技术领域
[0001] 本实用新型属于增材制造领域，涉及增减材复合制造技术，尤其涉及金属粉末激光熔融增材制造装置。
背景技术
[0002] 金属粉末激光熔融增材制造是增材制造的重要方法之一，以金属粉材为原料通过激光的激励完成
工件的成形过程；由于激光
能量密度高，
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，易引起成形件开裂；成为限制激光增材制造技术工业化应用的一类必须克服的障碍。
[0003] 为了解决上述问题，众多学者开展了大量研究，主要基于控制成形过程中的
温度场和
应力场，降低成形过程中产生的内应力，抑制裂纹产生；此外，还有通过优化激光增材制造工艺参数抑制裂纹产生的方法以及通过添加增强、增韧元素抑制裂纹产生的方法。
[0004] 其中，通过基体预热和熔覆层缓冷降低成形过程中温度梯度，减小
热应力是最常用的方法：卞宏友等在科技论文《基体预热对激光沉积修复GH4169
合金性能的影响》，[中国激光.2016(7)：92-97.]一文中研究发现，基体预热至300℃时，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中的布放、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，方法之一是采用随加工激光同步移动的热源实现局部预热缓冷，如中国
专利说明书第201410480190.1号中把
激光束分成加工光束和椭圆形均匀光束，在进行
激光熔覆前，先输出椭圆形均匀光束，后输出加工光束，开始激光熔覆时，加工光束位于椭圆形均匀光束范围内，两者同速同方向移动，激光熔覆过程结束时，椭圆形均匀光束滞后于加工光束关闭，但专利中并未提到该方法的实现方法。
[0006] 中国专利说明书第201110352257.X号采用两台
激光器进行激光熔覆，其中同一激光器中采用分束镜将激光分为一前一后两束激光，其中前激光用于基体预热，后激光用于熔覆缓冷，该方法能够有效消除熔覆层中的残余内应力，抑制裂纹产生，但该方法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
[0007] 为了解决上述基体预热或/和熔覆层缓冷方法中存在的问题，本实用新型公开了一种采用中心
能量密度分布高、周围能量密度低，截面包络接近圆形的激光光束的金属粉末激光熔融增材制造装置。
[0008] 本实用新型公开的金属粉末激光熔融增材制造装置，包括成形
光源发生器、成形光源扩束组件、聚焦组件，其特征在于：所述装置还包括光路合成组件、
调温光源发生器、调温光源扩束组件；所述成形光源发生器沿成形光的光路方向依次与所述成形光源扩束组件、所述光路合成组件、所述聚焦组件固定连接；所述调温光源发生器沿调温光的光路方向依次与所述调温光源扩束组件、所述光路合成组件固定连接。
[0009] 本实用新型采用至少2组光源向工件成形部位提供能量：所述光源经由不同焦距的扩束组件进行扩束处理，其特征在于：所述成形光源扩束组件与所述调温光源扩束组件具有不同的焦距，其特征还在于所述成形光源扩束组件出射光光路截面直径小于所述调温光源扩束组件出射光光路截面直径；使得工件部位形成了环形分布的预热、缓冷区域，同时保持了一能量密度高的熔覆成形区域。
[0010] 本实用新型采用光路合成组件实现了成形光束与调温光束的合成处理：其特征在于：所述光路合成组件包括逆向分束装置；所述成形光源扩束组件的出射光在所述逆向分束装置上透射通过；所述调温光源扩束组件的出射光在所述逆向分束装置上反射后与所述成形光源扩束组件的出射光同向传输。
[0011] 由于本实用新型采用了可调整焦距的聚焦组件，所述装置的环形光斑的各部分半径均是可以调整的，进而增加了所述装置的适用范围；具体地，其特征在于：所述聚焦组件根据成形工艺的需要调整焦距，从而确定成形及调温光斑的大小。
[0012] 本实用新型采用了
镀膜镜片实现了光路的控制：其特征在于：所述光路合成组件的分束装置朝向
工作台一侧进行了镀膜处理，所述调温光源扩束组件输出的光束在所述分束装置镀膜表面发送全反射。
[0013] 此外，为了改善调温及成形区域的半径，所述装置进行了离焦处理：其特征在于：所述成形光源发生器及所述调温光源发生器的出射光在工件扫描
位置处于离焦状态。
[0014] 为了进一步改进调温效果，对环形光束进行了偏移设置：其特征在于：所述调温光源发生器与所述调温光源扩束组件可同时偏转
