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一种具有预热和缓冷功能的激光 增材制造的装置

阅读：1036发布：2020-05-16

专利汇可以提供一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置。该装置包括激光器、光路变换及聚焦系统和用于放置基体的工作台，所述激光器输出的激光束在光路变换及聚焦系统中发生能量分束形成至少两级能量，其中第一级能量用以熔覆加工，最终照射在基体上对应的实心光斑位于整体光斑的中心；第二级能量对应的光斑为围绕所述中心光斑的环形光斑，用以实现预热和缓冷。该装置采用同一激光热源同时实现了激光熔覆、基体预热和熔覆层缓冷，能够有效降低熔覆过程中的温度梯度，减小内应力，抑制裂纹缺陷产生，并且不受成形件尺寸和形状限制。，下面是一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：包括激光器、光路变换及聚焦系统和用于放置基体的工作台，所述激光器输出的激光束在光路变换及聚焦系统中发生能量分束形成两级能量，其中第一级能量用以熔覆加工，最终照射在基体上对应的实心光斑位于整体光斑的中心，记为中心光斑；第二级能量对应的光斑为围绕所述中心光斑的环形光斑，用以实现预热和缓冷。
2.根据权利要求1所述的具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：所述光路变换及聚焦系统包括锥形的分束镜、整体为环形结构的反射镜和用于对透射所述分束镜的激光束聚焦的聚焦镜，所述分束镜、反射镜和聚焦镜与入射的激光束同轴，反射镜的反射面为弧形反射面，激光器输出的激光束入射到分束镜上分为透射光束和反射光束，透射光束最终形成所述中心光斑，反射光束再经所述反射镜反射至中心光斑外围，形成所述环形光斑。
3.根据权利要求2所述的具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：所述分束镜为圆锥形，锥度为90度；相应的，所述透射光束最终形成圆形的中心光斑。
4.根据权利要求2所述的具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：所述反射镜还配置有位置调节机构，用于调节弧形反射面的角度，从而改变环形光斑的尺寸。
5.根据权利要求4所述的具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：所述反射镜由多个分立元件整体组成所述环形结构，所述位置调节机构能够分别独立调节各段弧形反射面的角度。
6.根据权利要求2所述的具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：所述分束镜的材料为K9玻璃或石英，且表面镀膜，以实现部分透射、部分反射。
7.根据权利要求1所述的具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，其特征在于：所述激光器为光纤激光器。

说明书全文

一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造领域，涉及一种激光增材制造的装置。

背景技术

[0002] 激光增材制造技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需要的先进激光加工成形制造技术，它包括以同步送粉为主要技术特征的激光立体成形技术和以粉床为主要技术特征的选区激光熔化技术。其中，激光立体成形技术能够实现高性能致密金属零件的无模快速近成形，并且成形尺寸基本不受限制，还可以实现同一构件上多种材料的任意复合和梯度结构制造。

[0003] 由于激光能量密度高，激光增材制造过程中快速加热和快速冷却会使加工材料产生过大的内应力，容易引起成形件开裂。为了控制成形过程中的热应力，引入预热缓冷技术，基体的预热和熔覆层的缓冷能够有效的减小成形过程中的温度梯度，从而降低成形过程中产生的热应力，抑制裂纹缺陷产生，对获得高质量构件具有重要意义。

[0004] 目前，常用的基体预热方法是采用热电阻丝或者电磁感应等外部热源整体加热基体。在科技论文《基体预热对激光沉积修复GH4169 合金性能的影响》中作者研究发现，基体整体预热至300℃，GH4169合金试样的残余应力有明显的降低。基体整体加热对降低热应力具有一定的作用，但增材制造是逐层堆积成形，随着沉积层数的增加，将造成预热温度不均匀；另外预热装置在增材制造设备集成也存在问题。

[0005] 为了避免基体整体加热带来的不利影响，目前的解决方案主要是增加独立的热源随加工激光同步移动，针对(沿熔覆加工的运动轨迹的)局部进行预热缓冷。例如：

[0006] 中国专利文献CN103774137A采用多激光器实现激光熔覆工艺，其中，第一台激光器用于基体预热，第二台(或多台)激光器用于熔覆加工，第三台用于熔覆层缓慢冷却或不用激光器而自然冷却，该方法能够有效控制熔覆层中的裂纹缺陷和气孔缺陷，但实现成本高，且结构设计复杂。

[0007] 中国专利文献CN102383126A采用两台激光器进行激光熔覆，其中，一台激光器用于熔覆加工，另一台激光器中采用分束镜分出一前一后两束激光(照射位置分别位于熔覆加工光斑的前方和后方)，前激光用于基体预热，后激光用于对形成的涂层进行后热处理。该方案只能在直线熔覆过程中有效，对于具有拐角结构的激光熔覆无法适用，通用性差。

发明内容

[0008] 为了降低激光增材制造过程中产生的热应力、抑制成形开裂，本发明提出一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，通用性好，且工作效率较高。

[0009] 本发明的解决方案如下：

[0010] 该装置包括激光器、光路变换及聚焦系统和用于放置基体的工作台，所述激光器输出的激光束在光路变换及聚焦系统中发生能量分束形成两级能量，其中第一级能量用以熔覆加工，最终照射在基体上对应的实心光斑位于整体光斑的中心，记为中心光斑；第二级能量对应的光斑为围绕所述中心光斑的环形光斑，用以实现预热和缓冷。

[0011] 这样，在激光加工过程中，内部实心光斑进行金属熔覆，外部环形光斑的前部分(相对于内部实心光斑的前方区域)实现对基体的预热，后部分(相对于内部实心光斑的后方区域)实现熔覆层的缓冷。

