CN112548115A - 一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置及方法，本发明装置将光镜与送丝嘴同轴设置，将丝材由光内送达激光熔池从而实现任意方向沉积。通过激光清洗装置对沉积部分进行实时清洗去除沉积件表面的氧化层保证层间结合。本发明主要应用于大型钛合金零件激光熔丝增材制造，用于实现大尺寸钛合金零件自由制造，不需根据打印尺寸定制大型防氧化装置对打印沉积件进行防护。可实现高效率、任意尺寸钛合金零件增材制造。

Description

一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置及方法
技术领域
本发明属于钛合金/激光熔丝/激光增材制造(3D打印)领域，具体涉及一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置及方法。
背景技术
钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等突出优点,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机及工业重型燃气轮机等装备中的用量越来越大，例如波音787大型客机中钛合金结构件用量已超过机体结构重量的15％，美国***战机F-22中钛合金结构件用量更高达41％，高推比航空发动机中钛合金用量达25％～40％同时，为有效降低装备结构重量、提高装备性能、使用寿命和可靠性，飞机、航空发动机等装备均需越来越多地采用钛合金大型整体结构。事实上，大型整体钛合金关键结构件用量的高低，已成为衡量现代飞机和航空发动机等重大装备技术先进性的重要标志之一。
激光直接沉积技术是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制造技术。该技术是基于离散/堆积原理，通过对零件的三维CAD模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，在惰性气体保护环境中，以高能量密度的激光作为热源，按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现金属零件的直接制造与修复。激光直接沉积技术是20世纪90年代首先从美国发展起来的。1995年，美国国家实验室开发出了直接由激光束逐层熔化金属粉末来制造致密金属零件的快速近净成形技术。此后，针对镍基高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、工具钢、钨等多种金属材料开展了大量的成形工艺研究。
但是激光直接沉积技术也存在以下不足：
当打印过程中由于热输入的不断累积会导致防护罩外部的沉积件温度升高从而产生表面氧化问题，导致层间不能有效结合严重影响沉积件的各项性能。
使用大型防氧化装置成本会大幅提高打印成本且需要依照打印零件尺寸定制防护装置。无法实现任意尺寸的零件自由制造。
激光光外送丝打印工艺能极大的提高熔覆材料的利用率，但受送丝材位置和送丝角度的影响极大，在立体多方向的成形时不能保证打印层各个方向的一致性。激光同轴送粉打印大型钛合金零件由于粉末的发散以及难控制，粉末利用率不能达到100％。且沉积效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置及方法，解决增材制造过程中大型钛合金零件尺寸受防氧化装置尺寸制约的问题，实现了大型钛合金零件自由制造。
为了达到上述目的，一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，包括激光转接头，激光转接头上设置有光纤接头和光镜，光纤接头与光镜通过内部光路连接，激光转接头上设置有送丝接头和送丝嘴，送丝接头和送丝嘴连通，光镜与送丝嘴同轴设置，激光转接头设置在移动导轨上，移动导轨上设置有激光清洗头，激光转接头上设置有激光清洗光纤接头，激光清洗光纤接头通过内部光路与激光清洗头连接。
激光转接头上固定在控制台上，激光转接头上设置有第一步进电机，第一步进电机用于带动控制台上在X-Y平面移动。
激光清洗头上设置有第二步进电机，第二步进电机用于带动激光清洗头在动导轨上移动。
激光转接头下部设置有防氧化气罩，防氧化气罩罩住光镜和送丝嘴。
防氧化气罩上设置有保护器接头和水氧含量传感器。
激光转接头上设置有安装法兰。
一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置的工作方法，包括以下步骤：
将光纤由光纤接头***激光转接头，经过内部光路反射后由光镜射出形成环形光斑聚焦在送丝嘴下部，激光聚焦产生的能量用以融化丝材进行增材制造；
