一种超高速平面激光熔覆增材制造装置及加工方法 |
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| 申请号 | CN202211397618.7 | 申请日 | 2022-11-09 | 公开(公告)号 | CN115625352B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 江苏大学; | 发明人 | 李世明; 张新洲; 陈兰; 杨志伟; 陆霖凯; 于关玺; 任旭东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种超高速平面 激光熔覆 增材制造 装置，包括激光发生器、移动平台、超声振动平台、 主轴 、转动及光路传播机构和熔覆 喷嘴 ；所述激光发生器用于产生激光光束；所述超声振动平台上放置 基板 ，通过超声振动平台旋转使基板转动；所述超声振动平台通过移动平台安装在底座上；所述主轴可移动安装在基板上方；所述主轴上安装转动及光路传播机构，所述熔覆喷嘴通过径向移动装置安装在转动及光路传播机构上，通过转动及光路传播机构使熔覆喷嘴转动；所述激光光束依次通过主轴和转动及光路传播机构后进入熔覆喷嘴；所述熔覆喷嘴转动方向与基板转动方向相反。本发明可在平面上实现超高速激光熔覆增材制造，并且能够实现相同线速度的激光熔覆。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超高速平面激光熔覆增材制造装置，其特征在于，包括激光发生器（12）、移动平台（19）、超声振动平台（1）、主轴（29）、转动及光路传播机构（10）和熔覆喷嘴（4）； |
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| 说明书全文 | 一种超高速平面激光熔覆增材制造装置及加工方法技术领域[0001] 本发明涉及激光增材制造领域，尤其涉及一种超高速平面激光熔覆增材制造装置及加工方法。 背景技术[0002] 超高速激光熔覆是基于激光热源的一种表面制造技术，其特殊的熔凝形式有别于传统激光熔覆技术。一方面，超高速激光熔覆提高了激光能量密度。传统激光熔覆光斑直径约为2‑4mm，而超高速激光熔覆光斑直径小于等于1mm，在相同激光能量输入条件下，小光斑 2 区域内激光能量密度更高。传统激光熔覆的激光能量密度约为70‑150W/cm，而超高速激光 2 熔覆的激光能量密度最高可达3kW/cm 。另一方面，在传统激光熔覆过程中，未熔化的粉体被直接送入熔池，而超高速激光熔覆调整了激光、粉体和熔池的汇聚位置，使粉体汇聚处高于熔池上表面，工艺调整使超高速激光熔覆的沉积速率较传统激光熔覆得到了极大的提 升。 [0003] 目前超高速激光熔覆加工对象多为轴类和盘类零部件。通过工件的旋转来获得超高的熔覆速度。而该项技术在平面上熔覆的速度较低，这需要解决如何实现熔覆头与工件 的高速平面运动。激光熔覆速度是影响成型质量的一个重要参数，在不同线速度下激光熔 覆的质量会有所不同，因此，如何实现等速激光熔覆也是目前需要解决的一个问题。因此，同时超高速激光熔覆技术目前仍处在推广应用阶段，制备过程中的基础性研究尚不完善， 在成型精度和缺陷控制方面仍有许多工作需要完成。 发明内容[0005] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。 [0007] 所述激光发生器用于产生激光光束； [0008] 所述超声振动平台上放置基板，通过超声振动平台旋转使基板转动；所述超声振动平台通过移动平台安装在底座上； [0009] 所述主轴可移动安装在基板上方；所述主轴上安装转动及光路传播机构，所述熔覆喷嘴通过径向移动装置安装在转动及光路传播机构上，通过转动及光路传播机构使熔覆 喷嘴转动；所述激光光束依次通过主轴和转动及光路传播机构后进入熔覆喷嘴；所述熔覆 喷嘴转动方向与基板转动方向相反。 [0010] 进一步，所述转动及光路传播机构包括圆盘状固定平台、副步进电机和反光镜； [0011] 所述圆盘状固定平台支撑在主轴上，所述副步进电机安装在圆盘状固定平台上，所述副步进电机通过齿轮副与主轴传动连接；所述圆盘状固定平台底部可径向移动安装熔 覆喷嘴，所述转动及光路传播机构内至少设有一个反光镜，用于使激光光束依次穿过主轴 内部和圆盘状固定平台后射入熔覆喷嘴内。 [0012] 进一步，所述主轴为空心轴，所述主轴内固定第一反光镜，所述圆盘状固定平台底部安装第一直线电机滑轨，所述熔覆喷嘴通过第一直线电机滑块安装在第一直线电机滑轨上；所述第一直线电机滑轨上通过固定支架安装第二反光镜，所述第二反光镜伸入主轴内； 所述圆盘状固定平台上安装第三反光镜，所述激光光束射入主轴内，通过第一反光镜射入 旋转的第二反光镜，再通过圆盘状固定平台上安装的第三反光镜和第一直线电机滑轨上安 装的第四反光镜射入熔覆喷嘴内。 [0013] 进一步，所述主轴的阶梯轴处安装圆锥滚子轴承，所述圆锥滚子轴承支撑圆盘状固定平台；所述主轴上通过套筒限制圆锥滚子轴承的轴向移动；所述主轴上安装第二齿轮，所述副步进电机上安装第一齿轮，通过第一齿轮与第二齿轮啮合，使副步进电机绕着主轴 转动。 [0014] 进一步，所述熔覆喷嘴上设有送粉系统和回收系统，所述送粉系统包括第一气泵和第一粉末仓，所述第一粉末仓通过第一气泵与熔覆喷嘴连通，用于给熔覆喷嘴内输送粉 末；所述回收系统包括第二气泵和第二粉末仓，所述第二粉末仓通过第二气泵与熔覆喷嘴 连通，用于回收熔覆喷嘴内多余的粉末。 [0015] 进一步，还包括激光测距仪、红外摄像机、高速摄像机和控制系统； [0016] 所述红外摄像机用于获取熔池的温度；所述高速摄像机用于获取熔池的宽度；所述激光测距仪用于确定熔覆层厚度；所述控制系统用于获取处理激光测距仪、红外摄像机 和高速摄像机的信息；所述控制系统控制熔覆喷嘴的转动方向和移动方向；所述控制系统 控制增材工件的转动方向。 [0017] 进一步，所述控制系统根据熔池的温度和熔覆层宽度，判断粉末熔化是否充分；当粉末熔化未充分时，所述控制系统控制基板的转动速度和超声振动平台的振动频率。 [0018] 进一步，包括如下步骤： [0019] 预热基板； [0020] 调整熔覆喷嘴高度，使熔覆喷嘴对准基板；所述控制系统控制熔覆喷嘴径向移动，使熔覆喷嘴移动到待增材圆类工件的外边缘处；所述控制系统控制副步进电机，使熔覆喷嘴旋转；所述控制系统控制基板旋转的方向与熔覆喷嘴旋转的方向相反； [0021] 通过第一气泵向熔覆喷嘴内送粉，通过熔覆喷嘴喷射至基板表面； [0022] 所述控制系统控制激光发生器产生激光光束，通过熔覆喷嘴聚焦到基板表面，熔化喷至基体表面的粉末；所述控制系统控制超声振动平台使基板产生振动； [0023] 每当基板转动一周后，所述控制系统控制熔覆喷嘴向待增材圆类工件的圆心径向移动一个步长；所述控制系统控制熔覆喷嘴的旋转速度提高，使熔覆喷嘴在当前步长下的 线速度与在待增材圆类工件外边缘处的线速度相同；当熔覆喷嘴运动至待增材圆类工件的 圆心时，完成一层的熔覆加工； [0024] 所述控制系统控制熔覆喷嘴提升高度，重复一层的熔覆加工。 [0025] 进一步，所述红外摄像机获取熔池的温度；所述高速摄像机获取熔池的宽度；所述激光测距仪确定熔覆层厚度； [0026] 所述控制系统根据获取处理激光测距仪、红外摄像机和高速摄像机的信息控制熔覆喷嘴的转动方向和移动方向。 [0027] 本发明的有益效果在于： [0028] 1.本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，相对于传统的激光熔覆增材制造，该装置可以实现熔覆喷嘴正向转动和基板的反向转动，在实现超高速激光熔覆的同 时，提高增材效率；根据加工零件半径的变化，实时调整喷嘴和基板正反转的速度值，保证在加工过程中熔覆速度保持不变，在制造圆盘类型工件有明显优势。 [0029] 2.本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，采用超声振动平台铺平粉末，大大提高粉末的均匀性，使得产出的零件拥有更优良的构件均匀性。 [0030] 3.本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，使得熔覆喷嘴在直线电机的带动下径向移动，能够实现相同线速度的激光熔覆，并且保证在加工过程中熔覆线速度保 持不变，在增材盘类零件上有明显优势。 [0032] 5.本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，通过激光测距仪，实时控制熔覆层厚度和动态控制熔覆喷嘴的高度，使得熔覆层的厚度均匀和增材过程的顺利进行， 提高产出零件的综合性能。 [0033] 6.本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，通过红外摄像机拍摄熔池的温度，高速摄像机拍摄熔池的宽度并将其反馈给控制系统，以此判断粉末熔化是否充分，紧接着动态控制主步进电机转速以达到一个合适的激光能量密度，有效减少孔隙、裂纹的产 生，提高工件的综合性能。 [0034] 7.本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，既可以进行单层激光熔覆，也可以进行多层激光熔覆增材制造，弥补了高速激光熔覆技术不能在平板应用的技术空 缺，进而可以将现有超高速激光熔覆二维增材技术拓展至超高速激光沉积三维增材技术。 附图说明 [0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0036] 图1为本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置示意图。 [0037] 图2为本发明所述的转动及光路传播机构示意图。 [0038] 图3为本发明所述的熔覆喷嘴正准基板示意图。 [0039] 图4为本发明所述的熔覆喷嘴移动到待增材圆盘形工件外边缘处状态图。 [0040] 图5为本发明所述的第二直线电机和第三直线电机连接示意图。 [0041] 图6是本发明所述的超声振动平台俯视图。 [0042] 图7是本发明所述的盘类增材工件激光熔化表面的粉末形成熔覆轨迹图。 [0043] 图中： [0044] 1‑超声振动平台；2‑盘类增材工件；3‑基板；4‑熔覆喷嘴；5‑第一直线电机滑块；6‑第一软管；7‑控制系统；8‑第一气泵；9‑第一粉末仓；10‑转动及光路传播机构；11‑扩束镜；12‑激光发生器；13‑激光光束；14‑第一电动滑轨；15‑第一电动滑块；16‑第二电动滑轨；17‑第三电动滑轨；18‑底座；19‑移动平台；20‑主步进电机；21‑红外摄像机；22‑第四电动滑轨； 23‑高速摄像机；24‑激光测距仪；25‑第一直线电机滑轨；26‑第二软管；27‑第二气泵；28‑第二粉末仓；29‑主轴；30‑第二直线电机滑块；31‑第二直线电机滑轨；32‑第三直线电机滑块一；33‑第二电动滑块；34‑第三直线电机滑轨；35‑第三直线电机滑快二；36‑信号线；41‑第五反光镜；101‑圆盘状固定平台；102‑副步进电机；103‑第二反光镜；104‑第一齿轮；105‑键；106‑第二齿轮；107‑第三反光镜；108‑套筒；109‑圆锥滚子轴承；251‑第四反光镜；252‑固定支架；291‑第一反光镜；292‑螺母；293‑垫片。 具体实施方式[0045] 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。 [0046] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0047] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为 对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。 [0048] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0049] 如图1所示，本发明所述的超高速平面激光熔覆增材制造装置，包括激光发生器12、移动平台19、超声振动平台1、主轴29、转动及光路传播机构10和熔覆喷嘴4； [0050] 所述激光发生器12用于产生激光光束13；激光光束13射入扩束镜11后输出平行光束经过多个反光镜进入熔覆喷嘴4，并通过熔覆喷嘴4内的透镜聚焦到基板3上。 [0051] 所述超声振动平台1上放置基板3，通过超声振动平台1旋转使基板3转动；所述超声振动平台1位于移动平台19上，所述移动平台19通过第二电动滑轨16和第三电动滑轨17 与底座18连接，所述移动平台19可沿第二电动滑轨16和第三电动滑轨17移动，如图6所示。 [0052] 图1中所述主轴29可移动安装在基板3上方；主轴29固定在第二直线电机滑块30上，第二直线电机滑块30位于第二直线电机滑轨31上，主轴29通过第二直线电机滑块30可 在第二直线电机滑轨31上移动；所述第二直线电机滑轨31通过第三直线电机滑块一32和第 三直线电机滑块二35安装在第三直线电机滑轨34上，所所述第二直线电机滑轨31可通过第 三直线电机滑块一32和第三直线电机滑块二35在第三直线电机滑轨34移动，如图5所示。所述第三直线电机滑轨34两端通过第一电动滑块15和第二电动滑块33实现上下移动，用于实 现控制熔覆喷嘴4的高度。 [0053] 所述主轴29上安装转动及光路传播机构10，所述熔覆喷嘴4通过径向移动装置安装在转动及光路传播机构10上，通过转动及光路传播机构10使熔覆喷嘴4转动；所述激光光束13依次通过主轴29和转动及光路传播机构10后进入熔覆喷嘴4；所述熔覆喷嘴4转动方向 与基板3转动方向相反。由于熔覆喷嘴正向转动和基板的反向转动，实现超高速激光熔覆的同时，提高增材效率；所述熔覆喷嘴4的径向移动可以实现熔覆喷嘴4以相同线速度的进行 激光熔覆， [0054] 如图2所示，所述转动及光路传播机构10包括圆盘状固定平台101、副步进电机102和反光镜；所述圆盘状固定平台101支撑在主轴29上，所述副步进电机102安装在圆盘状固 定平台101上，所述副步进电机102通过齿轮副与主轴29传动连接；所述圆盘状固定平台101底部可径向移动安装熔覆喷嘴4，所述圆盘状固定平台101底部安装沿径向布置的第一直线 电机滑轨25，第一直线电机滑轨25通过第一直线电机滑块5与熔覆喷嘴4连接，使熔覆喷嘴4径向移动。所述转动及光路传播机构10内至少设有一个反光镜，用于使激光光束13依次穿 过主轴29内部和圆盘状固定平台101后射入熔覆喷嘴4内。 [0055] 所述主轴29为空心轴，所述主轴29内固定第一反光镜291，所述第一直线电机滑轨25上通过固定支架252安装第二反光镜103，所述第二反光镜103伸入主轴29内；所述圆盘状固定平台101上安装第三反光镜107，所述激光光束13射入主轴29内，通过第一反光镜291射入旋转的第二反光镜103，再通过圆盘状固定平台101上安装的第三反光镜107和第一直线 电机滑轨25上安装的第四反光镜251射入熔覆喷嘴4内。 [0056] 所述主轴29的阶梯轴处安装圆锥滚子轴承109，所述圆锥滚子轴承109支撑圆盘状固定平台101；所述主轴29上通过套筒108限制圆锥滚子轴承109的轴向移动；所述主轴29上通过键105安装第二齿轮106，第二齿轮106通过套筒108进行轴向定位，所述主轴29安装螺 母292和垫片293，用于锁紧第二齿轮106。所述副步进电机102上安装第一齿轮104，通过第一齿轮104与第二齿轮106啮合，使副步进电机102绕着主轴29转动，这样圆盘状固定平台 101也绕主轴29转动，从而使熔覆喷嘴4做圆周运动。 [0057] 所述熔覆喷嘴4上设有送粉系统和回收系统，所述送粉系统包括第一气泵8和第一粉末仓9，所述第一粉末仓9通过第一软管6依次与第一气泵8和熔覆喷嘴4连通，用于给熔覆喷嘴4内输送粉末；所述回收系统包括第二气泵27和第二粉末仓28，熔覆喷嘴4右侧有粉末 吸收口，所述第二粉末仓28通过第二软管26依次与第二气泵27和粉末吸收口连通，用于回 收熔覆喷嘴4内多余的粉末。 [0058] 还包括激光测距仪24、红外摄像机21、高速摄像机23和控制系统7；所述红外摄像机21用于获取熔池的温度；所述高速摄像机23用于获取熔池的宽度；所述激光测距仪24用 于确定熔覆层厚度；所述控制系统7用于获取处理激光测距仪24、红外摄像机21和高速摄像机23的信息；所述控制系统7控制熔覆喷嘴4的转动方向和移动方向；所述控制系统7控制增材工件2的转动方向。 [0059] 所述控制系统7根据熔池的温度和熔覆层宽度，判断粉末熔化是否充分；当粉末熔化未充分时，所述控制系统7控制基板3的转动速度和超声振动平台1的振动频率。 [0060] 实施例1 [0062] A.将基板3打磨、清洗和吹干，并对其进行预热300℃； [0063] B.将基板3固定在超声振动平台1上，将熔覆喷嘴4移动到如图1所示的位置，熔覆喷嘴4正对基板中心； [0064] C.控制第一电动滑块15和第二电动滑块33使第三直线电机滑轨下降，使得基板3与熔覆喷嘴4之间有一个合适的距离H，如图3所示，激光测距仪24测量其到基板3的距离D1； [0065] D.通过第一直线电机滑块5将熔覆喷嘴4移动到预增材圆盘工件的外边缘处，如图4所示。 [0066] E.开启主步进电机20和副步进电机102，使得基板3和熔覆喷嘴4做圆周运动，并且两个保持反向转动，使得增材速度更快。第一气泵18开始运作，将粉末从第一粉末仓9通过熔覆喷嘴4喷射至基板3表面；激光发生器12输出激光通过熔覆喷嘴4聚焦到基体3表面，熔 化喷至基体3表面的粉末；超声振动平台1开始振动，使喷至基体3表面的粉末得以完全熔 化，减少孔隙的产生； [0067] F.红外摄像机21拍摄熔池的温度，高速摄像机23拍摄熔池的宽度并将其反馈给控制系统7，以此判断粉末熔化是否充分，紧接着动态控制主步进电机20转速以达到一个合适的激光能量密度；动态控制超声振动平台1振动频率，使得粉末可以被充分熔化； [0068] G.激光测距仪24测定到熔覆层的距离D2，计算出熔覆层厚度D2‑D1，判断熔覆层厚度是否达到预期要求，紧接着动态控制送粉率，保证熔覆层厚度均匀； [0069] H.每当主步进电机20转动一周后即基板3旋转一周后，熔覆喷嘴4在第一直线电机滑块5的带动下向待增材圆类工件圆心的径向移动一个步长；副步进电机102转速提高，保 持熔覆喷嘴4的线速度不变，保持增材加工的均匀性和稳定性。当熔覆喷嘴4运动到待增材 圆类工件圆心时，完成一层的加工，如图7所示。 [0070] I.当一层熔覆层完成后，激光暂停输出，第一气泵8暂停送粉。通过控制第一电动滑块15和第二电动滑块33来提高熔覆喷嘴4的一个熔覆层厚度的高度，在这之后激光输出，第一气泵8开始继续送粉。继续每当主步进电机20转动一周后，进而熔覆喷嘴4在第一直线 电机滑块5的带动下向待增材圆类工件圆心的径向移动一个步长，副步进电机102转速增 加，保持熔覆喷嘴4的线速度不变，保持增材加工的均匀性和稳定性。 [0071] J.重复步骤D、E、F、G、H、I直至圆盘形工件的完成。 [0072] 在增材圆盘形工件过程中，激光发生器1的激光功率3800W；扫描速度80m/min；光斑直径1mm；搭接率50％；熔覆层厚度500μm。 [0073] 应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说 明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以 理解的其他实施方式。 [0074] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更 均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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