一种激光选区熔化耦合冲击波设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进快速制造技术领域，具体涉及一种激光选区熔化耦合冲击波技术的成形装置，该装置适用于激光选区熔化技术成形金属合金，利用可控的在线冲击波改善成形金属合金中的残余应力，成形高性能无残余应力的金属零件。
技术背景
[0002]激光选区恪化(Selective Laser Melting, SLM)作为增材制造(3D打印)家族重要成员之一，通过高能束光纤激光直接熔化铺平在预置粉床上的微细粉末成形零件，是一种基于材料逐层堆积的新型制造技术。该工艺能够直接根据CAD模型成形几乎完全致密的任意复杂的金属制件。SLM是通过逐层选择性地熔化金属粉末层并叠加来成形金属零件，由于SLM可以直接制造结构复杂的金属零件，因此该方法可以最大限度实现设计的自由度，在制备精确的具有优良特性的金属合金零件方面具有巨大潜力。
[0003]然而，激光选区熔化制造过程中，由于光纤激光能量密度高，粉末材料的微熔池的冷却速度达103-105K/s，这种高冷却速率直接导致金属零件中存在较大的残余应力。目前残余应力是限制SLM成形金属零件走向大范围应用的主要原因之一。金属零件的残余应力主要有两个来源:不均匀塑性变形所产生的残余应力；不均匀的体积变化所引起的残余应力。前者主要是在非平衡凝固过程中，金属原子来不及有序排列，产生大量空位和畸变，从而导致成形的金属零件形成微应变而引起残余应力。后者残余应力主要是由于凝固后的金属在快速冷却下产生的收缩而引起残余应力。当前消除SLM成形金属零件残余应力的方法主要采用成形后退火处理，尽管这种方法对于消除残余应力效果较好，但对成形零件的三维尺寸存在较大影响。因此，寻找一种既能降低残余应力且便捷，还不会使材料性能降低的方法将非常有意义。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种激光选区熔化耦合冲击波设备，目的是成型制备SLM快速成形复杂结构且存在较小残余应力的金属零件，并且可避免SLM在成形金属零件过程中由于较大残余应力而变形，翘曲、无法加工等技术问题，也可省去金属零件退火后处理的繁杂环节，简单易行，低耗高效。
[0005]本发明提供的一种激光选区熔化耦合冲击波设备，包括激光选区熔化成型系统和计算机控制系统，其特征在于，该设备还包括超声冲击波发射器，三维移动工作台安装在激光选区熔化成型系统的金属密封舱内，并位于激光选区熔化成型系统的铺送粉装置上方，超声冲击波发射器通过万向转动关节安装在三维移动工作台的横梁上，在激光进行加工扫描截面轮廓时，超声波发射器移动到设备最远端，保证对激光扫描不造成干扰；
[0006]所述激光选区熔化成型系统每加工一层，所述超声波发射器则对该层表面进行超声波处理，以消除残余应力；
[0007]计算机控制系统与激光选区熔化成型系统和超声冲击波发射器电信号连接，用于控制两者工作。
[0008]本发明设备将超声冲击波技术与种激光选区熔化耦合，利用大功率超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力；并使被冲击部位得以强化。本发明设备能够实现SLM制备金属零件过程中，超声冲击波同步去除或者改善残余应力的耦合工作机制。
【附图说明】
[0009]图1为本发明提供的一种激光选区熔化耦合冲击波设备的结构示意图；
[0010]图中各标示，I计算机，2线路系统，3反馈控制系统，4偏振镜，5激光器，6保护窗，7金属密封舱，8三维移动工作台，9铺送粉装置，10支撑台，11升降台，12总支撑台，13电机，14待处理工件，15保护气循环装置，16万向转动关节17超声冲击波发生器。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0012]如图1所示，本实例提供的一种激光选区熔化耦合冲击波设备，包括激光选区熔化成型系统、超声冲击波发射器和计算机控制系统。
[0013]激光选区熔化成型系统固定在总支撑台12上，由偏振镜4、激光器5、保护窗6、金属密封舱7、铺送粉装置9、支撑台10、升降台面11、电机13组成，与现有的激光选区熔化设备基本一致。
[0014]三维移动工作台8安装在金属密封舱7内，并位于铺送粉装置9上方，超声冲击波发射器17通过万向转动关节16安装在三维移动工作台8的横梁上，当激光进行加工扫描截面轮廓时，超声波发射器17移动到设备最远端，保证对激光扫描不造成干扰。
[0015]计算机控制系统I用于控制两者协调工作，如控制零件三维模型切片、激光扫描路径生成、偏振镜控制、台面升降、铺送粉系统工作等等。
[0016]加工工件14时，保护气循环装置15先启动，往金属密封舱7内通入保护气体并开始循环，铺送粉装置9先在升降台面11表面均匀铺上一层很薄的粉末，激光器11发射出激光束，计算机控制系统I控制偏振镜4对激光进行控制，在工件有实体轮廓的地方扫描熔化，然后电机13带动升降台面11下降一个层厚的高度，如此重复循环。
[0017]工件14每加工一定的高度，超声冲击波发射器17开始工作。具体的工作方式为:计算机控制系统I根据工件当前加工面的具体形貌，控制步进电机带动XYZ三轴移动台8和万向转动关节16，使得超声冲击波发射器17接触工件14表面，对工件进行超声波处理，消除残余应力。XYZ三轴移动台8能够搭载超声冲击波发射器17进行前后、左右、上下运动。万向转动关节16保证超声波发射器始终垂直于工件表面。当设备进行超声波处理时，激光器5、铺送粉装置9以及升降台面11停止工作，防止与XYZ三轴移动台发生干涉碰撞。
[0018]以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种激光选区熔化耦合冲击波设备，包括激光选区熔化成型系统和计算机控制系统，其特征在于，该设备还包括超声冲击波发射器，三维移动工作台安装在激光选区熔化成型系统的金属密封舱内，并位于激光选区熔化成型系统的铺送粉装置上方，超声冲击波发射器通过万向转动关节安装在三维移动工作台的横梁上，在激光进行加工扫描截面轮廓时，超声波发射器移动到设备最远端，保证对激光扫描不造成干扰； 所述激光选区熔化成型系统每加工一层，所述超声波发射器则对该层表面进行超声波处理，以消除残余应力； 计算机控制系统与激光选区熔化成型系统和超声冲击波发射器电信号连接，用于控制两者工作。
【专利摘要】本发明公开了一种激光选区熔化耦合冲击波设备，包括激光选区熔化成型系统、计算机控制系统和超声冲击波发射器，三维移动工作台安装在激光选区熔化成型系统的金属密封舱内，并位于激光选区熔化成型系统的铺送粉装置上方，超声冲击波发射器通过万向转动关节安装在三维移动工作台的横梁上；激光选区熔化成型系统每加工一层，超声波发射器则对该层表面进行超声波处理，以消除残余应力；计算机控制系统控制激光选区熔化成型系统和超声冲击波发射器工作。本发明可避免SLM在成形金属零件过程中由于较大残余应力而变形，翘曲、无法加工等技术问题，也可省去金属零件退火后处理的繁杂环节，简单易行，低耗高效。
【IPC分类】B22F3/24, B22F3/105, B33Y30/00, B33Y40/00
【公开号】CN104923789
【申请号】CN201510389999
【发明人】宋波, 魏青松, 文世峰, 张李超, 刘洁, 史玉升
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年7月6日