一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置及方法与流程

本发明涉及同步送粉的激光金属增材制造方法，具体为一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置及方法。

背景技术：

同步送粉激光金属增材制造技术作为制造业的一个新兴技术领域，近年来获得了迅速地发展。其原理是先在计算机中生成零件的三维CAD实体模型，然后将模型按一定的厚度分层切片，把零件的三维形状数据信息转换为一系列二维平面轮廓信息，随后在数控系统控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属材料按照一定的填充路径在一定的基材上逐点填满给定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成三维实体零件。相比于传统制造技术，其具有无模具、高柔性、短周期、成形结构复杂等一系列优点。因此，该技术在航空、航天、模具等领域具有广阔的应用前景。

目前同步送粉激光增材制技术基本采用不变熔宽的增材制造方式，往往存在高效率低精度，高精度低效率的技术瓶颈。一方面，为了提高精度通常采用小激光光斑实现小熔宽熔覆，由单道或多道搭接实现较高精度的构件成形，因而成形件的精度较高但效率偏低；另一方面，为了提高效率通常采用大激光光斑实现大熔宽熔覆，因而成形件的效率较高但精度相应下降。另外，针对金属构件不同壁厚，采用不同数量多道搭接的方式实现，因而大大减低了成形的效率，并影响成形质量。针对不同壁厚的成形，目前国内外已经发展了变光斑增材制造的技术，通过动态改变光斑的大小来控制熔道宽度，进而实现一些宽度变化构件的形状适应性形成甚至是一道成形，避免了扫描路径与搭接率对成形质量的影响，同时提高了成形效率。其方法包括通过改变聚焦透镜与工作表面的相对距离，以离焦的方式来改变光斑大小，粉末喷嘴与工作表面的相对距离保持不变，其粉斑大小不变。然而，根据同步送粉激光增材制造的激光与粉末的交互作用及沉积过程的研究，实际成形过程中光斑尺寸-粉斑尺寸-其他成形工艺参数必须有较好的匹配才能实现良好的成形效果。仅仅动态调整激光光斑的尺寸，而不同步控制粉末的输送将不能保证变熔宽成形的成形质量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置及方法，能够根据熔覆宽度要求自行调整光斑大小，并同步改变粉斑大小，使光斑与粉斑大小相适应，且整个调整过程为无极自动调整，精度高，可靠性强。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置，包括连接接头，分别固定在连接头上端和下端的激光聚焦头和套筒，滑动套设在套筒外部的移动套筒，固定在移动套筒下端的送粉喷嘴，以及用于放置工件的数控工作台；激光聚焦头用于通过聚焦镜在工件加工表面形成光斑；送粉喷嘴用于将粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑；光斑和粉斑中心始终重合；数控工作台用于带动工件相对于聚焦镜做空间移动控制离焦距离，调控光斑大小；移动套筒上设置有驱动装置，驱动装置用于通过移动套筒带动送粉喷嘴上下移动，调控粉斑大小。

优选的，套筒一侧开孔连接送气管，送气管的另一端连接氩气源。

优选的，套筒外壁和移动套筒内壁之间呈间隙设置。

优选的，所述驱动装置由伺服电机和连接在伺服电机输出轴上的将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置构成。

一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造方法，基于本发明所述的装置，其包括如下步骤，

步骤1，通过实验测量和光学几何计算获取工件加工表面光斑大小与聚焦镜到工件加工表面的距离Z之间的对应关系，以及粉斑大小与送粉喷嘴到工件加工表面的距离z之间的对应关系；

步骤2，通过工艺实验和熔覆层几何尺寸测量，建立包括熔覆层尺寸、光斑大小和粉斑大小三个数据之间的对应关系的工艺数据库，并基于工艺数据库的数据建立熔覆层尺寸可控的光斑和粉斑协同控制策略；

步骤3，建立工件三维CAD模型，并对工件三维CAD模型进行分层处理，根据每层的层面轮廓信息，规划熔覆宽度和扫描路径；

步骤4，从步骤3中得到的每层的扫描路径中，选择当前熔覆层的扫描路径，按照扫描路径中不同区域的熔覆层尺寸的要求，根据步骤2中得到的工艺数据库和协同控制策略，确定光斑与粉斑大小以及其他工艺参数；然后由步骤1中的对应关系得到在竖直方向上聚焦镜与工件加工表面的距离Z以及送粉喷嘴与工件加工表面的距离z；

步骤5，在熔覆成形时，通过控制移动套筒上的驱动装置M调控送粉喷嘴的工作距离，同时通过控制数控工作台控制聚焦镜工作距离、扫描路径及层间的下移量；根据步骤4中所得到的距离数据对工件和送粉喷嘴位置进行实时连续调节；根据已知的熔覆层尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，从而获得设计需求的当前熔覆层尺寸，完成当前层的成形；

