一种激光增材装置及其增材制造的方法与流程

本发明涉及激光增材制造技术领域，特别涉及一种激光增材装置及其增材制造的方法。

背景技术：

增材制造技术又称为3d打印技术，近年来引起了众多学者的广泛关注，被称为“第三次工业革命”。在众多增材制造的方法中，激光增材制造(lam)又是制备性能优异净形金属构件的一种较为先进的制造方法，目前已广泛应用于汽车、航空航天、军事装备已经医疗等领域。目前，国内外众多学者已经在激光增材制造技术研究领域取得了很大的进展，利用该技术已经成功制备出性能较好的镍基合金、钛合金、不锈钢等材料的合金构件。

但是，在激光增材制造构件过程中，通常会面临一些共性的问题，如在增材构件内部会出现不完全熔化、气孔夹杂物、孔隙、裂纹、晶粒组织粗大等冶金缺陷；由于其“快冷快热”的特性，在构件内部还会产生较大的残余拉应力和元素偏析等；因此，随着激光复合加工技术的发展，很多学者通过外加能场辅助激光增材制造的方法来改善增材构件的综合性能。根据国内外现有的研究和报道，通常使用外加交叉磁场的方式作用在熔池中达到细化微观组织的目的；但是该磁场为静态形式，在运行过程中磁场能量保持不变，无法实时调控，而且磁场与熔池为非接触式影响，对熔池内部的作用效果有限；当前，激光增材制造所使用的光束均为直射激光束，直线激光束内部能量分布不均，会导致熔道边界不清晰、不规则，沉积层平整度差，层间结合强度低，进而严重影响构件的力学性能。

激光加工工艺参数以及激光设备是影响增材构件性能的重要因素，为了获得综合性能优异的激光增材构件，通常尝试众多的工艺参数后，对所制备的增材构件进行后期检测对比，优选出最佳的一个。激光增材成本较高，通过大量的样本检测，必然费时、费力并且大大提高生产成本。

通过对国内外文献进行检索，目前众多研究学者主要集中在通过外加电场或磁场的方法来调控构件的微观组织性能。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光增材装置及其增材制造的方法，可以解决熔池内部容易发生元素偏析、气体无法排出、组织不均匀、热应力集中等缺陷。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光增材装置，包括旋转光束激光装置和高频短脉冲激光装置；

所述旋转光束激光装置输出旋转的连续激光，所述连续激光用于将材丝熔化沉积在基材表面；

所述高频短脉冲激光装置输出高频短脉冲激光，所述高频短脉冲激光用于向熔池中输入脉冲激光束。

进一步，还包括所述辅助电流装置；所述辅助电流装置用于使材丝与熔池构成电流回路，用于使熔池内部直接产生强电磁力。

进一步，所述旋转光束激光装置包括连续激光发生器、第一高精度机械手臂和连续激光器激光头；所述连续激光发生器与连续激光器激光头相连；所述连续激光器激光头安装在第一高精度机械手臂上；送丝机用于向所述连续激光器激光头内输送材丝。

进一步，所述连续激光器激光头中内置旋光模组，用于生成旋转光束。

进一步，所述高频短脉冲激光装置包括高频短脉冲激光发生器、高频短脉冲激光头和第二高精度机械手臂；所述高频短脉冲激光发生器与所述高频短脉冲激光头相连；所述高频短脉冲激光头安装在第二高精度机械手臂上；所述高频短脉冲激光头位于所述连续激光器激光头旁侧，且所述高频短脉冲激光头对准基材表面的准熔池，用于向所述熔池中持续提供脉冲激光束。

进一步，所述辅助电流装置包括电源装置和附加滚动电极；所述电源装置一端与材丝相连，所述电源装置另一端与附加滚动电极连接，所述附加滚动电极位于所述熔池后侧，且与沉积层表面相接触，构成电流回路。

