一種光?粉?氣同軸輸送激光熔覆沖擊鍛打成形復合制造方法與流程

本發明涉及增材制造的技術領域，尤其涉及到一種光-粉-氣同軸輸送激光熔覆沖擊鍛打成形復合制造方法。

背景技術：

增材制造技術不需要傳統的刀具和夾具以及多道加工工序，直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，是先進制造技術的重要發展方向。激光熔覆3d成形工藝其實質是“自由增材成形”工藝。

在現有技術中，激光熔覆3d成形可以通過光-粉-氣同軸輸的激光熔覆方法和裝置來完成，其方法和結構如中國專利cn10774084a中公開的。基本原理為通過變換光路，將激光圓截面實心光束變換為圓環形激光束，將其聚焦成為一中空圓環錐形聚焦激光束，在圓環錐形聚焦激光束中空部位布置一根與光束同軸的噴粉嘴，在噴粉嘴噴出的單根粉束外圍設置一圈同軸準直保護氣氣簾，對粉末起到準直作用，從而得到細直、剛性好、發散小的粉束，實現激光束與噴粉嘴噴出的單根粉束以及保護氣氣簾三者同軸輸送激光熔覆成形制造，有效保證了光粉氣耦合穩定，熔層質量好，沉積率明顯提高。

但是單純的激光熔覆3d成形技術普遍存在如下共性技術問題：(1)內部缺陷：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、裂紋和縮松內部缺陷等。(2)熱應力與變形開裂：3d打印成形是一種通點、線、面的累加成形即“逐點掃描熔化-逐線掃描搭接-逐層凝固堆積”的不斷循環過程，零件截面不同部位傳熱效率不同，芯部材料冷卻較慢，表層材料冷卻較快。在這種強約束下移動熔池的快速凝固收縮、循環加熱及非均勻冷卻下的非平衡固態相變過程中，零件內產生復雜熱應力、組織應力及應力集中和變形，嚴重影響零件幾何尺寸和力學性能，導致零件嚴重翹曲變形和開裂。

如何在提高制造效率的基礎上提高鍛造質量，有待人們解決。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種粉末利用率高、光粉耦合精度高、在提高制造效率的基礎上提高了鍛造質量的光-粉-氣同軸輸送激光熔覆沖擊鍛打成形復合制造方法。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：方法的步驟如下：

連續激光束利用熱效應對金屬粉末進行激光熔覆制造形成熔覆層，同時短脈沖激光束利用沖擊波力學效應對冷卻到最佳溫度熔覆區進行同步沖擊鍛打，二者配合進行復合制造，逐層堆疊熔覆區材料形成工件。

進一步地，所述用于熔覆的連續激光束為中空圓環錐形聚焦激光束，其通過對激光圓截面實心光束進行光路變換而成；中空圓環錐形聚焦激光束中部設置有送粉管，該送粉管噴出的粉束通過設置在其外圍一圈的保護氣簾準直；連續激光束、粉束以及保護氣簾三者同軸，實現光-粉-氣同軸輸送利用熱效應對金屬粉末進行激光熔覆制造形成熔覆層。

進一步地，制造過程中，激光熔覆系統參數與沖擊鍛打激光參數相互耦合影響，相互協調以達到最佳匹配狀態；其中，短脈沖激光束鍛打參數由光束質量檢測裝置監測與控制，根據熔覆區材料厚度和面積來確定脈沖激光的脈沖寬度、鍛打頻率和光斑大小；反過來，短脈沖激光束沖擊鍛打參數的選擇又約束著連續激熔覆速度與送粉速率的選擇，形成閉環耦合控制，以確保整個熔覆層深度材料獲得充分鍛打透徹。

進一步地，所述熔覆區材料厚度和面積由送粉速率決定，而送粉速率由送粉器在線監測與控制；若送粉速率超出連續激光熔覆速度，則降低用于熔覆的連續激光束移動速度；若送粉速率未達到連續激光熔覆速度，則升高用于熔覆的連續激光束移動速度。

進一步地，所述用于熔覆的連續激光束的溫度由非接觸式溫度場測量儀在線監測與控制；根據加工金屬材料的特性，將適合最佳塑性變形的溫度范圍和尺寸范圍設定為目標函數，然后根據溫度場調整激光熔覆參數和沖擊鍛打參數，使材料熔覆-冷卻后處于最適合金屬塑性成形溫度區間，由短脈沖激光束進行沖擊鍛打；若溫度過高導致材料熔覆-冷卻后偏移最佳塑性成形溫度區，則降低用于熔覆的連續激光溫度，若溫度過低導致材料熔覆-冷卻后偏移最佳塑性成形溫度，則升高用于熔覆的連續激光溫度；形成閉環控制，保證鍛打區溫度始終處于最容易塑性變形的溫度范圍內。

