專利名稱：一種三束激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速制造領(lǐng)域，具體涉及兩束長波長激光(二氧化碳)和一束短波長激光( 光纖或Nd:YAG)的復(fù)合掃描快速成形方法，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬粉末的微區(qū)預(yù)熱/熔化/熱處理過程
背景技術(shù)：
采用選擇性激光熔化(Sde^ve L33^ Melting SLM)技術(shù)直接制造金屬零件的快速 成形裝置已經(jīng)有所報道，見"一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)"(公開號為 CN1631582A，
公開日為2005年06月29日)。雖然它們能夠?qū)崿F(xiàn)直接制造任意復(fù)雜的金屬零 件，但是這種掃描裝置沒有預(yù)熱系統(tǒng)。在這種情況下，金屬粉末被迅速移動的激光束掃描后 出現(xiàn)快速熔化和快速凝固現(xiàn)象，并且粉床溫度場分布不均勻，形成較大的溫度梯度和熱應(yīng)力 ，從而易導(dǎo)致金屬零件出現(xiàn)裂紋、翹曲等現(xiàn)象。
對粉床整體預(yù)熱可以降低溫度梯度，緩和熱應(yīng)力，從而大大減少了金屬零件成形過程中 的開裂、翹曲等缺陷。且對粉床整體預(yù)熱可降低激光能量輸入，可以選用較快的掃描速度， 有利于提高成形金屬零件的效率。但是對粉床整體預(yù)熱需要對工作缸加熱。然而，整個成形 裝置都是由金屬零部件組合而成，整體預(yù)熱時機器零部件的熱傳導(dǎo)不可忽視對粉床整體預(yù) 熱容易導(dǎo)致各種電機、激光掃描系統(tǒng)、激光器等電器系統(tǒng)的工作溫度過高，妨礙機器正常運 行甚至損壞機器零部件。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有直接制造金屬零件快速成形預(yù)熱系統(tǒng)存在的不足，本發(fā)明提供了一種三束激光 復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法，該方法可以在零件成形過程中連續(xù)完成預(yù)熱、凝固與 熱處理過程，消除殘余應(yīng)力，大大減小成形零件的裂紋和翹曲現(xiàn)象。
本發(fā)明提供的激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法，其步驟包括
(1)利用波長大于10000nm的第一激光束預(yù)先沿掃描路徑掃描金屬粉末，提高金屬粉末 溫度，并控制激光功率使預(yù)熱溫度低于金屬粉末的熔點；(2) 利用波長小于1100nm的第二激光束以相同速度緊跟第一束激光掃描過的路徑重復(fù) 掃描，使金屬粉末熔化，隨后冷卻凝固；
(3) 利用波長大于10000nm的第三激光束以相同速度緊跟第二束激光掃描過的路徑重復(fù) 掃描，對金屬凝固區(qū)域加熱，實現(xiàn)熱處理。
本發(fā)明方式通過長波長激光(波長大于10000nm，如C02激光)預(yù)熱、短波長激光(波長 小于1100nm，如YAG激光或光纖激光)熔化、再由長波長激光退火熱處理，從而在金屬零件 的成形過程中連續(xù)完成預(yù)熱、熔化與熱處理過程。這種三束激光復(fù)合掃描方法既達到了預(yù)熱 、熔化與熱處理作用，消除殘余應(yīng)力，大大減小成形零件的裂紋和翹曲現(xiàn)象。這種掃描方法 適用于多種金屬粉末材料成形，如成形鐵基、鎳基、鈦基、鎢基金屬合金的復(fù)雜零件，并且 可以極大地減少成形過程中的翹曲和裂紋。
具體而言，這種三束激光復(fù)合掃描方法具有以下優(yōu)點
(1) 長波長激光束具有較大的光斑直徑，且金屬粉末對長波長激光的吸收率較低，可 以對粉床微區(qū)進行預(yù)熱或熱處理，而不使金屬粉末熔化；短波長激光束具有較小的光斑直徑 ，較高的金屬吸收率，極高的能量密度可以使金屬粉末瞬間熔化。
(2) 第一束長波長激光預(yù)先對需要熔化區(qū)域的金屬粉末進行預(yù)熱，使溫度場均勻，減 緩了直接對粉末進行熔化時溫度場的劇烈變化，從而降低溫度梯度，緩和了應(yīng)力場，最終可 減少翹曲、開裂等缺陷；
(3) 第二束短波長激光熔化金屬粉末時無需提供單束激光掃描的高能量密度，這樣不 僅可以降低短波長激光掃描功率，還可以使用高掃描速度，從而提高掃描效率；
(4) 第三束長波長激光對凝固的金屬掃描可以實現(xiàn)熱處理，消除金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力 、改善組織結(jié)構(gòu)，有利于提高成形出的金屬零件的性能；
(5) 這種三束激光掃描方法比單掃描方法大大節(jié)省了成形時間，替代了傳統(tǒng)的預(yù)熱與 熱處理過程，可提高零件的成形效率。
(6) 本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬粉床局部區(qū)域預(yù)熱、熔化和熱處理而不增加設(shè)備整體的 工作溫度，避免了整體預(yù)熱對機器的損害。


圖l為長波長激光先預(yù)熱、短波長激光熔化、長波長激光熱處理示意圖。
具體實施例方式
