一种激光模式调控的铝合金增材制造方法

本发明属于金属增材制造，具体涉及一种激光模式调控的铝合金增材制造方法。

背景技术：

1、大多数铝合金，如2系、4系、7系铝合金在直接能量沉积(direct energydeposition，ded)增材制造成形后成形质量差，例如尺寸精度较差、几何偏差较大，内部冶金质量欠佳，很大程度上限制了ded铝合金的实际工程应用。主要原因如下：铝合金熔点低(～600℃)，合金熔体表面张力梯度大，加之产生大量的等离子体与激光相互作用使激光功率在目标表面呈周期性波动，导致熔池发生不稳定性扰动；合金相对密度低(～2.8g/cm3)，粉末不易汇聚到熔池内；主要合金成分沸点低，并且最重要的是ded技术中常规高斯激光能量不均，光斑中心区域能量密度大，易使合金元素大量蒸发，熔池对流强，沉积层易发生塌陷。

2、目前针对ded增材制造铝合金成形质量提升的研究大部分集中在基于激光功率、扫描速度、送粉量等常规工艺参数优化上。结果表明，通过调整工艺参数控制热输入可以减小等离子体的影响，但难以减小温度梯度，从而获得稳定的熔池，对成形精度与冶金质量的提升具有局限性。此外，工艺参数优化过程中的可调控参数多，外部环境因素多，实验过程繁琐，且对于不同设备和不同构件几何结构的适应性差，灵活性欠佳，难以在较短时间内实现ded铝合金增材制造可加工性提升及成形质量改善的目的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，以解决现有技术中仅通过调整传统工艺参数而难以获得优异成形精度和冶金质量的ded铝合金问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，包括以下步骤：

4、激光器输出高斯激光；

5、高斯激光经过扩束后再经离轴抛物准直镜准直，从离轴抛物准直镜反射出的激光经过离轴抛物积分镜反射，获得目标形状的光斑，高斯激光转变为平顶激光；离轴抛物准直镜和离轴抛物积分镜平行设置，高斯激光和平顶激光的轴线平行；

6、平顶激光作用于同时出射的粉末上，按照设定程序和路线进行激光熔覆成形。

7、本发明的进一步改进在于：

8、优选的，所述平顶激光经过光斑微调装置后，输出光斑和粉斑重合。

9、优选的，通过更换离轴抛物积分镜，调整光斑的形状。

10、优选的，通过调整激光功率和光斑面积，使得高斯激光和转变后的平顶激光线能量密度不变。

11、优选的，按照设定程序和路线进行激光熔覆成形过程中，随着熔覆沉积层数的增加，逐渐降低高斯激光的功率，最终降低至输出高斯激光的功率为初始功率的60-70％。

12、优选的，所述离轴抛物准直镜和离轴抛物积分镜设置于腔体中；腔体的内部在高斯激光输入处设置有第一窗口保护镜片，腔体的内部在平顶激光输出处设置有第二窗口保护镜片。

13、优选的，所述腔体的外部设置有qbh接口密封保护模块，qbh接口密封保护模块通过接口水冷装置冷却。

14、优选的，所述腔体中通入有烟尘处理装置。

15、优选的，所述离轴抛物准直镜和离轴抛物积分镜均通过水冷装置冷却。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明公开了一种基于激光模式调控的铝合金直接能量沉积(ded)增材制造方法，该方法在激光光路上设置了离轴抛物准直镜和离轴抛物积分镜，使得高斯激光能够转换为平顶激光。相比于传统高斯分布热源，在特定目标下改变能量分布与光斑形状可以减小温度梯度，削弱熔池内的马兰戈尼力，缓解熔体的不稳定波动问题。与常规基于加工参数的成形质量优化方案相比，本发明着眼于激光热源的模式调控，聚焦于熔体内的对流与温度场，可控性更强；使用激光模式调控技术，在给定激光器上应用时仅需更换熔覆头，其调控灵活性高，操作简便。综上，本发明所用方法能更精准、有效地优化ded铝合金的成形精度和冶金质量。

18、该方法改善现有激光高斯热源下深熔及强对流对铝合金成形质量的不利影响，通过调整光场模式以针对性调整熔体温度梯度与流动状态，从而提升对ded增材制造铝合金成形精度、冶金质量、微观组织与力学性能的优化与主动控制能力。

技术特征：

1.一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，所述平顶激光经过光斑微调装置(10)后，输出光斑和粉斑重合。

3.根据权利要求1所述的一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，通过更换离轴抛物积分镜(8)，调整光斑的形状。

4.根据权利要求1所述的一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，通过调整激光功率和光斑面积，使得高斯激光和转变后的平顶激光线能量密度不变。

5.根据权利要求1所述的一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，按照设定程序和路线进行激光熔覆成形过程中，随着熔覆沉积层数的增加，逐渐降低高斯激光的功率，最终降低至输出高斯激光的功率为初始功率的60-70％。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，所述离轴抛物准直镜(6)和离轴抛物积分镜(8)设置于腔体(13)中；腔体(13)的内部在高斯激光输入处设置有第一窗口保护镜片(3)，腔体(13)的内部在平顶激光输出处设置有第二窗口保护镜片(12)。

7.根据权利要求6所述的一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，所述腔体(13)的外部设置有qbh接口密封保护模块(1)，qbh接口密封保护模块(1)通过接口水冷装置(2)冷却。

8.根据权利要求6任意一项所述的激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，所述腔体(13)中通入有烟尘处理装置。

9.根据权利要求1所述的一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，其特征在于，所述离轴抛物准直镜(6)和离轴抛物积分镜(8)均通过水冷装置冷却。

技术总结
本发明公开了一种激光模式调控的铝合金增材制造方法，该方法在激光光路上设置了离轴抛物准直镜和离轴抛物积分镜，使得高斯激光能够转换为平顶激光。相比于传统高斯分布热源，在特定目标下改变能量分布与光斑形状可以减小温度梯度，削弱熔池内的马兰戈尼力，缓解熔体的不稳定波动问题。与常规基于加工参数的成形质量优化方案相比，本发明着眼于激光热源的模式调控，聚焦于熔体内的对流与温度场，可控性更强；使用激光模式调控技术，在给定激光器上应用时仅需更换熔覆头，其调控灵活性高，操作简便。综上，本发明所用方法能更精准、有效地优化DED铝合金的成形精度和冶金质量。

技术研发人员：赵宇凡,史东来,林鑫
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6