[发明专利]一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法。

背景技术

激光直接沉积成形属于增材制造的关键技术之一，其首先通过计算机进行辅助设计，再通过叠层堆积的方式实现金属零部件的制造。目前，在金属增材制造领域中，热源包括激光和电子束，原料供给方式包括送粉法和铺粉法。激光直接沉积成形的原理为：首先利用高能能量束使成形基体上形成熔池，再将原料粉末输送到熔池内，使原料粉末完全熔化或烧结形成冶金结合，进而快速凝固，最后逐层叠加制造出三维实体。

但是，在现有的增材制造技术中，普遍存在快冷快热的物理过程，随着加工过程的进行，无论采用激光或是电子束作为热源，其光斑能量场的分布均为高斯光斑，而高斯光斑的特点为中心能量高且边缘能量低。

现阶段，由于光斑能量场恒定且不可调节，则在加工过程中，会导致光斑温度场的分布难以控制，而由光斑温度场所控制的凝固过程和凝固条件也将难以控制，从而无法对成形件的晶粒形态与组织分布进行精确调控。另外，由于光斑能量场的分布不均匀，还会导致粉末输送过程中出现部分粉末不能完全熔化的缺陷。

因此，在加工过程中，受到光斑能量场分布不均匀的影响，所产生的热积累效应和部分粉末不能完全熔化的缺陷，必然导致热应力积累过大及组织应力难以消除的问题，直接后果就是易导致成形件产生翘曲变形和裂纹等缺陷。

目前，激光或电子束形成的光斑尺寸多处于微米级与毫米级之间，尤其是毫米级的光斑，更易导致成形件产生翘曲变形，同时萌生裂纹和大尺寸缺陷，从而严重降低成形件的合格率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法，能够有效调控光斑温度场的分布，能够对成形件的晶粒形态与组织分布进行精确调控，能够避免热积累效应和部分粉末不能完全熔化的缺陷，进而避免成形件产生翘曲变形和裂纹等缺陷，提高成形件的合格率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，包括光纤激光器、光斑整形机构、同轴送粉机构、加工送粉头、工作台及水冷机；所述光纤激光器的光纤激光头接入光斑整形机构，所述同轴送粉机构安装在光斑整形机构上部，所述加工送粉头安装在光斑整形机构下部，所述工作台位于加工送粉头下方，工作台、加工送粉头及光斑整形机构均通过水冷机提供循环冷却水。

所述光斑整形机构包括扩束镜组、光束整形镜组及光斑能量调节镜组，所述扩束镜组包括第一凹透镜及第一凸透镜，所述光束整形镜组包括第一圆锥透镜及第二圆锥透镜，所述光斑能量调节镜组包括第二凸透镜及第三凸透镜；所述第一凹透镜、第一凸透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二凸透镜及第三凸透镜由上至下依次分布，光纤激光头发射出的激光束由第一凹透镜射入，由第三凸透镜射出，并以光斑的形式作用在成形基体的表面；所述第一凹透镜与第一凸透镜同心设置，第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距可调；所述第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶角相同，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶相对且同心设置，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距可调；所述第二凸透镜与第三凸透镜结构相同，第二凸透镜及第三凸透镜的水平位置可调；所述光斑整形机构的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

所述同轴送粉机构包括储粉罐、螺杆式送粉器、分粉器及送粉通道，所述储粉罐的出料口与螺杆式送粉器的进料口相连通，螺杆式送粉器的出料口与分粉器的进料口相连通，分粉器的出料口与送粉通道一端相连通，送粉通道另一端与加工送粉头相连；所述储粉罐与惰性气体源相接通，在储粉罐与惰性气体源之间连接有流量控制器，通过流量控制器对粉末原料的输送量进行控制。

所述加工送粉头的顶部两侧设有喷粉口，喷粉口向内倾斜设置，两侧的喷粉口喷出的原料粉末汇聚于光斑中心；所述惰性气体源通过另一路管道与加工送粉头内部相接通，通过惰性气体源向加工送粉头内输入惰性保护气，惰性保护气的输入压力通过流量控制器进行控制；所述加工送粉头的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

所述工作台采用五轴联动驱动方式，在工作台的基板面下表面设有冷却管路，基板面的冷却管路与水冷机相连通，并通过水冷机提供循环冷却水。

一种激光直接沉积成形方法，采用了可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，包括如下步骤：