CN109317673B - 一种激光增材制造装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效激光增材制造装置及方法，包括控制计算机，连续激光器，激光头，双通电磁阀，液氮罐，机械手臂，液氮喷嘴，粉末输送管，保护气输送管，送粉器，氩气瓶，氮气瓶。在激光增材过程中，当制备非强化层时，采用氩气作为熔池的气氛保护气体；当需要制备氮化物强化沉积层时，调节氮气作为熔池的气氛保护气体，使氮元素与熔池中的金属元素原位发生反应，生成氮化物增强相，本发明能够在激光增材制造过程中，实现在指定区域快速生成氮化物沉积层，并且不影响激光增材构件快速成型的效率，达到氮化物强化沉积层与非强化沉积层在制备过程中快速过渡的目的。

Description

一种激光增材制造装置和方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，特指一种激光增材制造装置和方法。
背景技术
激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技术是以高能激光束为热源，对金属合金粉末进行熔化加工的增材制造技术。激光具有能量密度大，能量集中的有点，可以实现高熔点、难加工金属材料的加工制造，如钛合金、高温合金等。此外，激光增材制造技术柔性自动化程度高，可以实现结构复杂、多种尺度零件的加工。
当前的激光增材制造设备及技术，通常都是激光以高能激光束为热源，根据设定的扫描路径，在惰性气体的氛围中，将同轴送给的粉末或丝材熔化，逐层沉积，实现金属构件直接成型。设备主要由激光器，激光头，数控平台，送粉/送丝器，保护气罐等组成。在制备过程中，不改变任何的工艺参数，所制备出的通常都是综合力学性能单一的金属构件。
一些学者为了制备同一金属构件，在不同部位具有不同力学性能和强度的增材制造构件，利用在增材制造过程中，改变粉末或工艺参数的方法来获得多样性力学性能增材构件。但是在增材过程中，改变粉末，通常需要激光器停止运行，将粉末输送管中残余的粉末全部排出，然后更换其他粉末，工作效率低下，而且在高能激光束的作用下，预置沉积层也会同时熔化，金属元素在高温熔池中迅速扩散，与新置沉积层发生熔合反应，导致本该具有不同力学性能的沉积层性能类似；改变工艺参数的方法，所制备的沉积层通常力学性能差异不明显，效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现定域氮化层强化的激光增材制造装置。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种激光增材制造装置，包括工作台，所述工作台上方设有激光头，所述激光头内设有粉末输送管和保护气输送管，所述粉末输送管与送粉器连接，所述保护气输送管通过双通电磁阀同时与氩气瓶和氮气瓶连接，所述激光头与连续激光器光路连接，所述激光头旁设有液氮喷嘴，所述液氮喷嘴与液氮罐连接。
上述方案中，所述液氮喷嘴和所述双通电磁阀通过同步信号发生器连接。
上述方案中，所述液氮喷嘴安装在机械手臂上。
上述方案中，所述工作台、所述同步信号发生器、所述送粉器、所述连续激光器和所述机械手臂均与控制计算机连接。
上述方案中，所述激光头内还安装有三棱镜，所述三棱镜的两侧对应安装有第一反射镜和第二反射镜，所述连续激光器发出的激光通过第三反射镜反射给所述三棱镜，所述三棱镜将激光同时折射给所述第一反射镜和所述第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜将激光反射聚焦到所述工作台上的基材上。
本发明提供的一种激光增材制造方法，包括以下步骤：S1 选择一块平板金属合金材料作为基材，打磨清洗干净烘干后，安放在工作台表面；S2 在控制计算机中建立工件的三维模型，对其进行切片处理，获得工件剖面的轮廓信息，以及构件的层片信息，在控制计算机中编制激光头和液氮喷嘴的工艺参数；S3 根据扫描速度和工件的轮廓和层片位置信息，确定制备非强化层和氮化物强积层的时间节点，在控制计算机中编制程序，要求制备非强化层时，双通电磁阀输出氩气并关闭液氮喷嘴，当制备氮化物强积层时，双通电磁阀切换为输出氮气，并打开液氮喷嘴同时开始喷射液氮；S4 增材构件制备结束后，关闭所有设备。
