[发明专利]一种送丝式双光束激光增材制造方法

说明书

本发明提供了一种送丝式双光束激光增材制造方法，其中第一激光束(2)作用于焊丝(1)上，在焊丝端部诱导产生蒸发前沿(4)，以深熔模式加热熔化焊丝，熔化材料过渡到基板上形成熔池(5)和熔覆层(6)；第二激光束(3)作用于基板(7)表面，以热导模式对基板进行预热。本发明利用深熔模式加热熔化焊丝，可以显著提高材料沉积速率；采用热导模式预热基板，方便调控温度场和熔覆层形貌，有效避免熔合不良、裂纹等缺陷。

技术领域

本发明涉及一种送丝式双光束激光增材制造方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

金属激光增材制造是以激光为能量源，将金属粉末或丝材加热熔化，通过逐点、逐层堆积快速制造出实物产品的一种先进制造方法。与传统的等材和减材制造方法相比，金属激光增材制造具有以下突出特点：(1)可以实现形状复杂的零部件、结构件的一体化自由成形制造，显著降低产品重量；(2)可以极大地简化制造工艺流程，大幅度缩短产品开发和制造周期；(3)可以按需对组织进行订制化调控，产品性能更加优异；(4)材料利用率高，等等。

金属激光增材制造方法分为两类：一类为选区激光熔化(SLM)，另一类为激光熔融沉积(LMD)。SLM以粉床铺粉为技术特征，激光束按照预定的路径扫描预先铺好的粉末层，逐层选择性地熔化粉末，从而实现三维实体金属零件制造。SLM技术最大优势是可实现复杂形状零部件的净成形制造，但制造效率相对较低，且成形尺寸受到粉床工作室空间的限制，不适用于制造大型零件。LMD是在激光熔覆的基础上发展而来，以同步送料为技术特征，激光束将同步送进的金属材料熔化，按照预定的加工路径逐点、逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造。相对于SLM，LMD的制造效率较高，但成形精度较低，适用于中到大型零件的制造。根据送进材料的形式，LMD可分为送粉式和送丝式。送粉式激光增材制造由于粉末不能完全进入熔池，粉末利用率相对较低，而且由于粉末对工作环境的污染，需要配备复杂的装置对粉末进行回收，成本高。相比于送粉式激光增材制造，送丝式激光增材制造材料的利用率大幅度提高，接近100％，且丝材的制作成本更低。

目前用于激光制造的主流激光器件均工作于红外波段。由于金属材料对红外波段激光的吸收率较低，无论是SLM，还是LMD，单位激光功率、单位时间熔化的材料量不高，即材料熔化沉积效率低。以不锈钢LMD为例，绝大多数文献报道的材料沉积效率不超过0.35kg/kW·h。例如申发明研究了316L不锈钢送丝式激光增材制造的成形工艺，材料沉积效率约为0.27kg/(kW·h)(申发明.不锈钢丝基激光增材制造成形工艺研究[D].哈尔滨工业大学,2015)。

针对LMD材料沉积效率低的问题，本发明人前期发明了一种送丝式激光增材制造方法(ZL 201810047415.2)，其中将焊丝和激光束以一定角度布置于基板的法线两侧，激光束作用于焊丝上，产生深熔小孔，焊丝以深熔模式吸收激光能量加热熔化，并过渡到基板表面形成熔覆层；穿过丝材后的激光束辐照基板表面，以热导模式对基板表面进行预热。该发明利用深熔模式加热熔化焊丝，材料沉积效率高达0.72kg/(kW·h)。但是，该发明因采用一束激光同时加热熔化焊丝和预热工件，不能自主调节激光能量的分配，存在工艺窗口窄、温度场和熔覆层形貌调控难等不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能显著提高材料沉积效率，又能方便调控温度场和熔覆层形貌的激光增材制造方法。

本发明的技术方案如下。

一种送丝式双光束激光增材制造方法，包括如下步骤：

将第一激光束、第二激光束和焊丝按照预定的方式布置；

将第一激光束作用于焊丝上，在焊丝端部诱导产生蒸发前沿，并以深熔模式吸收激光能量加热熔化焊丝，熔化材料过渡到基板上形成熔池和熔覆层；

将第二激光束作用于基板表面，以热导模式对基板进行预热。

优选地，所述焊丝为与所述基板相适应的金属材料。