[发明专利]一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造方法

摘要

本发明一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置及方法，所述装置包括连接接头，分别固定在连接头上端和下端的激光聚焦头和套筒，滑动套设在套筒外部的移动套筒，固定在移动套筒下端的送粉喷嘴，以及用于放置工件的数控工作台；激光聚焦头用于通过聚焦镜在工件加工表面形成光斑；送粉喷嘴用于将粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑；光斑和粉斑中心始终重合；数控工作台用于带动工件相对于聚焦镜做空间移动控制离焦距离；移动套筒上设置有驱动装置，驱动装置用于通过移动套筒带动送粉喷嘴上下移动，调控粉斑大小。所述方法在熔覆层尺寸超出调整范围的厚大工件成形时，采用轮廓扫描和填充扫描相结合的路径成形。

主权项

1.一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造方法，其特征在于，基于一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置，其包括连接接头(1)，分别固定在连接头(1)上端和下端的激光聚焦头(6)和套筒(2)，滑动套设在套筒(2)外部的移动套筒(4)，固定在移动套筒(4)下端的送粉喷嘴(5)，以及用于放置工件的数控工作台(7)；激光聚焦头(6)用于通过聚焦镜在工件加工表面形成光斑；送粉喷嘴(5)用于将粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑；光斑和粉斑中心始终重合；数控工作台(7)用于带动工件相对于聚焦镜做空间运动控制离焦距离，调控光斑大小、控制扫描路径及层间下移量；移动套筒(4)上设置有驱动装置，驱动装置用于通过移动套筒(4)带动送粉喷嘴(5)上下移动，调控粉斑大小，实现光斑与粉斑的匹配；所述驱动装置由伺服电机和连接在伺服电机输出轴上的将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置构成；所述方法包括如下步骤，步骤1，通过实验测量和光学几何计算获取工件加工表面光斑大小与聚焦镜到工件加工表面的距离Z之间的对应关系，以及粉斑大小与送粉喷嘴到工件加工表面的距离z之间的对应关系；步骤2，通过工艺实验和熔覆层几何尺寸测量，建立包括熔覆层尺寸、光斑大小和粉斑大小三个数据之间的对应关系的工艺数据库，并基于工艺数据库的数据建立熔覆层尺寸可控的光斑和粉斑协同控制策略；步骤3，建立工件三维CAD模型，并对工件三维CAD模型进行分层处理，根据每层层面轮廓信息，规划熔覆宽度和填充路径；步骤4，从步骤3中得到的每层的填充路径中，选择当前熔覆层的填充路径，按照填充路径中不同区域的熔覆层尺寸的要求，根据步骤2中得到的工艺数据库和协同控制策略，确定光斑与粉斑大小以及其他工艺参数；然后由步骤1中的对应关系得到在竖直方向上聚焦镜与工件加工表面的距离Z以及送粉喷嘴与工件加工表面的距离z；当熔覆过程中所需要的熔覆宽度变化范围超出光斑、粉斑及其他工艺参数协同调整范围时，根据步骤3中所得到的数据，通过离焦的方式分别对聚焦镜和送粉喷嘴相对工件表面的距离进行在线调节，先通过第一光斑及其对应的粉斑，熔覆成形外形轮廓，再通过第二光斑以及其对应的粉斑熔覆填充工件内部，第一光斑的大小小于第二光斑的大小；步骤5，在熔覆成形时，通过控制移动套筒(4)上的驱动装置调控送粉喷嘴的工作距离，同时通过控制数控工作台(7)控制聚焦镜工作距离、扫描路径及层间的下移量；根据步骤4中所得到的距离数据对工件和送粉喷嘴位置进行实时连续调节；根据已知的熔覆层尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，从而获得设计需求的当前熔覆层尺寸，完成当前层的成形；步骤6，完成当前熔覆层后，降低数控工作台(7)一个分层的高度，在已成形的熔覆层上面按照步骤4和步骤5的方法再熔覆新的熔道，循环操作直至工件制造完成。