  5. 根据权利要求4所述的一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，所述基体(14)的上方设置有放射探伤系统(16)。
  6. 根据权利要求5所述的一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，所述激光发生器(1)、泵(7)、升降平台(10)、主步进电机(11)、副步进电机(12)、超声振动平台(15)、电动滑块A(21)、电动滑块B(23)和电动滑块C(25)、放射探伤系统(16)、红外摄像机(18)、高速摄像机(19)和激光测距仪(20)均通过信号线(5)与控制系统(9)相连。
  7. 根据权利要求1至6所述的任意一种超高速激光熔覆增材制造的装置，其特征在于，激光发生器(1)为光纤激光发生器，波长：1080nm，额定输出功率：4000W，焦距：280mm,功率可调范围：5～100％；光纤输出接口：QCS；焦斑光强分布：平顶；激光工作模式：CW；输出功率稳定性：<3％；激光器专用云服务远程诊断系统；15m传输光纤。
  8. 一种利用权利要求6所述的超高速激光熔覆增材制造的装置进行增材制造的方法，其特征在于，包含以下步骤：
    S1将基体(14)打磨、清洗和吹干，并对其进行预热；
    S2将基体(14)固定至超声振动平台(15)上，控制升降平台(10)微调使基体(14)与喷嘴(17)之间 有一个合适的距离H；控制电动滑块B(23)带动喷嘴(17)移动至旋转平台(13)最内侧；激光测距仪(20)测定到基体(14)的距离D1；
    S3主步进电机(11)带动旋转平台(13)开始转动，使基体(14)和熔覆喷嘴(17)产生相对位移；
    S4控制泵(7)开始工作，将粉末由粉末池(6)通过熔覆喷嘴(17)喷射至基体(14)表面；激光发生器(1)输出激光通过喷嘴(17)聚焦到基体(14)表面，熔化喷至基体(14)表面的粉末；超声振动平台(15)开始振动和旋转，使喷至基体(14)表面的粉末得以完全熔化，减少孔隙的产生；
    S5红外摄像机(18)拍摄熔池的温度，高速摄像机(19)拍摄熔池的宽度并将其反馈给控制系统(9)，以此判断粉末熔化是否充分，紧接着动态控制旋转平台(13)转速以达到一个合适的激光能量密度；动态控制超声振动平台(15)振动频率，使得粉末可以被充分熔化；
    S6激光测距仪(20)测定到熔覆层的距离D2，计算出熔覆层厚度D2-D1，判断熔覆层厚度是否达到预期要求，紧接着动态控制送粉率，保证熔覆层厚度均匀；
    S7当旋转平台(13)完整旋转一圈后，激光暂停输出，泵(7)暂停送粉；电动滑块B(23)带动熔覆喷嘴(17)向旋转平台(13)外侧移动一定距离X；
    S8重复步骤S4，S5，S6，S7直至一层的增材制造加工完成；
    S9主步进电机(11)停止旋转，使用放射探伤系统(16)对完成的熔覆层进行无接触探伤，并记录下缺陷的位置；
    S10控制电动滑块B(23)沿着电动滑轨B(24)移动，带动喷嘴(17)移动至旋转平台(13)最内侧；升降平台(10)下降一定的高度H；超声振动平台(15)旋转一定的角度α；
    S11控制系统(9)根据放射探伤系统(16)所记录下缺陷的位置，将下一层超高速激光熔覆增材制造过程中的参数进行改变，使得喷嘴(17)在经过缺陷上方时，增大激光功率，增大送粉率，已达到重熔修复缺陷的目的；
    S12重复步骤S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S11直至所有的增材制造加工完成。
  9. 根据权利要求8所述的一种利用权利要求6所述的超高速激光熔覆增材制造的装置进行增材制造的方法，其特征在于，在超高速激光熔覆增材制造过程中，喷嘴(17)通过电动滑块A(21)在电动滑轨A(22)上移动，以改变熔覆喷嘴(17)轴线与基体(14)表面的夹角，以此克服基体(14)表面熔融态粉末由于旋转而产生的离心力；同时，反光镜(4)可以围绕转轴旋转，并通过电动滑块C(25)在电动滑轨C(26)上移动，以改变反射光的角度和位置，使反射光可以通过反光镜(4)进入熔覆喷嘴(17)；喷嘴(17)轴线与基体(14)表面的夹角由熔覆喷嘴(17)到旋转平台(13)轴线的距离以及旋转平台(13)转速决定。
  10. 根据权利要求8所述的一种利用权利要求6所述的超高速激光熔覆增材制造的装置进行 增材制造的方法，其特征在于，所述步骤S8和步骤S12在熔覆过程中，激光发生器(1)的激光功率3000～4000W；扫描速度1～200m/min；光斑直径1～3mm；搭接率0～100％；熔覆层厚度10～1000μm。
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