[0012] 基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

[0013] 光路变换及聚焦系统的一种较佳的结构为：包括锥形的分束镜、整体为环形结构的反射镜和用于对透射所述分束镜的激光束聚焦的聚焦镜；所述分束镜、反射镜和聚焦镜与入射的激光束同轴，反射镜的反射面为弧形反射面，激光器输出的激光束入射到分束镜上分为透射光束和反射光束，透射光束最终形成所述中心光斑，反射光束再经所述反射镜反射至中心光斑外围，形成所述环形光斑。当然，光路变换及聚焦系统也不限于这一种结构，只是其他结构会相对复杂或实现成本较高。

[0014] 进一步的，分束镜为圆锥形，锥度为90度；相应的，所述透射光束最终形成圆形的中心光斑。

[0015] 进一步的，反射镜还配置有位置调节机构，用于调节弧形反射面的角度，从而改变环形光斑的尺寸。

[0016] 进一步的，反射镜由多个分立元件整体组成所述环形结构，所述位置调节机构能够分别独立调节各段弧形反射面的角度。

[0017] 进一步的，分束镜采用表面镀膜的方式实现透射/反射的分束，例如分束镜的材料优选K9玻璃或石英，且表面镀膜，以实现部分透射、部分反射。

[0018] 激光器为光纤激光器(可以通过光纤传输的高功率连续多模激光器)。

[0019] 第一级能量与第二级能量的比值可以通过分束镜表面上的镀膜参数进行调节，根据实际工艺效果进行设置。光学上容易实现的为50％：50％。

[0020] 本发明的技术效果：

[0021] 1、本发明采用同一入射光源，通过光学系统的设计，形成预热缓冷激光作为外环、熔覆加工激光作为中心的能量分布，实现了熔覆加工、基体预热和缓冷的一体化，不仅更加显著地减小了温度梯度和热应力，抑制了裂纹缺陷产生，而且避免了直线分布的缺点，不受增材制造成形件尺寸和形状限制。

[0022] 2、本发明给出的一种光路变换及聚焦系统，采用分束镜和反射镜将一束激光分成外部环形激光和内部实心激光两束激光，并通过调节分束镜的锥度和膜层参数、反射镜的位置和角度，可以很方便地实现不同尺寸和功率分布的环形光斑。附图说明

[0023] 图1为增材制造系统的示意图。

[0024] 图2为光路变换及聚焦系统的光路结构示意图。

[0025] 图3为激光增材制造装置的光斑投影示意图。

[0026] 图4为激光增材制造过程示意图。

[0027] 图5为成形件温场云图的对比示意(左图对应于未加预热缓冷激光，右图对应于增加了预热缓冷激光预热缓冷激光)。

[0028] 图6为成形件应力场云图的对比示意(左图对应于未加预热缓冷激光，右图对应于增加了预热缓冷激光预热缓冷激光)。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图，通过具体实施例进一步详述本发明。

[0030] 如图1和图2所示，整个系统包括激光器1、分束镜2、反射镜3、聚焦镜4、送粉系统5、基体6和工作台。基体6放置在工作台上，并位于聚焦镜4和送粉系统5的下方；送粉系统5用于该装置在增材制造过程中实现与熔覆激光同轴送粉(对于整个增材制造系统来说，送粉系统5的安装位置不限于图1所示的具体位置)。

[0031] 激光器1为光纤激光器，波长为1060nm，最小光斑直径为0.4mm，最大输出功率4KW。

[0032] 分束镜2为圆锥形，分束镜材料为K9玻璃或石英，表面镀膜，分光比可由分束镜2的膜层参数调节。通过设定分束镜2的膜层参数，可以将激光器1输出激光L1分束成功率大小不同的激光束L2和L3，其中，大功率激光束L2透射过分束镜2形成熔覆加工激光，小功率激光束L3经分束镜2和反射镜3形成预热和缓冷激光。

[0033] 反射镜3为环形结构，反射面为弧形，所以反射聚焦到基体6表面的为环形光束。可在弧形反射面镀高反射率铜膜层，并配置位置调节机构，反射镜可绕某一个点或者轴进行转动。这样，可以根据需要调节反射光的角度，从而改变环形光束聚焦点距离中心点的位置。进一步的，为了方便调节该弧形反射面角度，可以采用多个分立元件组成整体的环形结构。

[0034] 通过对分束镜2的膜层参数和反射镜3位置、角度的综合调整，可以实现不同尺寸和功率分布的环形光斑。不同尺寸和功率分布的环形光束用于激光增材制造时，都能起到预热缓冷的作用，只是预热缓冷效果有差异。

[0035] 例如：

[0036] 激光器1输出功率为1700W的激光束L1，激光束L1入射到分束镜2的锥面，分束镜2将激光束L1分为激光束L2和激光束L3，其中激光束L2功率为1500W，激光束L3功率为200W。激光束L2经聚焦镜4聚焦至基体6上，形成熔覆加工光斑(圆形实心光斑，直径为2mm)；激光束L3经反射镜3反射至基体6上，形成预热和缓冷光斑(环形光斑，内径为3mm、外径为5mm)，如图3所示。

[0037] 激光增材制造过程如图4所示，基体6和成形粉末均采用304L不锈钢，激光扫描速度为6mm/s，沿图4中所示的扫描路径成形四道单层304L 不锈钢熔覆层。

[0038] 通过成形件温场云图、应力场云图的实验对比(图5、图6)，进一步证实了本发明相比现有技术，熔覆过程中可以有效降低温度梯度，减小成形过程中的热应力，抑制裂纹缺陷产生。

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