丝材通过送丝机由送丝接头经过送丝嘴送入激光内部实现光内同轴送丝；
激光清洗设备光纤由激光清洗光纤接头接入激光转接头内部连接至激光清洗头进行激光清洗。
第一步进电机控制旋转台在X-Y平面内实现任意方向旋转进行激光清洗，步进电机带动激光清洗头沿移动导轨进行径向移动确保激光清洗范围，其中移动导轨与打印基板平行从而保证激光清洗头距离基板的距离在激光清洗设备的有效工作范围内。
当沉积件暴露在防氧化气罩以外时，第一步进电机驱动旋转台、移动导轨和激光清洗头在X-Y平面内旋转至上一层沉积件打印位置由步进电机驱动激光清洗头沿移动导轨进行径向移动，进行激光清洗去除上一层沉积件的表面氧化层。
通过安装法兰将激光转接头固定在任一机械手臂上通过控制手臂，进行逐层沉积的增材制造。
与现有技术相比，本发明装置将光镜与送丝嘴同轴设置，将丝材由光内送达激光熔池从而实现任意方向沉积。通过激光清洗装置对沉积部分进行实时清洗去除沉积件表面的氧化层保证层间结合。本发明主要应用于大型钛合金零件激光熔丝增材制造，用于实现大尺寸钛合金零件自由制造，不需根据打印尺寸定制大型防氧化装置对打印沉积件进行防护。可实现高效率、任意尺寸钛合金零件增材制造。
进一步的，本发明设置有防氧化气罩，能够进行局部气氛保护，解决了打印过程中的氧化问题。
进一步的，本发明采用电机驱动的旋转设计实现任意方向对暴露在空气中的沉积件进行激光清洗，从而解决由于能量传递后导致局部暴露在空气中的沉积件表面氧化的问题。
本发明的方法将光纤的光路经过内部光路反射后由光镜射出形成环形光斑聚焦在送丝嘴下部，激光聚焦产生的能量用以融化丝材进行增材制造；丝材通过送丝机由送丝接头经过送丝嘴送入激光内部实现光内同轴送丝；激光清洗设备光纤通过内部连接至激光清洗头进行激光清洗，本发明能够解决增材制造过程中大型钛合金零件尺寸受防氧化装置尺寸制约的问题，实现大型钛合金零件自由制造，高了钛合金金属零件成型的材料利用率，降低成产成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作示意图；
图3为本发明中内部光路示意图；
其中，1、光纤接头，2、保护器接头，3、安装法兰，4、第一步进电机，5、送丝接头，6、第二步进电机，7、水氧含量传感器，8、防氧化气罩，9、旋转台，10、移动导轨，11、激光清洗头，12、激光清洗光纤接头，13、激光转接头，14、光镜，15、送丝嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，包括激光转接头13，激光转接头13上设置有光纤接头1和光镜14，光纤接头1与光镜14通过内部光路连接，激光转接头13上设置有送丝接头5和送丝嘴15，送丝接头5和送丝嘴15连通，光镜14与送丝嘴15同轴设置，激光转接头13设置在移动导轨10上，移动导轨10上设置有激光清洗头11，激光转接头13上设置有激光清洗光纤接头12，激光清洗光纤接头12通过内部光路与激光清洗头11连接。激光转接头13上固定在控制台9上，激光转接头13上设置有第一步进电机4，第一步进电机4用于带动控制台9上在X-Y平面移动。激光清洗头11上设置有第二步进电机6，第二步进电机6用于带动激光清洗头11在动导轨10上移动。激光转接头13下部设置有防氧化气罩8，防氧化气罩8罩住光镜14和送丝嘴15。防氧化气罩8上设置有保护器接头2和水氧含量传感器7。激光转接头13上设置有安装法兰3。
参见图1和图2，一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置的工作方法，包括以下步骤：
将光纤由光纤接头1***激光转接头13，经过内部光路反射后由光镜14射出形成环形光斑聚焦在送丝嘴15下部，激光聚焦产生的能量用以融化丝材进行增材制造；
丝材通过送丝机由送丝接头5经过送丝嘴15送入激光内部实现光内同轴送丝；
激光清洗设备光纤由激光清洗光纤接头12接入激光转接头13内部连接至激光清洗头11进行激光清洗。
实施例：
首先光纤由光纤接头1***激光转接头13经过内部光路反射后由光镜14射出形成环形光斑聚焦在送丝嘴15下部10毫米处，激光聚焦产生的能量用以融化丝材进行增材制造。丝材通过送丝机由送丝接头5经过送丝嘴15送入激光内部实现光内同轴送丝。激光清洗设备光纤由激光清洗光纤接头12接入激光转接头13内部连接至激光清洗头11进行激光清洗，其中第一步进电机4可控制旋转台9在X-Y平面内实现任意方向旋转进行激光清洗，第二步进电机6可带动激光清洗头11沿移动导轨10进行径向移动确保激光清洗范围，其中移动导轨10与打印基板平行从而保证激光清洗头11距离基板的距离在激光清洗设备的有效工作范围内。
