本發(fā)明涉及同步送粉的激光金屬增材制造方法，具體為一種光斑與粉斑自動協(xié)同可控的激光金屬增材制造裝置及方法。

背景技術(shù)：

同步送粉激光金屬增材制造技術(shù)作為制造業(yè)的一個新興技術(shù)領(lǐng)域，近年來獲得了迅速地發(fā)展。其原理是先在計算機中生成零件的三維CAD實體模型，然后將模型按一定的厚度分層切片，把零件的三維形狀數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一系列二維平面輪廓信息，隨后在數(shù)控系統(tǒng)控制下，用同步送粉激光熔覆的方法將金屬材料按照一定的填充路徑在一定的基材上逐點填滿給定的二維形狀，重復(fù)這一過程逐層堆積形成三維實體零件。相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，其具有無模具、高柔性、短周期、成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜等一系列優(yōu)點。因此，該技術(shù)在航空、航天、模具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前同步送粉激光增材制技術(shù)基本采用不變?nèi)蹖挼脑霾闹圃旆绞?，往往存在高效率低精度，高精度低效率的技術(shù)瓶頸。一方面，為了提高精度通常采用小激光光斑實現(xiàn)小熔寬熔覆，由單道或多道搭接實現(xiàn)較高精度的構(gòu)件成形，因而成形件的精度較高但效率偏低；另一方面，為了提高效率通常采用大激光光斑實現(xiàn)大熔寬熔覆，因而成形件的效率較高但精度相應(yīng)下降。另外，針對金屬構(gòu)件不同壁厚，采用不同數(shù)量多道搭接的方式實現(xiàn)，因而大大減低了成形的效率，并影響成形質(zhì)量。針對不同壁厚的成形，目前國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了變光斑增材制造的技術(shù)，通過動態(tài)改變光斑的大小來控制熔道寬度，進而實現(xiàn)一些寬度變化構(gòu)件的形狀適應(yīng)性形成甚至是一道成形，避免了掃描路徑與搭接率對成形質(zhì)量的影響，同時提高了成形效率。其方法包括通過改變聚焦透鏡與工作表面的相對距離，以離焦的方式來改變光斑大小，粉末噴嘴與工作表面的相對距離保持不變，其粉斑大小不變。然而，根據(jù)同步送粉激光增材制造的激光與粉末的交互作用及沉積過程的研究，實際成形過程中光斑尺寸-粉斑尺寸-其他成形工藝參數(shù)必須有較好的匹配才能實現(xiàn)良好的成形效果。僅僅動態(tài)調(diào)整激光光斑的尺寸，而不同步控制粉末的輸送將不能保證變?nèi)蹖挸尚蔚某尚钨|(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種光斑與粉斑自動協(xié)同可控的激光金屬增材制造裝置及方法，能夠根據(jù)熔覆寬度要求自行調(diào)整光斑大小，并同步改變粉斑大小，使光斑與粉斑大小相適應(yīng)，且整個調(diào)整過程為無極自動調(diào)整，精度高，可靠性強。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種光斑與粉斑自動協(xié)同可控的激光金屬增材制造裝置，包括連接接頭，分別固定在連接頭上端和下端的激光聚焦頭和套筒，滑動套設(shè)在套筒外部的移動套筒，固定在移動套筒下端的送粉噴嘴，以及用于放置工件的數(shù)控工作臺；激光聚焦頭用于通過聚焦鏡在工件加工表面形成光斑；送粉噴嘴用于將粉末流匯聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑；光斑和粉斑中心始終重合；數(shù)控工作臺用于帶動工件相對于聚焦鏡做空間移動控制離焦距離，調(diào)控光斑大?。灰苿犹淄采显O(shè)置有驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置用于通過移動套筒帶動送粉噴嘴上下移動，調(diào)控粉斑大小。

優(yōu)選的，套筒一側(cè)開孔連接送氣管，送氣管的另一端連接氬氣源。

優(yōu)選的，套筒外壁和移動套筒內(nèi)壁之間呈間隙設(shè)置。

優(yōu)選的，所述驅(qū)動裝置由伺服電機和連接在伺服電機輸出軸上的將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的運動轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。

一種光斑與粉斑自動協(xié)同可控的激光金屬增材制造方法，基于本發(fā)明所述的裝置，其包括如下步驟，

步驟1，通過實驗測量和光學(xué)幾何計算獲取工件加工表面光斑大小與聚焦鏡到工件加工表面的距離Z之間的對應(yīng)關(guān)系，以及粉斑大小與送粉噴嘴到工件加工表面的距離z之間的對應(yīng)關(guān)系；

步驟2，通過工藝實驗和熔覆層幾何尺寸測量，建立包括熔覆層尺寸、光斑大小和粉斑大小三個數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系的工藝數(shù)據(jù)庫，并基于工藝數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)建立熔覆層尺寸可控的光斑和粉斑協(xié)同控制策略；

