[发明专利]一种双光束耦合激光增材成形方法及装置

说明书

一种双光束耦合激光增材成形方法及装置，成形方法包括以下步骤：确定激光器类型及最大功率和双光束模式；根据双光束半径关系和功率密度叠加模型，计算成形区域激光平均功率密度；通过三维热传导公式，求解点热源加热无限大基板温度场解析式；将直角坐标系转换为柱坐标系，得到有限面热源加热无限大基板温度场解析式；根据有限面热源加热无限大基板温度场解析式，求解材料未熔化时两点之间的温度梯度；以温度梯度为优化目标，通过响应面分析法，获得双光束耦合最佳参数范围；进行双光束耦合激光增材成形。成形装置包括连接熔覆头两个QBH接头的主激光器和辅助激光器，通过镜组实现激光合束。本发明适用于降低多种激光增材成形零件的热应力。

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，具体涉及一种双光束耦合激光增材成形方法及装置。

背景技术

激光增材制造技术是一种先进的激光加工成形技术，包括激光立体成形和选区激光熔化等技术，其中激光立体成形采用同轴送粉模式，能够实现金属零件的快速成形，成形尺寸不受限制，广泛应用于航天航空、汽车、医疗等行业。

激光成形过程中由于激光能量密度高、扫描速度快，因此激光增材制造过程存在快速加热、快速冷却的现象，导致材料内部产生较大的热应力，最终成形件容易变形和产生裂纹。为了控制材料内部热应力，引入了预热缓冷技术，减小材料未熔化的温度梯度，抑制裂纹的产生，有利于提高成形件质量。

目前，常见的预热方式是采用感应线圈整体预热或者基板整体保温的方式。但针对五轴增减材复合制造设备，预热装置难以集成，针对具有复杂路径的成形零件，随着增材层数的增加，整体预热容易造成预热不均匀。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中激光增材制造过程中的热应力控制问题，提供一种双光束耦合激光增材成形方法及装置，适用于降低不同激光增材成形零件的热应力。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种双光束耦合激光增材成形方法，包括以下步骤：

根据加工需求和激光理论分布模型，确定激光器类型及最大功率和双光束模式；

根据双光束半径关系和功率密度叠加模型，计算成形区域激光平均功率密度；

通过三维热传导公式，求解点热源加热无限大基板温度场解析式；

将直角坐标系转换为柱坐标系，得到有限面热源加热无限大基板温度场解析式；

根据有限面热源加热无限大基板温度场解析式，求解材料未熔化时两点之间的温度梯度；

以温度梯度为优化目标，通过响应面分析法，获得双光束耦合最佳参数范围；

进行双光束耦合激光增材成形。

作为本发明双光束耦合激光增材成形方法的一种优选方案，激光器类型选择半导体激光器或者光纤激光器，最大功率为1000W-6000W；双光束模式的主光束采用单模高斯光束，辅助光束采用多模超高斯光束。

作为本发明双光束耦合激光增材成形方法的一种优选方案，定义主光束的功率为P₁、主光束的半径为r₁和辅助光束的功率为P₂、辅助光束的半径r₂；

所述双光束半径关系和功率密度叠加模型如下：

设定主光束的功率密度分布符合高斯分布的形式，满足：其中，A为基板的吸收系数，r为基板一点距离光束中心距离；

设定辅助光束的功率密度分布符合超高斯分布的形式，满足：

作为本发明双光束耦合激光增材成形方法的一种优选方案，所述计算成形区域激光平均功率密度包括以下步骤：