进一步，还包括信息采集系统；所述信息采集系统包括高速摄像机、照明装置、光谱仪探头、光谱仪和同步信号发生器；所述高速摄像机位于熔池附近，所述光谱仪探头用于测量所述熔池内产生的等离子体/金属蒸汽，所述光谱仪用于采集所述光谱仪探头测得的数据；所述高速摄像机、照明装置和光谱仪与同步信号发生器相连，保证所述高速摄像机采集图像时，所述照明装置处于照明状态，并且保证所述高速摄像机和所述光谱仪同时采集数据。

进一步，还包括高频感应加热系统；所述高频感应加热系统包括高频感应加热线圈和高频感应加热电源，所述高频感应加热线圈位于基材底部，所述高频感应加热电源和高频感应加热线圈相连，用于加热基材。

一种激光增材装置用于增材制造的方法，包括如下步骤：

通过旋转光束激光装置输出旋转的连续激光，将材丝熔化沉积在基材表面；

通过高频短脉冲激光装置向熔池中输入高频短脉冲激光；

进一步，还包括如下步骤：

熔池内部产生电磁：通过使材丝与熔池构成电流回路，使熔池内部直接产生强电磁力；

预热基材：通过高频感应加热系统给基材预热；

沉积层质量在线监测：通过信息采集系统实时检测所述熔池内产生的等离子体/金属蒸汽，判断沉积层质量，控制计算机根据判断结果动态调整旋转光束激光装置、高频短脉冲激光装置和辅助电流装置的参数。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的激光增材装置，通过连续激光器激光头中内置旋光模组，在增材制造过程光束旋转，保证单个熔池内部能量和温度场分布均匀，解决了直线光束能量分布不均匀，导致熔道边界不清晰、不规则，沉积层平整度差，层间结合强度低等问题。

2.本发明所述的激光增材装置，连续光束旋转可以确保单个熔池内部能量和温度场分布均匀，有利于电流在熔池内部产生均匀的电磁场，而且，熔池内部金属液体随着焦点的旋转而旋转，实现熔池内部充分、均匀搅拌。

3.本发明所述的激光增材装置，通过附加电极向熔池中提供辅助电流，对熔池内部直接产生强电磁力，且电流不易通过基体材料而损失，促进熔池内部液态金属快速可控流动以达到热量平衡分布的目的。

4.本发明所述的激光增材装置，通过高频短脉冲激光束直接作用在熔池内部，使熔池内部产生空化、破碎效果，协同电磁力和旋转光束对熔池的作用，三者耦合对熔池进行均匀充分搅拌，达到消除或抑制构件内部的各类冶金缺陷、释放热应力的目的。

5.本发明所述的激光增材的方法，提出以熔池中等离子体/金属蒸气的状态为判据，判定沉积层质量好坏情况。利用高速摄像机和光谱仪对熔池内的等离子体/金属蒸气信息进行采集，将所采集的信息传输至控制计算机，根据等离子体/金属蒸气信息知悉熔池内部情况，判断沉积层的质量性能，根据判断结果，实时调控高频短脉冲激光参数、连续激光参数、辅助电源参数和光束旋转参数，整个装置形成闭环系统，实现了系统化、自动化和智能化，节约了制备时间和成本，提高了效率和质量。

6.本发明所述的激光增材装置，通过高频短脉冲激光、高密度电流，协同旋转激光束同时对熔池进行搅拌作用，并通过高速摄像机和光谱仪对熔池内的等离子体/金属蒸气信息进行采集，将所采集的信息传输至控制计算机，根据等离子体/金属蒸气信息知悉熔池内部情况，判断沉积层的质量性能，根据判断结果，实时调控高频短脉冲激光参数、连续激光参数、辅助电源参数和光束旋转参数，达到抑制冶金缺陷、优化微观组织、提高增材构件力学性能目的。

