增减材复合制造中的激光封装方法与流程

本申请涉及一种增减材复合制造中的材料的激光封装方法，属于材料激光成型领域。

背景技术：

选择性激光熔化技术可以实现复杂结构件的成形，但成形精度低、表面光洁度差、分辨率低，一般需要后续加工来提高表面的光洁度。把超快激光减材、激光精密封装技术技术引入激光增材制造中，可以实现复杂内腔结构件微通道的精密成形、加工，同时解决悬垂面的成型以及微通道粉体残留的问题，可以满足航空航天关键零部件加工高精度、高光洁度、高洁净度的要求。在增减材复合制造环节中，激光精密封装一般是把薄壁金属材料与基体材料利用红外激光焊接在一起，二者的焊接质量直接决定着后期的增材制造成型质量，实现薄壁金属与基体材料之间无形变、高强度的焊接是整个增减材复合制造的关键环节。

为实现薄壁金属与基体材料高质量的焊接，本专利发明了一种针对薄壁材料的激光精密封装方法与装置，可实现薄壁金属材料的无形变、高强度的封装。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种增减材复合制造中的激光封装方法，该方法实现薄壁金属与基体材料高质量的焊接，在激光选区熔化(SLM)的基础上，用激光精密封装的方法，解决材料内部微通道、尤其是悬垂面的成型问题，解决微通道粉体残留的问题，满足航空航天关键零部件加工高精度、高光洁度、高洁净度的要求。该方法，采用工装将预制板覆盖在基体的下凹结构的上方，利用激光在所述预制板的边缘焊接以完成对所述基体的下凹结构的封装。

优选地，所述方法包括以下步骤：

a)在增材制造得到的基体上，通过减材制造得到具有下凹结构的基体；

b)使用工装将预制板放置于步骤a)所述基体的下凹结构的上方，所述工装向所述预制板施加压力并采用激光对所述预制板的边缘点焊，将所述预制板固定于所述基体的下凹结构上方；

c)移除所述工装，采用激光沿所述预制板的边缘连续焊接以完成封装。

优选地，所述工装在对应于所述预制板的边缘部位具有尺寸大于所述激光光斑的孔和/或缺口。

进一步优选地，所述相邻的孔和/或缺口之间的间距范围为0.01mm至1mm。

进一步优选地，所述工装边缘部位具有至少四个相邻间距0.4mm至0.6mm的所述孔和/或缺口。

进一步优选地，所述孔或缺口的形状为圆形、椭圆形、矩形中的至少一种。

优选地，所述步骤b)为通过定位系统控制所述工装拾取并将所述预制板覆盖在所述基体的下凹结构上方且施压后，激光沿着所述工装边缘，在所述工装的孔和/或缺口处对所述预制板的边缘进行点焊以固定所述预制板。

优选地，所述工装采用机械、气动、电磁中的至少一种方式将所述预制板放置于所述基体的下凹结构的上方。

优选地，所述工装由高温合金材料制成。

进一步优选地，所述工装由钛基高温合金材料制成。

优选地，所述预制板为由与所述基体相同的材料制得。

优选地，所述下凹结构是增减材复合制造过程中，利用短脉冲激光在增材制造成型基体上减材成形得到的微通道结构。

优选地，所述微通道边缘具有凹缘，所述凹缘深度与所述预制板厚度一致，所述预制板厚度为0.1mm至1mm。

进一步优选地，所述预制板厚度为0.1mm至0.5mm，所述预制板的尺寸可嵌入并封闭所述微通道边缘的凹缘且大于所述微通道的开口尺寸。

优选地，所述激光为红外激光，来自连续或脉冲的固体红外激光器、半导体红外激光器、气体红外激光器中的至少一种。

作为本申请的一个具体的实施方式，所述方法包括以下步骤：

a)在增材制造得到的基体上，通过减材制造得到具有凹槽结构的基体；

b)采用边缘具有孔的工装抓取预制板，在视觉定位系统的辅助下，将预制板放置并覆盖于步骤a)所述基体的凹槽结构的上方，所述工装向所述预制板施加压力并采用红外激光穿过所述工装的孔对所述预制板的边缘点焊；所述预制板为与所述基体材料相同的金属材料制成的薄壁板；

c)移除所述工装，采用所述红外激光沿所述预制板的边缘连续焊接，将所述预制板封装在所述凹槽结构上以得到微通道结构。

本申请中，术语“工装”，即指工装夹具，是指本申请增减材复合制造的激光封装过程中所用到的抓取和放置所述预制板、与所述预制板的尺寸相匹配、并能够对所述预制板施加压力的工装夹具。

