[發明專利]一種基于現有激光增材設備的同步激光拋光模塊

有效

• 申請號: 201811608889.6
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109848563B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 管迎春;黎宇航;張震
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;清華大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352;B23K26/342;B23K26/70;B33Y40/00
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本發明涉及一種基于現有激光增材設備的同步激光拋光模塊，屬于激光增材制造技術領域，主要包括Z軸協同運動系統、可旋轉加工平臺、XY兩軸聯動十字滑臺。與現有設備相比，本發明取得的技術突破在于將激光金屬沉積(LMD)技術與激光拋光技術相結合，可以在增材沉積成形的同時，分別對第一層、第二層…、第N層的表面區域和側向區域進行激光拋光處理，不僅可以解決懸臂結構的大拐點金屬零件大面積激光拋光困難的問題，而且可以解決激光拋光高深徑比的曲面內/外壁零件時的激光入射角問題，通過對每一沉積層的激光拋光有效降低了LMD最終成形件的表面粗糙度。

技術領域

本發明屬于激光增材制造技術領域，具體涉及一種基于現有激光增材設備的同步激光拋光模塊。

研究背景

激光增材制造(Laser additive manufacturing,LAM)技術是目前最具潛力的先進制造技術之一，它通過對三維模型的數字化數據分層，再以“分層加工、逐層累加”的方式實現三維實體零件的直接成形，不僅在航空航天、能源動力及生物醫療等領域得到了廣泛應用，而且對我國制造業的發展具有十分重要的戰略意義。

根據送粉方式的不同，激光增材制造技術已經形成以以同步送粉為特征的激光金屬沉積(Laser metal deposition,LMD)技術和以粉床鋪粉為特征的選區激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術。其中以同步送粉為特征的激光金屬沉積(Lasermetal deposition,LMD)技術可以與傳統的等材(如焊接)或減材(如車削、銑削)技術相結合，充分發揮各種增材與等材及減材加工技術的優勢，進而實現金屬零件的整體、高性能及低成本的加工制造。

然而由于激光金屬沉積(Laser metal deposition,LMD)技術的加工過程中熔池的溫度分布、動態特征及凝固行為直接影響成形精度、冶金缺陷、熔凝組織及力學性能。并且LMD在同步送粉的成型過程中材料熔化和凝固速度極快，熔池內氣體在凝固過程中未能有充足的溢出時間形成氣孔，此外過高的溫度又會導致熔池飛濺，使飛濺的粉末顆粒粘附在沉積層上，導致層與層之間難以形成緊密重熔，層間結合不良，形成較大的層間未熔合缺陷，不僅會產生精度較差的側向臺階效應和較高的表面粗糙度，而且孔洞邊緣較大的應力集中常常會成為裂紋萌生點，這就限制了LMD技術的進一步實際應用。

激光拋光作為一種新興的加工方式，具有非接觸、可微區、可選區、可實現精密或超精密、可細晶強化、可增加不同材料的抗腐蝕性能和抗疲勞性能、環保高效等優勢。其原理是在極短的時間內使凹凸不平的材料表面達到熔融溫度，材料上凸的表面熔化后，熔化的金屬在表面張力和重力的作用下，填入材料下凹的表面。當激光束離開時，較高的冷卻速率使熔融材料凝固，導致上凸的表面降低，下凹的表面被填平，往復循環直到材料表面粗糙度達到使用要求。

近年來，已有國內外學者采用激光拋光技術來提高增材制造零件的表面精度以及降低其表面粗糙度，例如：北京航空航天大學機械學院的管迎春等人分別研究了激光拋光增材鈦合金和鎳基高溫合金的組織和性能，并將增材后的零件表面粗糙度降到0.2μm以下；比利時魯汶大學機械工程系的E.Yasa和J-P.Kruth采用激光拋光重熔處理來降低增材316L零件的表面孔隙率和表面粗糙度；英國考文垂制造技術中心的S.Marimuthu等人研究了不同的激光拋光參數(掃描速度、激光功率、搭接率等)對增材Ti-6Al-4V零件的表面質量的影響；法國南特通信與控制研究所的B.Rosa等人對增材316L零件進行了激光拋光研究；同時英國伯明翰大學工程學院機械工程系的D.Bhaduri等人采用不同的激光拋光能量密度對增材316L零件進行了表面粗糙度的研究；香港理工大學工業及系統工程系分別對增材Ti6Al4V、鎳625、CoCr合金零件進行了激光拋光研究。