步骤6，完成当前熔覆层后，降低数控工作台一个分层的高度，在已成形的熔覆层上面按照步骤4和步骤5的方法再熔覆新的熔道，循环操作直至工件制造完成。

优选的，步骤4中熔覆层尺寸与工艺参数的关系能够预先通过实验获得；实验时，在不同的光斑大小、粉斑大小、激光功率、扫描速度和送粉量条件下进行熔覆，然后测量确定熔覆层尺寸，得到熔覆层尺寸与工艺参数的对应关系。

优选的，步骤4中，当熔覆过程中所需要的熔覆宽度变化范围在光斑、粉斑及其他工艺参数协同调整范围内时，可根据步骤4中所得到的数据通过控制驱动装置和数控工作台，连续改变聚焦镜与工件表面的距离以及送粉喷嘴与工件表面的距离，进而连续改变光斑与粉斑的大小。

进一步，步骤4中，当熔覆过程中所需要的熔覆宽度变化范围超出光斑、粉斑及其他工艺参数协同调整范围内时；根据步骤3中所得到的数据，通过离焦的方式分别对聚焦镜和送粉喷嘴相对工件表面的距离进行在线调节，先通过第一光斑及其对应的粉斑，熔覆成形外形轮廓，再通过第二光斑以及其对应的粉斑熔覆填充工件内部，第一光斑的大小小于第二光斑的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过增加一个独立的驱动装置，利用粉末流的汇聚和发散特性控制加工表面上粉斑的大小，利用现有的数控工作台完成光斑大小、熔覆路径及层间下移量的控制。在变熔宽的熔覆过程中同步改变光斑与粉斑的大小，实现光斑与粉斑的良好匹配，使熔覆过程更加稳定，提高熔覆精度，保证成形表面和内部质量。通过激光光斑和粉斑的同步协同调整，实现兼顾效率和精度的高质量同步送粉激光增材制造。

进一步的，本发明所述装置，通过氩气保护，能够保证装置内腔为正压，防止烟雾、粉尘等污染光路；通过套筒和移动套筒之间的间隙，以保证套筒可自由上下移动。

本发明所述方法在熔覆层尺寸超出调整范围的厚大工件成形时，采用轮廓扫描和填充扫描相结合的路径成形，通过在同一熔覆层利用较小的光斑及其对应的粉斑熔覆成形外形轮廓以确保外表面尺寸精度，利用较大的光斑以及其对应的粉斑熔覆填充工件内部，从而在保证成形精度和质量的前提下，提高成形效率。

附图说明

图1是本发明实例中所述装置的结构示意图。

图2是本发明实例一中对变壁厚构件单道成形的示意图。

图3a是本发明实例二中调控第一光斑及对应粉斑对工件轮廓进行熔覆示意图。

图3b是本发明实例二中调控第二光斑及相适应粉斑对工件内部进行熔覆填充示意图。

图4是本发明实例中所述方法的工艺流程图。

图中：连接接头1，套筒2，送气管3，移动套筒4，送粉喷嘴5，激光聚焦头6，数控工作台7。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种光斑与粉斑可控的激光金属增材制造装置，如图1所示，包括连接接头1，固定在连接头1下端的套筒2，套筒2外部为移动套筒4，连接接头1上端连接激光聚焦头，激光聚焦头通过聚焦镜在工件加工表面形成光斑，送粉喷嘴5将粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑，光斑和粉斑中心始终重合。待加工工件放置在数控工作台7上；工件在数控工作台7的带动下，可随数控工作台7相对于聚焦镜做空间运动，从而实现激光离焦距离的控制(调控加工表面光斑大小)、，熔覆路径的控制及层间下移量的控制；移动套筒4上连接有驱动装置M用于控制送粉喷嘴5上下移动，利用粉末流的汇聚和发散特性控制加工表面上粉斑的大小。

其中，套筒2一侧开孔连接送气管3，送入氩气以保证加工头内腔为正压，防止烟雾、粉尘等污染光路。套筒2和移动套筒4之间留有间隙以保证套筒4可自由上下移动，移动套筒4连接驱动装置，移动套筒4的下端固定送粉喷嘴5，通过控制移动套筒4上下移动带动送粉喷嘴5上下移动。驱动装置由伺服电机M和连接在伺服电机M输出轴上的将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置构成。

本发明一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造方法在进行具体工件成形时，如下两个实施例所述。

实例1

采用本发明所述方法对变壁厚构件单道成形时，如图2所示，其包括以下步骤。

步骤1，通过实验测量和光学几何计算获取工件加工表面光斑大小与聚焦镜到工件加工表面的距离Z之间的对应关系，以及粉斑大小与送粉喷嘴到工件加工表面的距离z之间的对应关系；

步骤2，通过工艺实验和熔覆层几何尺寸测量，建立包括熔覆层尺寸、光斑大小和粉斑大小三个数据之间的对应关系的工艺数据库，并基于工艺数据库的数据建立熔覆层尺寸可控的光斑和粉斑协同控制策略；