進一步地，雙激光束復合制造工藝參數實行在線檢測和控制，所述短脈沖激光束可對熔覆層實現法向沖擊鍛打、正面沖擊或者側面沖擊，任意組合，強化噴嘴中心線與熔覆層夾角可在15°～165°范圍內任意角度或者位置變換，可處理不同結構特點的熔覆成形零件，滿足零件變形最小精度最高的技術要求。

與現有技術相比，本方案的原理以及相應的有益效果如下：

本方案突破了傳統金屬熔覆成形的質量缺陷，基于激光熱效應和沖擊波力學效應復合制造工藝，在熱源熔化金屬粉末形成熔覆區的同時，對熔覆區同步進行激光沖擊處理，在一步制造工序中完成成形與強化工藝，具有高效、高質量的顯著特點，解決了二次強化工藝導致的二次加熱、熱應力和效率降低的缺點，節約了大量時間和大幅降低了生產成本。還可以精確調控激光束直徑與形狀、脈沖寬度、脈沖能量、重復頻率等參數，以適應于各種材料和復雜結構件高質量成形；同時基于連續激光采用光-粉-氣同軸輸送熔覆成形，可以高效利用粉末成形高質量的熔覆層。

附圖說明

圖1為本發明實施例的工作流程圖；

圖2為本發明實施例的原理示意圖；

圖3為本發明實施例的熔覆層微觀結構示意圖。

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-粉-氣同軸輸送激光熔覆沖擊鍛打成形復合制造方法，步驟如下：

用于熔覆的連續激光束1利用熱效應對金屬粉末6進行激光熔覆制造形成熔覆層4，同時短脈沖激光束5利用沖擊波力學效應對冷卻到最佳溫度熔覆區進行同步沖擊鍛打，二者配合進行復合制造，逐層堆疊熔覆區材料形成工件。

其中，用于熔覆的連續激光束1為中空圓環錐形聚焦激光束，其通過對激光圓截面實心光束進行光路變換而成；中空圓環錐形聚焦激光束中部設置有送粉管3，該送粉管3噴出的粉束通過設置在其外圍一圈的保護氣簾2準直；連續激光束1、粉束以及保護氣簾2三者同軸，實現光-粉-氣同軸輸送利用熱效應對金屬粉末進行激光熔覆制造形成熔覆層。

制造過程中，激光熔覆系統參數與沖擊鍛打激光參數相互耦合影響，相互協調；其中，短脈沖激光束鍛打參數由光束質量檢測裝置監測與控制，根據熔覆區材料厚度和面積來確定脈沖激光的脈沖寬度、鍛打頻率和光斑大小；反過來，短脈沖激光束沖擊鍛打參數的選擇又約束著連續激熔覆速度與送粉速率的選擇，形成閉環耦合控制，以確保整個熔覆層深度材料獲得充分鍛打透徹。

上述的熔覆區材料厚度和面積由送粉速率決定，而送粉速率由送粉器在線監測與控制；若送粉速率超出連續激光束1的熔覆速度，則降低用于熔覆的連續激光束1的移動速度；若送粉速率未達到連續激光束1的熔覆速度，則升高用于熔覆的連續激光束1的移動速度。

用于熔覆的連續激光束1的溫度由非接觸式溫度場測量儀在線監測與控制；根據加工金屬材料的特性，將適合最佳塑性變形的溫度范圍和尺寸范圍設定為目標函數，然后根據溫度場調整激光熔覆參數和沖擊鍛打參數，使材料熔覆-冷卻后處于最適合金屬塑性成形溫度區間，由短脈沖激光束5進行沖擊鍛打；若溫度過高導致材料熔覆-冷卻后偏移最佳塑性成形溫度區，則降低用于熔覆的連續激光束1的溫度，若溫度過低導致材料熔覆-冷卻后偏移最佳塑性成形溫度，則升高用于熔覆的連續激光束1的溫度；形成閉環控制，保證鍛打區溫度始終處于最容易塑性變形的溫度范圍內。

雙激光束復合制造工藝參數實行在線檢測和控制，短脈沖激光束5可對熔覆層實現法向沖擊鍛打、正面沖擊或者側面沖擊，任意組合，強化噴嘴中心線與熔覆層夾角可以在15°～165°范圍內任意角度或者位置變換，可處理不同結構特點的熔覆成形零件，滿足零件變形最小精度最高的技術要求。

每層熔覆層經脈沖激光5沖擊鍛打處理完之后，熔覆層逐層堆疊形成工件。每層熔覆成形金屬經歷連續激光熱效應成形和短脈沖激光束沖擊波效應鍛打，力學性能顯著提升，可達到鍛造件的水平。

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。