指定的角度，使得所述成形光源扩束组件的出射光光路横截面包络的外接圆圆心与所述调温光源扩束组件出射光光路横截面包络的外接圆圆心连线与所述装置增材制造的扫描方向共线并偏移对应的距离；这样就可以根据工艺的要求进一步调整预热与缓冷时间与范围。
[0015] 本实用新型的技术效果及优点在于：
[0016] a) 本实用新型采用功率不同的激光发生装置确保所述装置在工件表面形成一个成形及调温复合光斑，即实现了中心区域激光功率密度的高分布、四周激光功率密度的低分布。
[0017] b) 本实用新型采用接近圆形的激光束进行增材制造，外围的环形调温区域可有效的降低成形过程中的温度梯度，减小热应力，从而抑制裂纹
缺陷产生。
[0018] c) 本实用新型在增材制造的扫描路径不仅仅沿直线位移时，能够同样保持温度调整功能，对扫描路径
曲率的变化不敏感，加工环境参数的控制更加稳定。
[0019] d) 本实用新型构造的环形光斑处于工件
基板上光束的离焦区域，且所述环形区域的各半径可调，中心区域可偏移，预热、缓冷的适用范围得到改善。
附图说明
[0020] 下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明，但此处所描述的
实施例仅用以解释本实用新型，本实用新型的实现方式并不限于如下实施例。
[0021] 图1为本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置优选实施例的组成结构示意图。
[0022] 图2为本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置优选实施例的成形光斑能量密度分布示意图。
[0023] 图3为本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置优选实施例的扫描成形示意图。
[0024] 图4为本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置优选实施例的成形光斑前向偏移示意图。
[0025] 图5为本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置优选实施例的成形光斑后向偏移示意图。
[0026] 图6为本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置优选实施例的增材制造
流程图。
[0027] 图中，1---成形光源发生器，122---成形光束。
[0028] 2---成形光源扩束组件，223---扩束后的成形光束。
[0029] 3---光路合成组件，326---合成光束。
[0030] 4---调温光源发生器，425---调温光束。
[0031] 5---调温光源扩束组件，523---扩束后的调温光束。
[0032] 6---聚焦组件，627---入料前成形光束。
[0033] 7---原料输送组件，701---原料存储部件，728---成形前的光-粉混合束。
[0034] 8---工件基体，801---成形光斑，802---环形调温光斑，888---成形扫描方向。
[0035] 9—正在增材成形中的一层工件。
具体实施方式
[0036] 如图1所示，本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置的优选实施例，包括成形光源发生器（1）、成形光源扩束组件（2）、聚焦组件（6）、光路合成组件（3）、调温光源发生器（4）、调温光源扩束组件（5）；所述成形光源发生器（1）沿成形光的光路方向依次与所述成形光源扩束组件（2）、所述光路合成组件（3）、所述聚焦组件（6）固定连接；所述调温光源发生器（4）沿调温光的光路方向依次与所述调温光源扩束组件（5）、所述光路合成组件（3）固定连接。
[0037] 如图1所示，成形光源扩束组件（2）与调温光源扩束组件（5）具有不同的焦距，所述成形光源扩束组件（2）出射光光路截面直径小于所述调温光源扩束组件（5）出射光光路截面直径。
[0038] 如图1所示，光路合成组件（3）包括逆向分束装置；成形光源扩束组件（2）的出射光在所述逆向分束装置上透射通过；调温光源扩束组件（5）的出射光在所述逆向分束装置上反射后与所述成形光源扩束组件（2）的出射光同向传输。
[0039] 如图1所示，聚焦组件（6）根据成形工艺的需要调整焦距，从而确定成形及调温光斑的大小。
[0040] 如图1所示，光路合成组件（3）的分束装置朝向工作台一侧进行了镀膜处理，所述调温光源扩束组件输出的光束在所述分束装置镀膜表面发送全反射。
[0041] 如图1所示，成形光源发生器（1）及调温光源发生器（4）的出射光在工件扫描位置处于离焦状态，形成了如图2所示的光斑。