上述方案中，所述S2中，与所述激光头连接的连续激光器的工艺参数为：激光器功率为600-2500W，光斑直径为3-6mm，扫描速度为500-1800 mm/s，搭接率为20-80 %。
上述方案中，所述S3中，氮气为体积分数为40-100%的氮气。
本发明的有益效果：（1）在激光增材过程中，当制备非强化层时，采用氩气作为熔池的气氛保护气体；当需要制备氮化物强化沉积层时，由控制计算机快速调节双通电磁阀，调节氮气作为熔池的气氛保护气体，使氮元素与熔池中的金属元素原位发生反应，生成氮化物增强相；（2）立即向已经凝固的氮化物强化沉积层喷射液氮强制快速冷却，使氮化物增强相立即原位“钉扎”，抑制其向非强化层扩散，最终的制备出同一增材构件在不同区域具有不同力学性能的合金材料。同时液氮强行冷却还可以抑制晶粒生长，使氮化物增强相晶粒细化，并且在枝晶间弥散分布，防止由于硬质相分布不均匀而导致应力集中，致使构件产生裂纹。（3）本发明装置简单，操作方便，使用范围广泛，效果明显，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图中：1-控制计算机，2-连续激光器，3-激光头，4-第三反射镜，5-三棱镜，6-1-第一反射镜，6-2-第二反射镜，7-双通电磁阀，8-液氮罐，9-机械手臂，10-工作台，11-液氮喷嘴，12-基材，13-沉积层，14-粉末输送管，15-保护气输送管，16-送粉器，17-氩气瓶，18-氮气瓶，19-同步信号发生器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施事例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种激光增材制造装置，包括控制计算机1，连续激光器2，激光头3，双通电磁阀7，液氮罐8，机械手臂9，工作台10，液氮喷嘴11，粉末输送管14，保护气输送管15，送粉器16，同步信号发生器19。所述连续激光器2与激光头3相连，为其提供激光光源；激光头3内设有粉末输送管14和保护气输送管15，所述粉末输送管14与送粉器16连接，所述保护气输送管15通过双通电磁阀7同时与氩气瓶17和氮气瓶18连接，所述激光头，所述激光头3旁设有液氮喷嘴11，所述液氮喷嘴11与液氮罐8连接。所述送粉器16通过粉末输送管14将金属粉末送至激光头内部，实现光内同轴送粉；双通电磁阀7接受控制计算机1指令，根据加工需求进行实时切换传输氮气或氩气，并通过保护气输送管15向熔池中输送氮气或氩气。所述液氮罐8与液氮喷嘴11相连，为其输送液氮，所述液氮喷嘴11由机械手臂9夹持固定，实现在空间内三维运动。所述连续激光器2，激光头3，双通电磁阀7，机械手臂9，工作台10，液氮喷嘴11，送粉器16均与控制计算机1相连，接收控制计算机1发出的指令。所述激光头3位于工作台10上方，垂直于工作台10，控制计算机1可控制激光头3在Z轴方向上下运动，控制计算机1可控制工作台10在XY方向联动；液氮喷嘴11由机械手臂9夹持固定，根据控制计算机1的指令，实时向指定区域喷射液氮，实现强制冷却；当制备非强化层时，打开氩气瓶17，经过保护气输送管15向熔池中输送氩气作为保护气；当制备氮化物强化沉积层时，控制计算机1向双通电磁阀7发送指令，将保护气体切换为氮气，所述液氮喷嘴11和双通电磁阀7通过同步信号发生器19连接，实现当双通电磁阀7切换为输出氮气时，液氮喷嘴11同时开始喷射液氮。所述激光头3内还安装有三棱镜5，所述三棱镜5的两侧对应安装有第一反射镜6-1和第二反射镜6-2，所述连续激光器2发出的激光通过第三反射镜4反射给所述三棱镜5，所述三棱镜5将激光同时折射给所述第一反射镜6-1和所述第二反射镜6-2，所述第一反射镜6-1和所述第二反射镜6-2将激光反射聚焦到所述工作台10上的基材12上。
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制造装置进行制备。包括以下具体步骤。
A.对基材先用砂纸进行打磨，然后清洗干净，放置在工作台指定区域；将工作台移动到激光头下方的指定位置。