附图说明

图1为本发明激光增材装置示意图。

图2为本发明所述的激光增材的装置局部俯视图。

图3为不同方法所制备增材构件的残余应力对比图。

图4为不同方法所制备增材构件的抗拉强度对比图。

图5为现有技术中的激光增材制造方法所制备钛合金构件微观组织形貌。

图6为本发明所制备钛合金构件微观组织形貌。

图中：

1-连续激光发生器；2-第一高精度机械手臂；3-高频短脉冲激光发生器；4-高频短脉冲激光头；5-第二高精度机械手臂；6-送丝机；7-电源装置；8-附加滚动电极；9-连续激光器激光头；10-熔池；11-高频感应加热线圈；12-沉积层；13-基材；14-高频感应加热电源；15-控制计算机；16-高速摄像机；17-同步信号发生器；18-光谱仪；19-等离子体/金属蒸汽；20-照明装置；21-光谱仪探头。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述的激光增材装置，包括旋转光束激光装置、高频短脉冲激光装置、辅助电流装置、信息采集系统、高频感应加热系统、控制计算机15。

所述旋转光束激光装置包括连续激光发生器1、第一高精度机械手臂2、送丝机6和连续激光器激光头9；所述连续激光发生器1与连续激光器激光头9相连，为其提供连续激光光源；所述连续激光器激光头9中内置旋光模组，激光束在发射过程中生成旋转光束；所述连续激光器激光头9安装在第一高精度机械手臂2上；所述送丝机6向旋转连续激光束中心处输送材丝并至沉积在基材表面，为光内同轴送丝；通过连续激光器激光头9中内置旋光模组，在增材制造过程光束旋转，保证单个熔池10内部能量和温度场分布均匀，解决了直线光束能量分布不均匀，导致熔道边界不清晰、不规则，沉积层平整度差，层间结合强度低等问题。

所述高频短脉冲激光装置包括高频短脉冲激光发生器3、高频短脉冲激光头4和第二高精度机械手臂5，所述高频短脉冲激光发生器3与所述高频短脉冲激光头4相连，为其提供脉冲激光光源，所述高频短脉冲激光头4安装在第二高精度机械手臂5上；所述高频短脉冲激光头4位于所述连续激光器激光头9旁侧，对准熔池10，向所述熔池10中持续提供脉冲激光束；通过高频短脉冲激光束直接作用在熔池10内部，使熔池10内部产生空化、破碎效果，协同电磁力和旋转光束对熔池的作用，三者耦合对熔池进行均匀充分搅拌，达到消除或抑制构件内部的各类冶金缺陷、释放热应力的目的。

所述辅助电流装置包括电源装置7和附加滚动电极8。所述电源装置7的一个输出级与材丝相连，另一个输出级与位于熔池10后侧与沉积层表面相接触的附加滚动电极8相连，电流通过熔池，构成电流回路。所述附加滚动电极8固定在所述连续激光器激光头9旁侧，并与所述高频短脉冲激光头4不相干涉；通过附加电极向熔池中提供辅助电流，对熔池内部直接产生强电磁力，且电流不易通过基体材料而损失，促进熔池内部液态金属快速可控流动以达到热量平衡分布的目的。

所述信息采集系统包括位于熔池10旁侧的高速摄像机16、照明装置20、光谱仪探头21、光谱仪18和同步信号发生器17。设置于所述熔池10附近的光谱仪探头21对准所述等离子体/金属蒸汽19，光谱仪18与所述光谱仪探头21相连，采集所述光谱仪探头21测得的数据；所述高速摄像机16、照明装置20和光谱仪18与同步信号发生器17相连，保证所述高速摄像机16采集图像时，所述照明装置20处于照明状态，并且保证所述高速摄像机16和所述光谱仪18同时采集数据。提出以熔池10中等离子体/金属蒸气19的状态为判据，判定沉积层质量好坏情况。利用高速摄像机16和光谱仪18对熔池10内的等离子体/金属蒸气19信息进行采集，将所采集的信息传输至控制计算机15，根据等离子体/金属蒸气19信息知悉熔池10内部情况，判断沉积层12的质量性能，根据判断结果，实时调控高频短脉冲激光参数、连续激光参数、辅助电源参数和光束旋转参数，整个装置形成闭环系统，实现了系统化、自动化和智能化，节约了制备时间和成本，提高了效率和质量。所述信息采集系统的高速摄像机16拍摄速度最高达到每秒40000帧，动态范围高达160db；所述光谱仪18可测量波长范围为200-1100nm，最高分辨率为0.04nm。