[0042] 如图1、图4或图5所示，调温光源发生器（4）与调温光源扩束组件（5）可同时偏转指定的角度，使得成形光源扩束组件（2）的出射光光路横截面包络的外接圆圆心与所述调温光源扩束组件（5）出射光光路横截面包络的外接圆圆心连线与所述装置增材制造的扫描方向共线并偏移对应的距离。
[0043] 如图6所示，本实用新型金属粉末激光熔融增材制造装置的增材制造流程图。
[0044] 在某一实施例中：采用不锈
钢304L基体上激光增材制造304L
不锈钢，具体过程如下：
[0045] a) 外设准备：包括将不锈钢304L基体表面进行打磨、除油处理；将不锈钢304L粉末在
真空干燥箱中除
水分烘干。
[0046] b) 主机复位：在外设准备就绪的
基础上，调整包括运动控制部件、原料供应部件在内的主机各部件到达预设的工作位置；其中，成形光源发生器（1）的功率为1300W，调温光源发生器（4）的功率为200W。
[0047] c) 气氛保护：根据工艺需要，启动所述装置的气氛保护系统，使作业区域处于惰性气体保护状态，所述惰性气体包括氩气等化学特性稳定的气态物质，所述惰性气体的存在形式包括但不限于以气流喷射，密闭腔体内留存形式存在；其中，氩气保护气体流量为15L/min。
[0048] d) 基底加工：首先启动调温光源发生器，使得工件基板达到预定
工作温度，再启动成形光源发生器及原料输送组件，开始增材制造过程；其中，成形光斑（801）的直径为2mm，环形调温光斑（802）直径为5mm，扫描速度6mm/s，送粉量为8g/min，搭接率为40%。
[0049] e) 扫描成形：根据增材制造工艺要求，调整主机及外设部件确保执行机构扫描位置包括温度在内的加工条件符合预设的参数，并按照预设的扫描路径由位置控制部件带动增材制造执行机构分层扫描加工剩余的各层工件基体。
[0050] f) 后续保温：完成工件各层的扫描加工成形后，首先关闭成形光源发生器，按照工艺要求保持指定的一段时间后再关闭调温光源发生器。
[0051] g) 数据保存：待工件表面温度降至工艺要求的温度后，关闭气氛保护系统，存储必要的工艺、过程数据，复位并关闭主机及外设，结束本次成形过程。
[0052] 通过上述过程进行了4道
单层加工后得到了致密且无裂纹的304L不锈钢熔覆层，本实施例仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此。
[0053] 在另一实施例中，对环形光斑的尺寸进行了测试，具体地：采用
波长为1060nm的光纤激光器作为成形光源发生器（1），得到了最小光斑直径为0.4mm，最大输出功率4KW的成形光斑；调温光源发生器（4）最大输出功率500w；其中，成形光源发生器（1）垂直布置，调温光源发生器（4）水平布置；光路合成组件（3）包括一经过镀膜处理的分束镜，扩束后的成形光束（223）在未镀膜的一面入射并透射通过，扩束后的调温光束（523），在镀膜的一面入射后发生反射并与成形光束同向传输形成合成光束（326），合成光束（326）经聚焦组件（6）汇聚后形成入料前成形光束（627）；入料前成形光束（627）与金属粉材汇聚后形成-成形前的光-粉混合束（728）并落向工件基体（8）；金属粉材在所述基体上熔融成形得到正在增材成形中的一层工件（9）；当执行机构扫描至下一个工作点后，本实用新型装置将重复以上过程直至完成整个加工过程。
[0054] 当最后一个扫描位置完成增材制造后，成形光源发生器（1）首先关闭，当达到预定温度后调温光源发生器（4）延迟关闭进而保证了加工过程对温度的全称调节。最终，外设装置及主机停止运行，加工过程结束。
[0055] 上述实施例仅为了便于说明本实用新型的方案，但并不用于限制本实用新型的实现方法，所有符合本实用新型创意的解决方案，都将落入本实用新型保护的范围。
[0056] 鉴于上述实施例仅为本实用新型优选的方案之一，因而其也具备如下优点：
[0057] a) 形成了一个成形及调温复合光斑，实现了中心区域激光功率密度的高分布、四周激光功率密度的低分布。
[0058] b) 采用接近圆形的激光束进行增材制造，外围的环形调温区域可有效的降低成形过程中的温度梯度，减小热应力，从而抑制裂纹缺陷产生。
[0059] c) 在增材制造的扫描路径不仅仅沿直线位移时，能够同样保持温度调整功能，对扫描路径曲率的变化不敏感，加工环境参数的控制更加稳定。
[0060] d) 环形光斑处于工件基板上光束的离焦区域，且所述环形区域的各半径可调，中心区域可偏移，预热、缓冷的适用范围得到改善。