B.在控制计算机中设置激光加工工艺参数，激光能量功率为1500W, 扫描速度为1000mm/s，光斑直径2mm，光斑搭接率50%，保护气体流量为15L/min。控制机械手将液氮喷嘴送至激光头旁侧的指定位置，设置好喷嘴喷射液氮的参数，液氮气体流量为10L/min。
C.对增材粉末进行球磨处理之后，放入送粉器中。设置送粉速度为15g/min。
D.在控制计算机中建立增材构件的三维模型，并对其进行切片处理，获得构件的剖面轮廓信息，编制激光头和液氮喷头的扫描路径程序；根据增材构件的三维模型，确定氮化物强化沉积层的位置，计算该位置的沉积时间节点，根据时间节点，控制计算机向同步信号发生器同时向双通电子阀和液氮喷嘴发送指令，将保护气切换为氮气，同时液氮喷嘴同时喷射液氮气体对氮化物强化沉积层进行强制冷却。
E.氮化物强化沉积层加工结束后，控制计算机再次发送指令，恢复到原来的加工状态继续加工。如此循环加工，直至完成构件的制备。
F.关闭所有加工***，构件自行冷却。

Claims (5)

1.一种激光增材制造装置，包括工作台（10），所述工作台（10）上方设有激光头（3），其特征在于，所述激光头（3）内设有粉末输送管（14）和保护气输送管（15），所述粉末输送管（14）与送粉器（16）连接，所述保护气输送管（15）通过双通电磁阀（7）同时与氩气瓶（17）和氮气瓶（18）连接，所述激光头（3）与连续激光器（2）光路连接，所述激光头（3）旁设有液氮喷嘴（11），所述液氮喷嘴（11）与液氮罐（8）连接；所述液氮喷嘴（11）和所述双通电磁阀（7）通过同步信号发生器（19）连接；所述液氮喷嘴（11）安装在机械手臂（9）上，所述工作台（10）、所述同步信号发生器（19）、所述送粉器（16）、所述连续激光器（2）和所述机械手臂（9）均与控制计算机（1）连接；所述控制计算机（1）的功能为：
S1：用来建立工件的三维模型，获得工件剖面的轮廓信息，以及构件的层片信息；
S2：还用来编制激光头（3）和液氮喷嘴（11）的工艺参数，根据扫描速度和工件的轮廓和层片位置信息，确定制备非强化层和氮化物强积层的时间节点；
S3：在制备非强化层时，计算机（1）控制双通电磁阀（7）输出氩气并关闭液氮喷嘴，当制备氮化物强积层时，计算机（1）控制双通电磁阀（7）切换为输出氮气，并打开液氮喷嘴（11）同时开始喷射液氮。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造装置，其特征在于，所述激光头（3）内还安装有三棱镜（5），所述三棱镜（5）的两侧对应安装有第一反射镜（6-1）和第二反射镜（6-2），所述连续激光器（2）发出的激光通过第三反射镜（4）反射给所述三棱镜（5），所述三棱镜（5）将激光同时折射给所述第一反射镜（6-1）和所述第二反射镜（6-2），所述第一反射镜（6-1）和所述第二反射镜（6-2）将激光反射聚焦到所述工作台（10）上的基材（12）上。
3.一种高效激光增材制造方法，包括以下步骤：S1 选择一块平板金属合金材料作为基材，打磨清洗干净烘干后，安放在工作台（10）表面；S2 在控制计算机（1）中建立工件的三维模型，对其进行切片处理，获得工件剖面的轮廓信息，以及构件的层片信息，在控制计算机中编制激光头（3）和液氮喷嘴（11）的工艺参数；S3 根据扫描速度和工件的轮廓和层片位置信息，确定制备非强化层和氮化物强积层的时间节点，在控制计算机（1）中编制程序，要求制备非强化层时，双通电磁阀（7）输出氩气并关闭液氮喷嘴，当制备氮化物强积层时，双通电磁阀（7）切换为输出氮气，并打开液氮喷嘴（11）同时开始喷射液氮；S4 增材构件制备结束后，关闭所有设备。
4.根据权利要求3所述的一种高效激光增材制造方法，其特征在于，所述S2中，与所述激光头（3）连接的连续激光器（2）的工艺参数为：激光器功率为600-2500W，光斑直径为3-6mm，扫描速度为500-1800 mm/s，搭接率为20-80 %。
5.根据权利要求4所述的一种高效激光增材制造方法，其特征在于，所述S3中，氮气为体积分数为40-100%的氮气。
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