[发明专利]一种激光增材制造过程中残余应力的控制装置及方法

说明书

本发明涉及金属构件增材制造领域，具体涉及一种激光增材制造过程中残余应力的控制装置及方法。包括激光器、送粉器、激光头模块和水冷铜板，激光头模块通过送粉管与送粉器连通，激光头模块的下端安装激光头，激光头模块通过送粉管与激光头连通，激光器发生的激光竖直穿过激光头模块和激光头，水冷铜板位于激光头的下方。本发明通过在不同的区域使用不同的激光功率制造合金样本，分析合金样本得到样本内部残余应力与激光功率的关系，根据得到的关系以激光功率从合金底部至顶部逐渐减小的方式生产合金成品，打印过程中沉积层以下的材料不会由于反复的加热及冷却而产生明显的温度梯度，最终块体合金内的残余应力明显减小，提升材料的使用性能。

技术领域

本发明涉及金属构件增材制造领域，具体涉及一种激光增材制造过程中残余应力的控制装置及方法。

背景技术

激光增材制造技术作为一种新兴材料制备技术已被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等生产制造行业中。其原理是先利用计算机将三维工件模型进行分层切片并处理成数字信息，再结合合适的打印工艺并使用激光增材制造打印机进行逐点、逐道、逐层制备，最终获得大尺寸、形状复杂的三维实体工件。

由于激光增材制造独特的逐层制造加工方式，在加工过程中会对工件进行重复且快速的加热及冷却，将产生巨大的热梯度，进而在工件内部积累大量残余应力。较大的残余应力会影响工件的耐蚀、疲劳性能，甚至会导致工件出现裂纹、变形等缺陷，最终降低工件质量及使用安全性。在打印过程中、不同的打印参数、扫描路径等变量都会对工件的残余应力造成影响。

发明内容

为了克服现有技术中由于重复且快速的加热及冷却产生巨大的热梯度进而导致工件内部积累大量的残余应力的技术问题，本发明提供了一种激光增材制造过程中残余应力的控制装置及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种激光增材制造过程中残余应力的控制装置，包括激光器8、送粉器7、激光头模块6和水冷铜板1，所述激光头模块6通过送粉管5与送粉器7连通，激光头模块6的下端安装激光头4，激光头模块6通过送粉管5与激光头4连通，激光器8发生的激光竖直穿过激光头模块6和激光头4，水冷铜板1位于激光头4的下方，水冷铜板1上设有基板2。

所述基板2的厚度为30mm。

一种激光增材制造过程中残余应力的控制方法，采用权利要求1-2所述的一种激光增材制造过程中残余应力的控制装置进行以下步骤：

S1.利用激光增材制造过程中残余应力的控制装置通过在不同的打印层使用不同的激光功率的方式生产合金样本；

S2.对合金样本进行残余应力分析，得到残余应力与对应的激光功率之间的关系；

S3.根据得到的残余应力与激光功率之间的关系重新设定激光增材制造过程中残余应力的控制装置，使得激光增材制造过程中残余应力的控制装置在生产合金的过程中所使用的激光功率成规律性变化。

所述步骤S3打印层的层数为20层，每相邻的4层使用相同的激光功率，由下至上的激光功率分布为2300w、2000w、1700w、1400w、1100w。

所述步骤S1合金样本的生产过程中的激光束直径为3mm、扫描速率为600mm/min、送粉速率为10g/min、层高为0.5mm、搭接率为30％、氧含量小于10ppm。

所述步骤S2对合金样本进行残余应力分析包括以下步骤：

S2-1.通过x射线应力分析仪使用x射线衍射技术得到合金样本内部x射线的衍射数据；

S2-2.采用sin2ψ法根据得到的衍射数据进行合金样本内部的残余应力计算，计算式为：