一種光內同軸送粉激光沖擊鍛打復合加工成形裝置及方法與流程

本發明涉及增材制造的技術領域，尤其涉及到一種光內同軸送粉激光沖擊鍛打復合加工成形裝置及方法。

背景技術：

增材制造技術是通過cad設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術。其中激光增材制造(laseradditivemanufacturing，lam)技術是一種以激光為能量源的增材制造技術，按照其成形原理進行分類，分為以同步材料送進為主要技術特征的激光立體成形技術(lasersolidforming，lsf),和以粉末床為主要技術特征的選區激光熔化技術(selectivelasermelting，slm)。lsf技術可以實現力學性能與鍛件相當的復雜高性能構件的高效率制造，并且成形尺寸不受限制，還可以實現同一構件上多材料的任意復合和梯度結構制造，便于進行新型合金設計，并用于損傷構件的高性能成形修復；slm技術則可以實現力學性能優于鑄件的高復雜性構件的直接制造，但是通常成形尺寸較小，只能進行單重材料的直接成形，其沉積效率要比lsf技術低一個數量級。

在現有技術中，激光增材制造采用的是光粉耦合噴頭，為保持噴頭掃描各向同性，獲得各向同性的熔道，一般采用同軸送粉方法。同軸送粉的方式有兩種，一種是“光外送粉”，如美國專利us5418350、日本專利jp2005219060等，一種是“光內送粉”，如中國專利cn2006101164131、cn104190927等。光外送粉方式為多路粉束匯聚，粉末發散，與光束可耦合區間短，不易耦合；光內送粉方式采用中空激光光內送分模式，由于光粉真正同軸，故光粉耦合區間長，容易耦合，粉束外圍形成一環形氣簾，可對粉束起到進一步集束和準直作用。

但由于激光器發出的激光為高斯光，即光斑內的激光能量密度呈高斯分布，致使中心溫度高，熔道兩側易出現欠熔和熔不透，熔覆件側壁表面較粗燥。另外，單純激光熔覆3d成形工藝因為工藝參數、外部環境、熔池熔體狀態的波動及變化、掃描填充軌跡的變換等，都可能在零件內部局部區域產生各種特殊的內部冶金缺陷，例如，氣孔、未熔合、裂紋和縮松等內部缺陷。而且，隨著高能激光束長時間周期性劇烈加熱和冷卻、移動熔池在池底強約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時非平衡循環固態相變，會在零件內部產生極大的內應力，容易導致零件嚴重變形開裂。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種能解決高斯光光斑邊緣出現欠熔和熔不透問題、有效消除氣孔、未熔合、裂紋和縮松內部缺陷、大幅改善成形件內部應力狀態的光內同軸送粉激光沖擊鍛打復合加工成形裝置。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：裝置包括主控機、脈沖激光器、連續激光器、溫度感應器、同軸送粉裝置、可視跟蹤系統、用于擺放熔覆成形件的工作臺、機械臂、金屬粉容器以及氣體容器；其中，脈沖激光器、連續激光器、溫度感應器、可視跟蹤系統均置于工作臺上方；機械臂固定在該工作臺一側夾緊同軸送粉裝置，使同軸送粉裝置位于連續激光器和工作臺之間且同軸送粉裝置與連續激光器同軸；所述同軸送粉裝置分別與金屬粉容器和氣體容器連通；脈沖激光器、連續激光器、溫度感應器、可視跟蹤系統、機械臂、金屬粉容器、氣體容器均與主控機相連接，受主控機控制。

進一步地，從所述連續激光器發出的連續激光束與加工層的夾角為90度，從所述脈沖激光器發出的脈沖激光束與熔覆區平面法線夾角為0～60度。

為實現上述目的，本發明另外提供的一種用于所述光內同軸送粉激光沖擊鍛打復合加工成形裝置的方法：包括以下步驟：

(1)主控機將預成形三維實體劃分為一個或多個簡單的成形單元，并規劃成形單元成形順序及其成形規則；

(2)主控機控制金屬粉容器和氣體容器往同軸送粉裝置輸送金屬粉和惰性保護氣體，同時控制機械臂使同軸送粉裝置按照預定軌跡在一個分層上進行掃描，維持連續激光器發出的連續激光束與加工層保持垂直關系，熔覆金屬粉；另外主控機控制脈沖激光器對熔覆層進行沖擊鍛打，并通過可視跟蹤系統監控鍛打情況；

(3)第一層激光熔覆沖擊鍛打結束后，主控機控制機械臂使同軸送粉裝置沿下一層的生長方向后退一個熔覆層的距離，并按照步驟(2)完成下一層的熔覆和沖擊鍛打，如此循環，直至整個成形單元完成；

(4)重復步驟(2)(3)完成下一個成形單元的熔覆及沖擊鍛打工作，如此循環，直至整個三維實體的制造完成。

進一步地，所述脈沖激光器發出的脈沖激光束和連續激光器發出的連續激光束均為平頂光束。

進一步地，所述步驟(2)～(4)過程中脈沖激光沖擊鍛打的熔覆層區域為最佳金屬塑性成形溫度區，溫度感應器檢測到該熔覆區的溫度后將結果反饋給主控機，當所述熔覆區溫度不在最佳金屬塑性成形溫度區時，主控機調整連續激光器輸出的能量以校正熔覆區溫度。