該方法采用三束激光掃描，將長波長激光束預(yù)熱、短波長激光熔化、長波長激光熱處理 結(jié)合起來進行三束激光復(fù)合掃描成形金屬零件。
下面結(jié)合附圖和實際過程對本發(fā)明作進一步詳細說明。
(1) SLM成形腔內(nèi)先抽真空然后再通入保護性氣氛，將需要成形的金屬粉末平鋪于成形 基板上方，鋪粉厚度約O. 02 0. lmm。用三維造型軟件設(shè)計出所需要成形零件的CAD模型，然 后由切片軟件處理后保存為STL格式，并生成每一切片層的路徑，將STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入SLM設(shè)備；
(2) 使用第一束激光(C02激光)，以優(yōu)化的激光功率和掃描速度沿設(shè)定好的掃描路徑 對粉床掃描預(yù)熱；
(3) 隨后，使用第二束激光(YAG或光纖激光)，以優(yōu)化的激光功率、與第一束激光相 同的掃描速度沿掃描路徑進行掃描熔化，第二束激光光斑位置位于第一束激光光斑掃描方向 后方并相距一定距離；
(4) 最后，使用第三束激光(C02激光)，以優(yōu)化的激光功率和掃描速度沿掃描路徑進 行掃描熱處理，第三束激光光斑位置位于第二束激光光斑掃描方向后方并相距一定距離；
(5) —層掃描結(jié)束后，繼續(xù)成形下一層，直至整個零件加工完畢。 上述金屬材料包括鐵基、鎳基、銅基等金屬粉末材料。該掃描方法可以控制三束激光
掃描的時差、激光參數(shù)，來調(diào)整預(yù)熱與熱處理效果。對金屬粉末預(yù)熱的目的是在其熔化之前 預(yù)先提高金屬粉末的溫度，避免了當短波長激光輻照時溫度驟然提高造成較大的溫度梯度， 從而大大減少裂紋和翹曲現(xiàn)象。熱處理的目的是改善組織，減少應(yīng)力，提高成形件的綜合性 能。
上述過程如圖l所示，首先，第一束長波長激光束1照射到金屬粉床7上形成長波長激光 光斑4，第二束短波長激光束2照射到預(yù)熱后的金屬粉床7上形成激光光斑5，第三束長波長激 光束3照射到金屬粉床7上形成激光光斑6。光斑4、 5、 6以相同的間隔、同樣的速度、沿相同 方向掃描。其中光斑4與金屬粉末相互作用產(chǎn)生熱量對粉床起預(yù)熱作用；光斑5與金屬粉末相 互作用產(chǎn)生較高能量密度，使金屬粉末迅速熔化，隨后迅速凝固；最后，光斑6對凝固的金 屬進行熱處理。
實例l:
選用粒徑為20微米、球形316L不銹鋼粉末進行SLM成形，通過三束激光復(fù)合掃描，目的 是制備出低應(yīng)力、無翹曲、均勻組織的金屬零件。通過CAD軟件設(shè)計出零件圖形，由切片軟 件和路徑軟件處理后 存為STL，并將其輸入到SLM裝備中，進行SLM成形，每一層具體掃描方式如下
使用C02激光作為第一束激光，設(shè)定激光功率為50W、掃描速度為200mm/s，沿設(shè)定好的 掃描路徑對316L不銹鋼粉床進行掃描預(yù)熱；
使用光纖激光作為第二束激光，設(shè)定激光功率為200W、掃描速度為200mm/s，沿掃描路 徑進行掃描熔化，并使第二束激光光斑位置位于第一束激光光斑掃描方向后方并相距O. lmm
使用C02激光作為第三束激光，設(shè)定激光功率為50W、掃描速度為200mm/s，沿掃描路徑 進行掃描熱處理，使第三束激光光斑位置位于第二束激光光斑掃描方向后方并相距O. lmm; 通過逐層加工，反復(fù)循環(huán)，最終成形出高質(zhì)量的316L不銹鋼零件。
本發(fā)明不局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實施實例和附圖公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路 ，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種三束激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法，其步驟包括(1)利用波長大于10000nm的第一激光束預(yù)先沿掃描路徑掃描金屬粉末，提高金屬粉末溫度，并控制激光功率使預(yù)熱溫度低于金屬粉末的熔點；(2)利用波長小于1100nm的第二激光束以相同速度緊跟第一束激光掃描過的路徑重復(fù)掃描，使金屬粉末熔化并凝固；(3)利用波長大于10000nm的第三激光束以相同速度緊跟第二束激光掃描過的路徑重復(fù)掃掃描，對金屬凝固區(qū)域加熱，實現(xiàn)熱處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三束激光復(fù)合掃描的快速制造方法，該方法先利用長波長激光(CO₂激光)對金屬粉末進行預(yù)熱、再利用短波長激光(YAG或光纖激光)對金屬粉末進行熔化、最后利用長波長激光(CO₂激光)對凝固金屬進行熱處理。本發(fā)明使用三束激光復(fù)合掃描，即利用長波長激光預(yù)熱、短波長激光熔化、再由長波長激光熱處理，從而可以實現(xiàn)金屬粉末的預(yù)熱、熔化、熱處理復(fù)合過程。這種三束激光復(fù)合掃描方式可減少金屬零件的內(nèi)應(yīng)力、避免翹曲開裂、改善組織、提高性能。
文檔編號B22F3/105GK101607311SQ20091030463
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者史玉升, 李瑞迪, 王志剛, 魏青松 申請人:華中科技大學(xué)