所述高频感应加热系统包括高频感应加热线圈11和高频感应加热电源14。所述高频感应加热电源14和高频感应加热线圈11相连，为其提供电能，对放置在高精度二维移动平台上的基材13进行加热；所述高精度二维移动平台可在水平平面内作x、y方向移动或x和y方向联动。

所述旋转光束激光装置、高频短脉冲激光装置、辅助电流装置、信息采集系统、高频感应加热系统、高精度二维移动平台均与控制计算机15相连。所述信息采集系统将获得的信息反馈至控制计算机15，控制计算机15实时调整旋转光束激光装置、高频短脉冲激光装置、送丝系统、辅助电流装置的工艺参数，完成材料沉积。

下面以激光增材制造钛合金为例，使用本发明中一种激光增材的方法，设备示意图如图1所示。具体步骤包括：

a.在控制计算机15中建立增材构件的三维模型，利用内置软件对模型进行切片处理，获取构件的剖面轮廓信息，根据形状信息在控制计算机15中编制完成连续激光束扫描路径；

b.对高精度二维移动平台、连续激光发生器1、高频短脉冲激光发生器3进行初始化设置；

c.打开高频感应加热电源14，设置高频感应加热线圈11温度值，对基材进行预热，使基材温度达到300℃；

d.待基材预热至指定温度后，打开高速摄像机16、照明装置20、光谱仪探头21、光谱仪18和同步信号发生器17；

e.打开连续激光发生器1、高频短脉冲激光发生器3、送丝机6和电源装置7，实现高频短脉冲激光-电流耦合辅助旋转光束激光增材制造加工；初始连续激光发生器参数设置为：激光功率为1500w，光斑直径为2mm，搭接率为50％，送粉率为25g/min；旋光模组设置为：旋转评率1500min^-1，光束偏转角度3°，旋转光束路径半径为1.5mm；初始高频短脉冲激光发生器参数设置为：中心波长为1030nm，最大输出功率80w，脉冲输出能量80μj,脉宽为100fs。初始送丝速度为900mm/min；初始电源装置电流设置为100a。

f.在增材制造过程中，根据高速摄像机16、光谱仪探头21所获得的等离子体/金属蒸汽19信息，判定沉积层12质量，实时调整连续激光发生器1、高频短脉冲激光发生器3、送丝机6和电源装置7的工艺参数。

g.待增材制造加工结束后关闭所有设备。

利用普通激光增材制造、电磁辅助激光增材制造和本发明方法所制备的块状钛合金试样残余应力和抗拉强度测量情况分别如图3和4所示，图中发现，利用本发明装置和方法所制备的钛合金具有最低的残余应力和最大的抗拉强度；观察显微组织表明。图3和图4中，最右侧的图为根据本发明的方法制作的钛合金试样。

如图5所示，普通激光增材制造方法所制备钛合金组织晶粒粗大，晶粒组织分布不均匀，呈各向异性，并且出现了明显的气孔、裂纹等缺陷；如图6所示，本发明所述的激光增材方法中结合高频短脉冲激光、高密度电流，协同旋转激光束，三者耦合辅助激光增材制造所制备的钛合金组织致密均匀，晶粒细小，没有出现气孔、裂纹等缺陷，能够显著提高钛合金的综合力学性能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。