步骤3，利用计算机建立三维CAD模型，通过软件对模型进行分层处理，获取工件的各层面轮廓信息。

步骤4，规划激光熔覆成形的空间运动轨迹，将运动信息输入到运动控制系统中。具体方法如下：

将步骤3中得到的层面轮廓信息输入到三维坐标中，根据其轮廓信息规划出熔覆宽度与填充路径，如图2所示，按照熔覆宽度，根据步骤2中得到的工艺数据库和协同控制策略，确定在点O_i(X_i，Y_i)处的光斑及粉斑尺寸；再根据光斑及粉斑尺寸由步骤1中的对应关系，确定点O_i处的聚焦镜与工件表面的距离Z_i和送粉喷嘴与工件表面的距离z_i，这样就得到一组数据O_i(X_i，Y_i，Z_i，z_i)。在点O_j(X_j，Y_j)处光斑粉斑尺寸发生改变，同样Z_j、z_j随之改变，又得到一组数据O_j(X_j，Y_j，Z_j，z_j)。结合其扫描路径和熔覆宽度就会得到这样一串数据O₁，O₂，……，O_n，然后将这些信息输入到运动控制系统中，对激光聚焦镜、送粉喷嘴5和数控工作台7的相对运动进行控制。

步骤5，在熔覆过程中，控制系统按照步骤4中所输入的数据O₁，O₂，……，O_n通过控制数控工作台7和伺服电机M，对工件和送粉喷嘴位置进行实时连续调节。当数控装置控制工件待加工处空间运动到点O_i1(X_i，Y_i，Z_i)，电机M同步控制送粉喷嘴相对于聚焦镜沿Z方向运动到点O_i2(X_i，Y_i，z_i)，光斑与粉斑的尺寸随之改变。根据已知的熔覆层尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，从而获得所需的熔覆层尺寸，完成当前熔覆层的激光成形；其中，工艺参数包括光斑大小、粉斑大小、激光功率、扫描速度和送粉量。

步骤6，完成一层后，降低加工台一个分层的高度，在已经熔覆层上按照步骤4和5再熔覆新的熔道，如此循环直至三维零件制造完成。

实例2

采用本发明所述方法提高激光增材制造在成形厚大构件时的成形效率与精度，如图4所示，其具体包括以下步骤：

步骤1，通过实验测量和光学几何计算获取工件加工表面光斑大小与聚焦镜到工件加工表面的距离Z之间的对应关系，以及粉斑大小与送粉喷嘴到工件加工表面的距离z之间的对应关系；

步骤2，通过工艺实验和熔覆层几何尺寸测量，建立包括熔覆层尺寸、光斑大小和粉斑大小三个数据之间的对应关系的工艺数据库，并基于工艺数据库的数据建立熔覆层尺寸可控的光斑和粉斑协同控制策略；

步骤3，利用计算机建立三维CAD模型，通过软件对模型进行分层处理，获取工件的各层面轮廓信息。

步骤4，规划激光熔覆成形的空间运动轨迹，将运动信息输入到运动控制系统中。具体方法如下：

将步骤3中得到的层面轮廓信息输入到三维坐标中，根据其轮廓信息规划出熔覆宽度与扫描路径，如图3a和图3b所示，采用轮廓扫描和填充扫描相结合的路径成形。轮廓扫描采用较小的熔覆宽度d以确保表面尺寸精度，如图3a所示，按照熔覆宽度d，根据步骤2中得到的工艺数据库和协同控制策略，确定轮廓扫描时的第一光斑及粉斑尺寸，再根据第一光斑与粉斑尺寸由步骤1中的对应关系，确定熔覆时聚焦镜与工件表面的距离Z1和送粉喷嘴与工件表面的距离z1。填充扫描采用较大的熔覆宽度D以提高成形效率，如图3b所示，按照熔覆宽度D，根据步骤2中得到的工艺数据库和协同控制策略，确定填充扫描的第二光斑及粉斑尺寸，再根据第二光斑与粉斑尺寸由步骤1中的对应关系，确定熔覆时聚焦镜与工件表面的距离Z2和送粉喷嘴与工件表面的距离z2。然后将这些信息输入到运动控制系统中，对激光聚焦镜、送粉喷嘴5和数控工作台7的相对运动进行控制。

步骤5，在熔覆过程中，控制系统按照步骤4中所输入的数据，通过控制设备原有的数控装置数控工作台7和伺服电机M，对工件和送粉喷嘴位置进行实时连续调节，光斑与粉斑的尺寸随之改变。根据已知的熔覆层尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，从而获得所需的熔覆层尺寸，完成当前熔覆层的激光成形。

步骤6，完成一层后，降低加工台一个分层的高度，在已经熔覆层上按照步骤4和5再熔覆新的熔道，如此循环直至三维零件制造完成。

实例中，步骤1和2所得到的对应关系与工艺数据库，对同一设备上进行不同零件的成形都是适用的，对于同一设备多个不同零件的成形时，只需要在设备第一次运行时执行，后续的零件成形可直接从步骤3开始。