進一步地，所述脈沖激光器參數(脈沖寬度、脈沖頻率、光斑形狀及大小、沖擊鍛打次數)根據金屬粉的種類和熔覆層厚度、面積選擇，當可視跟蹤系統監控到脈沖激光工作能力不在正常范圍內時，可視跟蹤系統向主控機反饋信息，并由主控機調控連續激光器的熔覆速度，以協調兩個激光器的工作，保證熔覆-沖擊鍛打復合加工正常開展。

與現有技術相比，本方案的原理以及相應的有益效果如下：

本發明采用連續平頂激光束的熱效應熔覆金屬粉，同時結合脈沖平頂激光沖擊波的力效應對熔覆層進行激光沖擊鍛打，進行復合加工成形。由于平頂光的能量密度分布均勻，在熔覆金屬粉時，光斑內的金屬粉熔覆狀態一致，解決了高斯光光斑邊緣出現欠熔和熔不透的問題；同時脈沖激光誘導的沖擊波的力效應能夠有效消除氣孔、未熔合、裂紋和縮松內部缺陷，并能大幅改善成形件內部應力狀態，避免成形件出現變形開裂問題。在高效完成金屬零構件成形的同時，不僅能夠保證成形零構件的質量，還能大幅提升其機械性能。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構示意圖；

圖2為本發明實施例的工作流程圖；

圖3為本發明實施例熔覆-沖擊鍛打復合加工的示意圖。

圖中標記：主控機—1、脈沖激光器—2、連續激光器—3、溫度感應器—4、同軸送粉裝置—5、可視跟蹤系統—6、工作臺—7、機械臂—8、金屬粉容器—9、氣體容器—10、a—熔覆成形件、b—沖擊波、c—熔覆層、d—金屬粉、e—惰性保護氣體、f—連續激光束、g—掃描方向、h—脈沖激光束。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步說明：

參見附圖1-3所示，本實施例所述的一種光內同軸送粉激光沖擊鍛打復合加工成形裝置，包括主控機1、脈沖激光器2、連續激光器3、溫度感應器4、同軸送粉裝置5、可視跟蹤系統6、用于擺放熔覆成形件a的工作臺7、機械臂8、金屬粉容器9以及氣體容器10；其中，脈沖激光器2、連續激光器3、溫度感應器4、可視跟蹤系統6均置于工作臺7上方；機械臂8固定在該工作臺7一側夾緊同軸送粉裝置5，使同軸送粉裝置5位于連續激光器3和工作臺7之間且同軸送粉裝置5與連續激光器3同軸；所述同軸送粉裝置5分別與金屬粉容器9和氣體容器10連通；脈沖激光器2、連續激光器3、溫度感應器4、可視跟蹤系統6、機械臂8、金屬粉容器9、氣體容器10均與主控機1相連接，受主控機1控制。

脈沖激光器2發出的脈沖激光束h和連續激光器3發出的連續激光束f均為平頂光束。其中，脈沖激光束h與熔覆區c平面法線夾角為0～60度，連續激光束f與加工層的夾角為90度。

工作流程如下：

(1)主控機1將預成形三維實體劃分為一個或多個簡單的成形單元，并規劃成形單元成形順序及其成形規則；

(2)主控機1控制金屬粉容器9和氣體容器10往同軸送粉裝置5輸送金屬粉d和惰性保護氣體e，同時控制機械臂8使同軸送粉裝置5按照預定軌跡在一個分層上進行掃描，維持連續激光器3發出的連續激光束f與加工層保持垂直關系，熔覆金屬粉d；另外主控機1控制脈沖激光器2對熔覆層c進行沖擊鍛打，并通過可視跟蹤系統6監控鍛打情況；

(3)第一層激光熔覆沖擊鍛打結束后，主控機1控制機械臂8使同軸送粉裝置5沿下一層的生長方向后退一個熔覆層的距離，并按照步驟(2)完成下一層的熔覆和沖擊鍛打，如此循環，直至整個成形單元完成；

(4)重復步驟(2)(3)完成下一個成形單元的熔覆及沖擊鍛打工作，如此循環，直至整個三維實體的制造完成。

步驟(2)～(4)過程中脈沖激光沖擊鍛打的熔覆層區域為最佳金屬塑性成形溫度區，溫度感應器4檢測到該熔覆區c的溫度后將結果反饋給主控機，當所述熔覆區c的溫度不在最佳金屬塑性成形溫度區時，主控機1調整連續激光器3輸出的能量以校正熔覆區c的溫度。

脈沖激光器2參數根據金屬粉d的種類和熔覆層c厚度、面積選擇，當可視跟蹤系統6監控到脈沖激光束h工作能力不在正常范圍內時，可視跟蹤系統6向主控機1反饋信息，并由主控機1調控連續激光器3的熔覆速度，以協調兩個激光器的工作，保證熔覆-沖擊鍛打復合加工正常開展。

本方案采用連續平頂激光束的熱效應熔覆金屬粉，同時結合脈沖平頂激光沖擊波的力效應對熔覆層進行激光沖擊鍛打，進行復合加工成形。由于平頂光的能量密度分布均勻，在熔覆金屬粉時，光斑內的金屬粉熔覆狀態一致，解決了高斯光光斑邊緣出現欠熔和熔不透的問題；同時脈沖激光誘導的沖擊波的力效應能夠有效消除氣孔、未熔合、裂紋和縮松內部缺陷，并能大幅改善成形件內部應力狀態，避免成形件出現變形開裂問題。在高效完成金屬零構件成形的同時，不僅能夠保證成形零構件的質量，還能大幅提升其機械性能。

以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。