本申请中，高温合金(英文：Superalloy)是指在650℃以上温度具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。

本申请能产生的有益效果包括：

本申请所提供的增减材复合制造中的激光封装方法，可对薄壁金属在具有下凹结构的区域精密焊接，且可保持焊接的薄壁金属不变形。

本申请所提供的增减材复合制造中的激光封装方法，实现薄壁金属与基体材料高质量的焊接，在激光选区熔化(SLM)的基础上，用激光精密封装的方法，解决材料内部微通道、尤其是悬垂面的成型问题，解决微通道粉体残留的问题，满足航空航天关键零部件加工高精度、高光洁度、高洁净度的要求。

附图说明

图1为本申请一种实施方式的增减材复合制造中的激光封装过程剖面示意图。

图2为为本申请一种实施方式的增减材复合制造中的激光封装过程俯视示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

实施例1

下面将结合附图，对本实施例进行详细的描述。本申请的增减材复合制造中的激光封装过程如图1所示，其中：

步骤S1：采用激光选区熔化(SLM)的增材制造方法得到基体，其中激光束I为1064nm红外连续波激光。

步骤S2：采用脉冲激光在步骤S1中成形的基体上加工图1中S2所示的凹槽结构(图1中S2所示微通道区域)和凹缘结构，并对其表面进行激光抛光、精整加工，提高壁面和底面的光洁度，其中激光束II为532nm皮秒绿光激光。

步骤S3：采用边缘具有孔的工装，所述工装中央有气动抓取装置，可以抓取、放下预制板，所述工装为钛基高温合金。使用微型机器手控制所述工装抓取预制板，在视觉定位系统(CCD检测器，图中未示出)的辅助下，将预制板放置并覆盖于步骤S2中得到的基体的微通道的上方，并刚好嵌入且封闭所述凹缘结构。本实施例1中预制板为与基体材料相同的薄壁金属，即图1中S3所示的薄壁金属。所述薄壁金属的厚度与所述凹缘的深度一致，使得将所述薄壁金属嵌入并封闭所述凹缘后的基体上表面为平面。所述薄壁金属厚度为0.5mm。

步骤S4：所述工装向所述预制板施加压力，采用激光束I的红外激光，逐个穿过所述工装的孔对所述预制板的边缘点焊。

步骤S5：移除所述工装，采用激光束I的红外激光沿所述预制板的边缘连续焊接，将所述预制板封装在所述凹槽结构上以得到微通道结构。

图1中，S3示出工装有孔的边缘区域剖面图，孔径0.5mm且大于激光束I的光斑尺寸，相邻孔间距为0.5mm，其俯视图见图2。

图2中第一步对应于图1的S4，图2中第一步可见所述工装覆盖在上面，其边缘预备等间距的方孔，激光束I的红外激光沿图2中第一步的路线扫描，在有方孔的地方点焊以固定所述薄壁金属。

图2中第二步维移除工装后，可见所述薄壁金属边缘的等间距焊点，所示焊点将所述薄壁金属固定在凹槽结构上，且由于有工装的全覆盖施压，点焊后的所述薄壁金属无变形。

图2中第三步，激光束I的红外激光沿图2中第三步的路线扫描，连续焊接，以将所述薄壁金属连续、封闭的焊接在凹槽结构上，且点焊后的所述薄壁金属无变形，连续焊接时本实施例的点焊间距保持连续焊接时的所述薄壁金属亦无变形。

图2中第四步，示出连续焊接后，封装完成的所述薄壁金属，其边缘被封闭焊接，完成了对所述凹槽结构的封装，得到了微通道结构。

实施例2

与实施例1的操作相同，只是其中的工装边缘为圆形孔，孔间距为0.01mm，所述薄壁金属厚度为0.1mm。图1中步骤S5焊接后的所述薄壁金属表面平整无变形。

实施例3

与实施例1的操作相同，只是其中的工装边缘为椭圆孔，孔间距为0.4mm，所述薄壁金属厚度为1mm。图1中步骤S5焊接后的所述薄壁金属表面平整无变形。

实施例4

与实施例1的操作相同，只是其中的工装边缘为方形缺口，所述工装中间具有电磁吸附装置，以吸附和放下所述薄壁金属。工装的孔间距为0.6mm，图1中步骤S5焊接后的所述薄壁金属表面平整无变形。

实施例5

与实施例1的操作相同，只是其中的工装边缘为椭圆孔，孔间距为1mm，图1中步骤S5焊接后的所述薄壁金属表面平整无变形。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。