[發明專利]一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統及方法

有效

• 申請號: 201611006342.X
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN106541136B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 商碩;李進寶;劉忱;劉常升
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于增材制造技術領域，特別是涉及一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統及方法。

背景技術

激光直接沉積成形屬于增材制造的關鍵技術之一，其首先通過計算機進行輔助設計，再通過疊層堆積的方式實現金屬零部件的制造。目前，在金屬增材制造領域中，熱源包括激光和電子束，原料供給方式包括送粉法和鋪粉法。激光直接沉積成形的原理為：首先利用高能能量束使成形基體上形成熔池，再將原料粉末輸送到熔池內，使原料粉末完全熔化或燒結形成冶金結合，進而快速凝固，最后逐層疊加制造出三維實體。

但是，在現有的增材制造技術中，普遍存在快冷快熱的物理過程，隨著加工過程的進行，無論采用激光或是電子束作為熱源，其光斑能量場的分布均為高斯光斑，而高斯光斑的特點為中心能量高且邊緣能量低。

現階段，由于光斑能量場恒定且不可調節，則在加工過程中，會導致光斑溫度場的分布難以控制，而由光斑溫度場所控制的凝固過程和凝固條件也將難以控制，從而無法對成形件的晶粒形態與組織分布進行精確調控。另外，由于光斑能量場的分布不均勻，還會導致粉末輸送過程中出現部分粉末不能完全熔化的缺陷。

因此，在加工過程中，受到光斑能量場分布不均勻的影響，所產生的熱積累效應和部分粉末不能完全熔化的缺陷，必然導致熱應力積累過大及組織應力難以消除的問題，直接后果就是易導致成形件產生翹曲變形和裂紋等缺陷。

目前，激光或電子束形成的光斑尺寸多處于微米級與毫米級之間，尤其是毫米級的光斑，更易導致成形件產生翹曲變形，同時萌生裂紋和大尺寸缺陷，從而嚴重降低成形件的合格率。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統及方法，能夠有效調控光斑溫度場的分布，能夠對成形件的晶粒形態與組織分布進行精確調控，能夠避免熱積累效應和部分粉末不能完全熔化的缺陷，進而避免成形件產生翹曲變形和裂紋等缺陷，提高成形件的合格率。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，包括光纖激光器、光斑整形機構、同軸送粉機構、加工送粉頭、工作臺及水冷機；所述光纖激光器的光纖激光頭接入光斑整形機構，所述同軸送粉機構安裝在光斑整形機構上部，所述加工送粉頭安裝在光斑整形機構下部，所述工作臺位于加工送粉頭下方，工作臺、加工送粉頭及光斑整形機構均通過水冷機提供循環冷卻水。

所述光斑整形機構包括擴束鏡組、光束整形鏡組及光斑能量調節鏡組，所述擴束鏡組包括第一凹透鏡及第一凸透鏡，所述光束整形鏡組包括第一圓錐透鏡及第二圓錐透鏡，所述光斑能量調節鏡組包括第二凸透鏡及第三凸透鏡；所述第一凹透鏡、第一凸透鏡、第一圓錐透鏡、第二圓錐透鏡、第二凸透鏡及第三凸透鏡由上至下依次分布，光纖激光頭發射出的激光束由第一凹透鏡射入，由第三凸透鏡射出，并以光斑的形式作用在成形基體的表面；所述第一凹透鏡與第一凸透鏡同心設置，第一凹透鏡與第一凸透鏡的軸向間距可調；所述第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的錐頂角相同，第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的錐頂相對且同心設置，第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的軸向間距可調；所述第二凸透鏡與第三凸透鏡結構相同，第二凸透鏡及第三凸透鏡的水平位置可調；所述光斑整形機構的外殼采用雙層結構，其雙層結構外殼通過水冷機提供循環冷卻水。

所述同軸送粉機構包括儲粉罐、螺桿式送粉器、分粉器及送粉通道，所述儲粉罐的出料口與螺桿式送粉器的進料口相連通，螺桿式送粉器的出料口與分粉器的進料口相連通，分粉器的出料口與送粉通道一端相連通，送粉通道另一端與加工送粉頭相連；所述儲粉罐與惰性氣體源相接通，在儲粉罐與惰性氣體源之間連接有流量控制器，通過流量控制器對粉末原料的輸送量進行控制。

所述加工送粉頭的頂部兩側設有噴粉口，噴粉口向內傾斜設置，兩側的噴粉口噴出的原料粉末匯聚于光斑中心；所述惰性氣體源通過另一路管道與加工送粉頭內部相接通，通過惰性氣體源向加工送粉頭內輸入惰性保護氣，惰性保護氣的輸入壓力通過流量控制器進行控制；所述加工送粉頭的外殼采用雙層結構，其雙層結構外殼通過水冷機提供循環冷卻水。

所述工作臺采用五軸聯動驅動方式，在工作臺的基板面下表面設有冷卻管路，基板面的冷卻管路與水冷機相連通，并通過水冷機提供循環冷卻水。

一種激光直接沉積成形方法，采用了可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，包括如下步驟：