随着打印的继续，当沉积件暴露在防氧化气罩8以外时，由于热输入的不断累积会导致防护罩外部的沉积件温度升高从而产生表面氧化问题，导致层间不能有效结合严重影响沉积件的各项性能。为了保证层间有效结合去除表面氧化层此时第一步进电机4驱动旋转台9、移动导轨10和激光清洗头11在X-Y平面内旋转至上一层沉积件打印位置由第二步进电机6驱动激光清洗头11沿移动导轨10进行径向移动，进行激光清洗去除上一层沉积件的表面氧化层从而保证层间的有效结合和沉积件的各项性能。
激光清洗有效工作距离即为激光清洗头至沉积件的距离。移动导轨与基板保持平行从而保证激光清洗头与基板的距离为有效工作距离。将装置通过安装法兰3安装在任一机械手臂上通过控制手臂即可实现逐层沉积的增材制造工艺。第一步进电机4控制旋转台9沿X-Y平面旋转至任意位置，实现打印前的基板清洗保证第一层的有效结合。

Claims (10)

1.一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，其特征在于，包括激光转接头(13)，激光转接头(13)上设置有光纤接头(1)和光镜(14)，光纤接头(1)与光镜(14)通过内部光路连接，激光转接头(13)上设置有送丝接头(5)和送丝嘴(15)，送丝接头(5)和送丝嘴(15)连通，光镜(14)与送丝嘴(15)同轴设置，激光转接头(13)设置在移动导轨(10)上，移动导轨(10)上设置有激光清洗头(11)，激光转接头(13)上设置有激光清洗光纤接头(12)，激光清洗光纤接头(12)通过内部光路与激光清洗头(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，其特征在于，激光转接头(13)上固定在控制台(9)上，激光转接头(13)上设置有第一步进电机(4)，第一步进电机(4)用于带动控制台(9)上在X-Y平面移动。
3.根据权利要求1所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，其特征在于，激光清洗头(11)上设置有第二步进电机(6)，第二步进电机(6)用于带动激光清洗头(11)在动导轨(10)上移动。
4.根据权利要求1所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，其特征在于，激光转接头(13)下部设置有防氧化气罩(8)，防氧化气罩(8)罩住光镜(14)和送丝嘴(15)。
5.根据权利要求4所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，其特征在于，防氧化气罩(8)上设置有保护器接头(2)和水氧含量传感器(7)。
6.根据权利要求1所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置，其特征在于，激光转接头(13)上设置有安装法兰(3)。
7.权利要求1所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将光纤由光纤接头(1)***激光转接头(13)，经过内部光路反射后由光镜(14)射出形成环形光斑聚焦在送丝嘴(15)下部，激光聚焦产生的能量用以融化丝材进行增材制造；
丝材通过送丝机由送丝接头(5)经过送丝嘴(15)送入激光内部实现光内同轴送丝；
激光清洗设备光纤由激光清洗光纤接头(12)接入激光转接头(13)内部连接至激光清洗头(11)进行激光清洗。
8.权利要求7所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置的工作方法，其特征在于，第一步进电机(4)控制旋转台(9)在X-Y平面内实现任意方向旋转进行激光清洗，步进电机(6)带动激光清洗头(11)沿移动导轨(10)进行径向移动确保激光清洗范围，其中移动导轨(10)与打印基板平行从而保证激光清洗头(11)距离基板的距离在激光清洗设备的有效工作范围内。
9.权利要求7所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置的工作方法，其特征在于，当沉积件暴露在防氧化气罩(8)以外时，第一步进电机(4)驱动旋转台(9)、移动导轨(10)和激光清洗头(11)在X-Y平面内旋转至上一层沉积件打印位置由步进电机(6)驱动激光清洗头(11)沿移动导轨(10)进行径向移动，进行激光清洗去除上一层沉积件的表面氧化层。
10.权利要求7所述的一种激光同轴熔丝打印大型钛合金零件的装置的工作方法，其特征在于，通过安装法兰(3)将激光转接头(13)固定在任一机械手臂上通过控制手臂，进行逐层沉积的增材制造。
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