[发明专利]一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法

说明书

本发明涉及一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法，装置包括主控机、脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、同轴送粉装置、可视跟踪系统、工作台、机械臂、金属粉容器、气体容器；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统均置于工作台上方；机械臂夹紧同轴送粉装置使其位于连续激光器和工作台之间且同轴送粉装置与连续激光器同轴；同轴送粉装置分别与金属粉容器和气体容器连通；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统、机械臂、金属粉容器、气体容器均与主控机相连接。本发明能解决高斯光光斑边缘出现欠熔和熔不透问题，有效消除气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷，大幅改善成形件内部应力状态。

技术领域

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法。

背景技术

增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技术是一种以激光为能量源的增材制造技术，按照其成形原理进行分类，分为以同步材料送进为主要技术特征的激光立体成形技术(Laser Solid Forming，LSF),和以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)。LSF技术可以实现力学性能与锻件相当的复杂高性能构件的高效率制造，并且成形尺寸不受限制，还可以实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造，便于进行新型合金设计，并用于损伤构件的高性能成形修复；SLM技术则可以实现力学性能优于铸件的高复杂性构件的直接制造，但是通常成形尺寸较小，只能进行单重材料的直接成形，其沉积效率要比LSF技术低一个数量级。

在现有技术中，激光增材制造采用的是光粉耦合喷头，为保持喷头扫描各向同性，获得各向同性的熔道，一般采用同轴送粉方法。同轴送粉的方式有两种，一种是“光外送粉”，如美国专利US5418350、日本专利JP2005219060等，一种是“光内送粉”，如中国专利CN2006101164131、CN104190927等。光外送粉方式为多路粉束汇聚，粉末发散，与光束可耦合区间短，不易耦合；光内送粉方式采用中空激光光内送分模式，由于光粉真正同轴，故光粉耦合区间长，容易耦合，粉束外围形成一环形气帘，可对粉束起到进一步集束和准直作用。

但由于激光器发出的激光为高斯光，即光斑内的激光能量密度呈高斯分布，致使中心温度高，熔道两侧易出现欠熔和熔不透，熔覆件侧壁表面较粗燥。另外，单纯激光熔覆3D成形工艺因为工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动及变化、扫描填充轨迹的变换等，都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松等内部缺陷。而且，随着高能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴生的短时非平衡循环固态相变，会在零件内部产生极大的内应力，容易导致零件严重变形开裂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能解决高斯光光斑边缘出现欠熔和熔不透问题、有效消除气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷、大幅改善成形件内部应力状态的光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：装置包括主控机、脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、同轴送粉装置、可视跟踪系统、用于摆放熔覆成形件的工作台、机械臂、金属粉容器以及气体容器；其中，脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统均置于工作台上方；机械臂固定在该工作台一侧夹紧同轴送粉装置，使同轴送粉装置位于连续激光器和工作台之间且同轴送粉装置与连续激光器同轴；所述同轴送粉装置分别与金属粉容器和气体容器连通；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统、机械臂、金属粉容器、气体容器均与主控机相连接，受主控机控制。

进一步地，从所述连续激光器发出的连续激光束与加工层的夹角为90度，从所述脉冲激光器发出的脉冲激光束与熔覆区平面法线夹角为0～60度。