调节激光增材制造或再制造时应力的激光调控装置及方法与流程

本发明涉及激光增材制造/再制造领域，特别是涉及一种在对工件实现激光增材制造/再制造过程中，同时利用激光消除当前加工点应力的激光调控装置，以及利用激光调控装置对工件实现应力调控的方法。

背景技术：

激光增材制造/再制造技术源于激光熔覆技术，其能够有效应用于装备零件快速恢复服役性能，提升零件保障能力。该技术以金属粉末为原料，采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而成型/修复金属零件。

这一物理过程涉及到非平衡态的熔凝过程，因此，成型后的材料存在一定的残余应力甚至明显的变形。该问题从加工工艺上看，是可以通过调整优化工艺参数来使变形极小化来达到消除的目的。但不同的成型零件所对应的最优工艺参数往往不同，所以优化方法往往难以实现，即难以保证所采用的工艺参数为全局最优参数。另一方面，从力学上看，在制造/再制造过程中，加工所导致的材料温度场的实时分布不尽相同，因此其加工过程中的应力场演化以及修复后的残余应力分布也不尽相同，这也是应力难以消除的一个原因。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在对工件实现激光增材制造/再制造过程中，同时利用激光消除当前加工点应力的激光调控装置，以及利用激光调控装置对工件实现应力调控的方法。

特别地，本发明提供一种调节激光增材制造/再制造时应力的激光调控装置，包括：

加工仓，为密封且充有环境气氛的盒状结构；

激光系统，根据预先模拟的工艺参数集，对放置在所述加工仓内的工件进行激光增材制造/再制造和激光应力调控，且每个加工点为激光增材制造/再制造和激光应力调控交替进行；其中，激光增材制造或再制造采用高功率激光光束，激光应力调控为低功率密度激光光束；

振镜，用于反射调整激光增材制造/再制造的激光和激光应力调控的激光位于工件上的加工位置。

在本发明的一个实施方式中，所述加工仓内还安装有放置所述工件的工作台，所述工作台为可调整角度的单轴工作台或多轴工作台。

在本发明的一个实施方式中，所述环境气氛为排除空气后的抽真空状态，或充满不发生反应的气体环境。

在本发明的一个实施方式中，所述激光系统包括对工件实现激光增材制造/再制造的高功率激光器，和用于对工件进行激光应力调控的低功率激光器。

在本发明的一个实施方式中，所述高功率激光器的功率以能够达到当前工件的激光增材制造/再制造为标准，所述低功率激光器的功率以能够调整当前工件激光增材制造/再制造时产生的应力为标准。

在本发明的一个实施方式中，所述振镜至少为两块，以分别反射所述高功率激光器和所述低功率激光器。

在本发明的一个实施方式中，所述工艺参数集在加工前由计算机模拟分析确定，包括高功率激光器实现激光增材制造/再制造和低功率激光器实现激光应力调控时的功率、光斑半径、扫描速度、扫描路径、脉冲频率和占空比参数。

在本发明的一个实施方式中提供一种调节前述激光调控装置的方法，包括如下步骤：

步骤1、利用计算机对净成型对象/待修复对象建立几何模型，然后将几何模型导入有限元分析模块中进行参数预估，得到初始参数集；

步骤2、按照初始参数集实施仿真过程，计算出净成型对象/待修复对象的成形结果和残余应力，再采用优化算法对初始参数集进行优化形成最终的工艺参数集；

步骤3、将待加工的工件放置在充满指定气氛的加工仓内，通过工作台调整工件在加工时的角度；

步骤4、由中心计算机根据工艺参数集生成加工指令，并依据设定时序将加工指令发给激光系统、振镜以及工作台，通过激光系统循环对工件进行激光增材制造/再制造和激光应力调控，直至完成工件加工。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤3中加工仓内的指定气氛为真空环境，或充满不发生反应的气体环境。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤4中，在对工件进行激光增材制造/再制造期间，如工件当前加工点的应力变化超过预定标准，则直接停止对该加工点的激光增材制造/再制造工作，而直接对该加工点进行应力调控。

本发明通过对工件的激光增材制造/再制造的过程中，利用低功率激光对加工点进行激光应力调控，通过低功率密度的激光热作用，使材料在局部产生非均匀热应力。该热应力与调控前应力叠加从而使材料在局部发生塑性变形，起到降低、调控应力的作用。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的激光调控的结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式的调节激光增材制造或再制造时应力的激光调控装置一般性地包括加工仓1、激光系统2和振镜3。

该加工仓1用于提供工件加工时的工作空间，为密封且充有环境气氛的盒状结构。

该激光系统2根据预先模拟的工艺参数集，对放置在加工仓1内的工件4进行激光增材制造/再制造，并在激光增材制造/再制造的同时，对当前工件的加工点进行激光应力调控，以消除激光增材制造/再制造时当前加工点产生的应力。在具体工作时，每个加工点采用激光增材制造/再制造和激光应力调控交替进行的方式，即对当前加工点先进行激光增材制造/再制造，然后停止，再对当前加工点进行激光应力调控，调控完成后，再继续进行激光增材制造/再制造，两者交替工作，直到完成整个工件4的加工。其中，激光增材制造/再制造和激光应力调控时的激光功率不同，根据待加工的工件4的特性，激光增材制造或再制造可以采用高功率激光光束，激光应力调控为低功率密度激光光束。

