[发明专利]一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法

说明书

本发明涉及一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法，方法基于激光内同轴送粉技术，熔覆激光束利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束同步利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行冲击锻打，二者同时同步耦合进行不等宽构件首层的复合制造；另外，在熔覆过程中熔覆激光光头采用变姿态以及变光斑工艺。本发明有效地解决了内应力、气孔、微裂纹与开裂等内部缺陷，提高了零件的综合机械力学性能和抗变形与开裂能力，大大体改提高了不等宽构件成形精度。

技术领域

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统及方法。

背景技术

目前，激光熔覆成形不等宽构件均是采用多道搭接熔覆。搭接率直接影响成形表面宏观平整度。其选择不合理将直接导致成形表面宏观倾斜角度增大，影响成形表面尺寸精度，易造成熔覆层冷却不均匀引起能量累积，而导致熔覆层开裂等缺陷产生。而且在传统激光熔覆成形过程中，熔覆激光光头始终保持竖直方向，在水平方向上做不同的路径扫描，而在水平方向相对已成形体表面给出不同的偏移量，即水平分层的方式进行空间熔覆成形。但是随着角度的变大，层与层之间的错位量越来越大，逐渐达到半错位甚至全错位，导致熔池流淌，无法继续堆积，从而无法获得有倾斜面、悬臂的零部件。

对于专利ZL200610024264.6一种激光变斑熔覆成形工艺及用于该工艺的同轴喷头。其采用轮廓法规划成形零件每一层片的扫描路径；用小光斑和小口径管送粉进行层片内轮廓的熔覆，大光斑和大口径管送粉进行层片区域的熔覆，单粉束和光束同轴并垂直于成型表面，粉斑直径略大于光斑直径。这是用离焦法调节同轴心双层直管结构的送粉管，进行变光斑激光熔覆成形的方法，其存在如下问题：(1)用同轴心双层粉管结构，不同口径改变光斑直径，不易操作控制，存在并联运行的误差；(2)熔覆成形新的层片时，需要移动成形零件与光粉喷头的相对位置，离焦法调整送粉管的送粉量，存在精度误差；(3)分步激光熔覆成形层片内轮廓和层片区域，非均匀冷却下非平衡固态相变也存在时间差，造成表面损伤和内部缺陷，获得不同部位不同的表面质量和性能。

对于专利CN201310174650.3一种不等宽构件的激光直接成形方法。其采用一次扫描直接成形出一层不等宽熔道，完成一层后，提升喷嘴一个分层高度，在已成形熔覆层上继续熔覆新的熔道，直至三维零件成形。其存在如下问题：(1)这样熔覆一层继续熔覆下一层直至零件成形后，再激光冲击强化，其塑性变形小，很难消除内部缺陷；(2)根据熔道尺寸调节光斑大小，不能改变光斑形状(圆形或方形)；(3)激光头和激光束固定垂直于工作平台，需要移动与熔覆层相对位置，才能激光熔覆不等宽构件的不同曲面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成形精度高、能解决内应力、气孔、微裂纹与开裂等内部缺陷、提高不等宽构件的综合机械力学性能和抗变形与开裂能力的不等宽构件多姿态变光斑激光冲击锻打复合成形系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：包括工件旋转设备、熔覆激光器、熔覆激光器控制系统、机器人、熔覆激光器功率调节设备、计算机、实时跟踪反馈系统、短脉冲激光器功率调节设备、在线监测系统、短脉冲激光器控制系统、短脉冲激光器以及工作平台；其中，工件固定在工作平台上，工作平台安装在工件旋转设备上由工件旋转设备带动旋转，熔覆激光器和短脉冲激光器位于工件侧；熔覆激光器控制系统分别与熔覆激光器功率调节设备和熔覆激光器连接，而短脉冲激光器控制系统分别与短脉冲激光器功率调节设备和短脉冲激光器连接；在线监测系统通过实时跟踪反馈系统分别与熔覆激光器功率调节设备、短脉冲激光器功率调节设备、机器人连接；工件旋转设备、熔覆激光器功率调节设备、短脉冲激光器功率调节设备、实时跟踪反馈系统均与计算机连接。

进一步地，系统还包括有光粉同轴装置和同轴送粉驱动装置，光粉同轴装置安装在熔覆激光器内，同轴送粉驱动装置连接于熔覆激光器和熔覆激光器控制系统之间。