[發(fā)明專利]一種基于多激光器的選區(qū)熔化粉末實時預(yù)熱系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810556384.3
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108705083A
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張李超;湯名鍇;史玉升;張楠;牛其華
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y50/02;B33Y10/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發(fā)明屬于金屬零部件快速成形制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種基于多激光器的選區(qū)熔化粉末實時預(yù)熱系統(tǒng)及方法。該預(yù)熱系統(tǒng)包括激光預(yù)熱單元、測溫單元、激光加工單元和控制單元，通過在激光選區(qū)熔化加工過程中，采用具有等能量分布激光束的激光預(yù)熱單元實現(xiàn)對粉床表面待加工粉末進(jìn)行實時、快速、均勻、可選擇性預(yù)熱，并通過測溫單元儀對激光束所預(yù)熱粉末溫度進(jìn)行實時監(jiān)測及反饋，由此保證所預(yù)熱粉末溫度與設(shè)定預(yù)熱溫度一致，有效避免預(yù)熱效果隨著激光選區(qū)成形高度的增加而不斷預(yù)熱溫度不斷下降的問題，也規(guī)避了加熱裝置與加工系統(tǒng)的干涉效應(yīng)以及粉末預(yù)熱不均勻的問題，由此有效提高粉末預(yù)熱精度，以及降低預(yù)熱系統(tǒng)能量浪費。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬零部件快速成形制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于多激光器的選區(qū)熔化粉末實時預(yù)熱系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)是上個世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型快速成形(RapidPrototyping)技術(shù)。它結(jié)合了CAD/CAM、數(shù)控、光學(xué)及材料科學(xué)等技術(shù)，以各種金屬粉末作為加工原料，根據(jù)三維CAD模型，采用高能激光器逐點、逐域、逐層快速熔化粉末并迅速冷卻，由此成形有特定幾何形狀的零件。其成形零件致密度近乎100％，機(jī)械性能與鍛造零件相當(dāng)，并且SLM技術(shù)具有工藝簡單、成型材料范圍廣泛(純金屬粉末、復(fù)合粉末)、可成形傳統(tǒng)工藝方法難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等特點，因此日益受到國內(nèi)外專家廣泛重視，已成為目前所有快速成型技術(shù)中最具發(fā)展前景的技術(shù)。

在激光選區(qū)熔化金屬成形中，高能量激光束對金屬粉末掃描加工過程中，材料會經(jīng)歷急劇升溫熔化與急速冷卻凝固，這種在固-液-固相變過程中溫度的劇烈變化容易導(dǎo)致的主要技術(shù)問題之一是，會使得材料殘余應(yīng)力增大，并導(dǎo)致成形零件發(fā)生翹曲、開裂、變形。針對這一技術(shù)問題，目前通常會在加工前及加工過程中對成形粉末進(jìn)行預(yù)熱處理，使材料熔化-凝固過程中溫度梯度減小，相應(yīng)在一定程度上可緩解零件內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力積累，抑制表面裂紋，減少成形缺陷，改善翹曲變形。

然而，進(jìn)一步的研究表明，上述現(xiàn)有解決方案仍然具備以下的缺陷或不足：首先，這些現(xiàn)有方式大多集中為在成形區(qū)域底部添加加熱裝置進(jìn)行溫度場的調(diào)控，最高加熱溫度可達(dá)900℃，但是這類加熱技術(shù)依賴于粉末和零件之間的熱傳導(dǎo)作用，僅能通過底部加熱進(jìn)行單向預(yù)熱，其預(yù)熱效果會隨著成形高度的增加而不斷下降，存在加工層粉末預(yù)熱不充分以及能量浪費的問題；其次，部分解決方案公開了非傳導(dǎo)式的加熱方式，例如CN201710139208.5公開了一種電磁感應(yīng)激光選區(qū)熔化粉床在線加熱系統(tǒng)及方法，其中通過在激光選區(qū)熔化成形室內(nèi)粉床上方設(shè)置不同形狀可移動的金屬電磁感應(yīng)線圈，由此對粉床進(jìn)行區(qū)域性加熱時可解決預(yù)熱效果隨著成形高度的增加而不斷下降的問題，但該方法激光與金屬電磁感應(yīng)線圈加熱裝置往往存在干涉效應(yīng)，需根據(jù)不同零件情況選擇不同形狀線圈，靈活性差，而且預(yù)熱區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)線圈垂直映射處粉末溫度會明顯高于其他區(qū)域粉末溫度，同時預(yù)熱區(qū)域偏大，并造成粉末預(yù)熱不均勻及能量浪費等問題。CN102383126A公開了一種具有預(yù)熱和后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，該方法應(yīng)用于激光熔覆涂層制備，其預(yù)熱目標(biāo)是基材而不是待熔化的合金粉末，同時該方法也無法實時監(jiān)測預(yù)熱對象，無法保證預(yù)熱效果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；CN101607311A公開了一種三束激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法，該方法采用光斑能量呈高斯分布的激光器加熱，易導(dǎo)致粉末加熱不均勻，同時該方法中由于沒有溫度檢測和反饋單元，在實際加工中因每層粉末成形會逐步產(chǎn)生熱積累，從而使得后續(xù)粉末預(yù)熱溫度與實際預(yù)熱溫度出現(xiàn)極大偏差。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于多激光器的選區(qū)熔化粉末實時預(yù)熱系統(tǒng)及方法，其中通過在激光選區(qū)熔化加工過程中，采用具有等能量分布激光束的激光預(yù)熱單元實現(xiàn)對粉床表面待加工粉末進(jìn)行實時、快速、均勻、可選擇性預(yù)熱，并通過測溫單元儀對激光束所預(yù)熱粉末溫度進(jìn)行實時監(jiān)測及反饋，由此保證所預(yù)熱粉末溫度與設(shè)定預(yù)熱溫度一致，有效避免預(yù)熱效果隨著激光選區(qū)成形高度的增加而不斷預(yù)熱溫度不斷下降的問題，也規(guī)避了加熱裝置與加工系統(tǒng)的干涉效應(yīng)以及粉末預(yù)熱不均勻的問題，由此有效提高粉末預(yù)熱精度，以及降低預(yù)熱系統(tǒng)能量浪費。