该振镜3通过反射的方式，使激光增材制造/再制造的激光22，和激光应力调控的激光21能够准确的照射在工件4上的加工位置。

在工作时，将待加工的工件4放置在加工仓1内，由激光系统2根据预先模拟的工艺参数集控制激光增材制造/再制造的激光22和激光应力调控的激光21对工件进行加热，循环操作，直至工件4的加工完成。

加工仓1内的环境气氛可以是根据加工需要的条件，排除空气或氧气后的抽真空状态或充满不发生反应的气体环境，如惰性气体。

此外，激光增材制造/再制造过程和激光应力调控为分时工作，激光系统2可以采用先激光增材制造/再制造后，然后对工件4进行激光应力调控；也可以在激光增材制造/再制造过程中，必要时中断停机，进行激光应力调控，调控完毕后再继续激光增材制造/再制造，以达到最优化控制最终工件的残余应力的目的。

本实施方式中的工艺参数集，其包括用于激光增材制造/再制造的激光工艺参数和用于激光应力调控的工艺参数，如两种工作过程中的功率、光斑半径、扫描速度、扫描路径、脉冲频率、占空比等参数。对于不同的材料，实际使用的激光器参数范围不尽相同。实际参数依据加工前的模拟分析确定。

一般来说，激光增材制造/再制造针对的典型材料的激光功率在千瓦级别，功率密度通常在10⁵～10⁶w/cm²，而对于特种材料，此参数可以做相应调整。

而激光应力调控针对的典型材料的激光功率密度在10²w/cm²级别，而对于特种材料，此参数同样可以做相应调整，该参数的选择一般需要保障作用温度不超过被处理材料的相变点。

此外，工艺参数集还包括过程工艺参数集等，过程工艺参数集包括激光增材制造/再制造阶段用时，激光应力调控用时等时序参数。

以上参数需要在加工之前，从力学分析的角度出发，针对多物理场演化规律、典型模式、具体案例进行工艺参数优化设计，从而尽可能减小修复后的残余应力。

本发明通过对工件4的激光增材制造/再制造的过程中，利用低功率激光对加工点进行激光应力调控，通过低功率密度的激光热作用，使材料在局部产生非均匀热应力。该热应力与调控前应力叠加从而使材料在局部发生塑性变形，起到降低、调控应力的作用。

在本发明的一个实施方式中，可以在加工仓1内安装放置工件4的工作台5，以使工件4能够随加工的过程调整角度，方便加工，具体的工作台5可以为单轴工作台或多轴工作台。

在本发明的一个实施方式中，实现激光增材制造/再制造和激光应力调控的可以是同一台设备，也可以是两台设备；如对工件4实现激光增材制造/再制造可采用一台高功率激光器，而对工件进行激光应力调控的可以采用一台低功率激光器。

当采用一台激光设备2同时完成激光增材制造/再制造和激光应力调控时，可以通过降低原激光系统的输出功率，进行低功率光束的激光应力调控，然后再恢复或提高激光系统的输出功率，以继续进行激光增材制造/再制造。

具体的高功率激光器的功率以能够达到当前工件4的激光增材制造/再制造为标准；而低功率激光器的功率以能够调整当前工件4激光增材制造/再制造时产生的应力为标准。

在本发明的一个实施方式中，当采用一台激光设备2同时完成激光增材制造/再制造和激光应力调控时，该振镜3可以采用一块；而采用两台激光设备2时，则振镜3可以采用两块，以分别反射高功率激光器和低功率激光器。

如图2所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种调节前述激光调控装置的方法，包括如下步骤：

步骤1、利用计算机对净成型对象/待修复对象建立几何模型，然后将几何模型导入有限元分析模块中进行参数预估，得到初始参数集；

这里的参数预估可以是人为给定(依据经验)，也可以由计算机机器学习模块给出。

步骤2、按照初始参数集实施仿真过程，计算出净成型对象/待修复对象的成形结果和残余应力，再采用优化算法对初始参数集进行优化形成最终的工艺参数集。

该步骤中成型结果需满足成形误差小于设定阈值，而残余应力小于设定极限值；此处阈值和极限值由人工给定。这里的优化算法可以是梯度算法。

步骤3、将待加工的工件放置在充满指定气氛的加工仓内，通过工作台调整工件在加工时的角度。

加工仓内的指定气氛为真空环境，或充满不发生反应的气体环境。

步骤4、由中心计算机根据工艺参数集生成加工指令，并依据设定时序将加工指令发给激光系统、振镜以及工作台，通过激光系统循环对工件进行激光增材制造/再制造和激光应力调控，直至完成工件加工。

在对工件进行激光增材制造/再制造期间，如工件当前加工点的应力变化超过预定标准，则直接停止对该加工点的激光增材制造/再制造工作，而直接对该加工点进行应力调控。

本实施方式的调控方法中一些内容可以参见前述对装置的说明，这里不再重复。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。