[发明专利]一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备

说明书

一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，包括竖直升降平台，竖直升降平台上设有水平x‑y双轴移动平台，水平x‑y双轴移动平台的一侧设有WAAM工业机器人，另一侧设有铣削工业机器人，水平x‑y双轴移动平台的上方设有光束转折透镜，光束转折透镜安装在光束转折架上；光束转折透镜经光束转折架、光束准直透镜接收高能脉冲激光器的激光输出，光束准直透镜、高能脉冲激光器安装在光学平台上；水平x‑y双轴移动平台的上方设有约束层‑保护层自动敷设系统；上述部件和主控机连接；本发明结合了激光冲击强化技术和增减材制造技术，并且激光冲击强化过程中使用约束层和保护层，大幅提升激光冲击强化的效果。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备。

背景技术

电弧熔丝增材制造(Wire arc additive manufacturing,简称WAAM)以其较快的成型效率以及材料利用率在诸多增材制造技术中脱颖而出，但由于其直接成型材料存在气孔、微裂纹、未融合等缺陷，目前领域内涌现出了一些针对这些缺陷的复合工艺方法和设备。

申请号为201710500880.2的中国专利公开了一种电弧熔积与激光冲击锻打复合快速成型零件的方法及装置，该方法在电弧增材制造过程中结合了激光锻打，在熔融材料温度达到再结晶温度时进行冲击，用于消除内部气孔以及内部缺陷，从而提升成型质量。申请号为201610353372.1的中国专利公开了一种电弧增材与铣削复合加工方法及其产品，通过加入铣削来保证电弧增材制造过程中成型构件的尺寸精度。

上述两种方法都能够起到改善电弧熔丝增材制造成型构件质量的效果，但也都存在着一定的缺陷。前者一方面在进行激光冲击强化时处于再结晶温度下，通过诱发动态再结晶实现晶粒细化，但其缺陷在于未考虑下一层熔化材料的热输入效应，后续强烈的热输入会导致晶粒进一步的长大，从而降低动态再结晶的晶粒细化效果；另一方面未添加保护层和约束层，会大大减小激光冲击强化在材料表面诱发等离子冲击波的强度，从而严重制约了激光冲击强化发挥更加深远的作用，同时激光导致的表面烧蚀有可能导致成型构件中夹杂大量的氧化物，降低整体材料的均匀程度。后者在增材制造完成后加入层间铣削加工，但是不能够去除或者减少铣削后构件亚表面层中可能存在的空洞、裂纹等缺陷。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，结合了激光冲击强化技术和增减材制造技术，并且激光冲击强化过程中使用约束层和保护层，大幅提升激光冲击强化的效果。

为了达到上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现：

一种金属熔丝增减材和激光冲击强化复合的制造设备，包括竖直升降平台9，竖直升降平台9上设有水平x-y双轴移动平台8，水平x-y双轴移动平台8的一侧设有WAAM工业机器人10，另一侧设有铣削工业机器人7，水平x-y双轴移动平台8的上方设有光束转折透镜6，光束转折透镜6安装在光束转折架4上；光束转折透镜6经光束转折架4、光束准直透镜3接收高能脉冲激光器2的激光输出，光束准直透镜3、高能脉冲激光器2安装在光学平台11上；水平x-y双轴移动平台8的上方设有约束层-保护层自动敷设系统5；

所述的竖直升降平台9、水平x-y双轴移动平台8、铣削工业机器人7、WAAM工业机器人10、光束转折透镜6、光束转折架4、光束准直透镜3、高能脉冲激光器2、约束层-保护层自动敷设系统5和主控机1连接。

所述的高能脉冲激光器2为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，其具体技术参数为：可变光斑直径：0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。

所述的光束准直透镜3能够将高能脉冲激光器2发射的具有一定发散角的激光变为平行激光，使其能够通过光束转折透镜6投射到水平x-y双轴移动平台8上；光束转折透镜6选用高击穿阈值的转折透镜。