步驟3，建立工件三維CAD模型，并對工件三維CAD模型進行分層處理，根據(jù)每層的層面輪廓信息，規(guī)劃熔覆寬度和掃描路徑；

步驟4，從步驟3中得到的每層的掃描路徑中，選擇當前熔覆層的掃描路徑，按照掃描路徑中不同區(qū)域的熔覆層尺寸的要求，根據(jù)步驟2中得到的工藝數(shù)據(jù)庫和協(xié)同控制策略，確定光斑與粉斑大小以及其他工藝參數(shù)；然后由步驟1中的對應(yīng)關(guān)系得到在豎直方向上聚焦鏡與工件加工表面的距離Z以及送粉噴嘴與工件加工表面的距離z；

步驟5，在熔覆成形時，通過控制移動套筒上的驅(qū)動裝置M調(diào)控送粉噴嘴的工作距離，同時通過控制數(shù)控工作臺控制聚焦鏡工作距離、掃描路徑及層間的下移量；根據(jù)步驟4中所得到的距離數(shù)據(jù)對工件和送粉噴嘴位置進行實時連續(xù)調(diào)節(jié)；根據(jù)已知的熔覆層尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系，同步調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度及送粉量，從而獲得設(shè)計需求的當前熔覆層尺寸，完成當前層的成形；

步驟6，完成當前熔覆層后，降低數(shù)控工作臺一個分層的高度，在已成形的熔覆層上面按照步驟4和步驟5的方法再熔覆新的熔道，循環(huán)操作直至工件制造完成。

優(yōu)選的，步驟4中熔覆層尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系能夠預(yù)先通過實驗獲得；實驗時，在不同的光斑大小、粉斑大小、激光功率、掃描速度和送粉量條件下進行熔覆，然后測量確定熔覆層尺寸，得到熔覆層尺寸與工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

優(yōu)選的，步驟4中，當熔覆過程中所需要的熔覆寬度變化范圍在光斑、粉斑及其他工藝參數(shù)協(xié)同調(diào)整范圍內(nèi)時，可根據(jù)步驟4中所得到的數(shù)據(jù)通過控制驅(qū)動裝置和數(shù)控工作臺，連續(xù)改變聚焦鏡與工件表面的距離以及送粉噴嘴與工件表面的距離，進而連續(xù)改變光斑與粉斑的大小。

進一步，步驟4中，當熔覆過程中所需要的熔覆寬度變化范圍超出光斑、粉斑及其他工藝參數(shù)協(xié)同調(diào)整范圍內(nèi)時；根據(jù)步驟3中所得到的數(shù)據(jù)，通過離焦的方式分別對聚焦鏡和送粉噴嘴相對工件表面的距離進行在線調(diào)節(jié)，先通過第一光斑及其對應(yīng)的粉斑，熔覆成形外形輪廓，再通過第二光斑以及其對應(yīng)的粉斑熔覆填充工件內(nèi)部，第一光斑的大小小于第二光斑的大小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過增加一個獨立的驅(qū)動裝置，利用粉末流的匯聚和發(fā)散特性控制加工表面上粉斑的大小，利用現(xiàn)有的數(shù)控工作臺完成光斑大小、熔覆路徑及層間下移量的控制。在變?nèi)蹖挼娜鄹策^程中同步改變光斑與粉斑的大小，實現(xiàn)光斑與粉斑的良好匹配，使熔覆過程更加穩(wěn)定，提高熔覆精度，保證成形表面和內(nèi)部質(zhì)量。通過激光光斑和粉斑的同步協(xié)同調(diào)整，實現(xiàn)兼顧效率和精度的高質(zhì)量同步送粉激光增材制造。

進一步的，本發(fā)明所述裝置，通過氬氣保護，能夠保證裝置內(nèi)腔為正壓，防止煙霧、粉塵等污染光路；通過套筒和移動套筒之間的間隙，以保證套筒可自由上下移動。

本發(fā)明所述方法在熔覆層尺寸超出調(diào)整范圍的厚大工件成形時，采用輪廓掃描和填充掃描相結(jié)合的路徑成形，通過在同一熔覆層利用較小的光斑及其對應(yīng)的粉斑熔覆成形外形輪廓以確保外表面尺寸精度，利用較大的光斑以及其對應(yīng)的粉斑熔覆填充工件內(nèi)部，從而在保證成形精度和質(zhì)量的前提下，提高成形效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實例中所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實例一中對變壁厚構(gòu)件單道成形的示意圖。

圖3a是本發(fā)明實例二中調(diào)控第一光斑及對應(yīng)粉斑對工件輪廓進行熔覆示意圖。

圖3b是本發(fā)明實例二中調(diào)控第二光斑及相適應(yīng)粉斑對工件內(nèi)部進行熔覆填充示意圖。

圖4是本發(fā)明實例中所述方法的工藝流程圖。

圖中：連接接頭1，套筒2，送氣管3，移動套筒4，送粉噴嘴5，激光聚焦頭6，數(shù)控工作臺7。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明一種光斑與粉斑可控的激光金屬增材制造裝置，如圖1所示，包括連接接頭1，固定在連接頭1下端的套筒2，套筒2外部為移動套筒4，連接接頭1上端連接激光聚焦頭，激光聚焦頭通過聚焦鏡在工件加工表面形成光斑，送粉噴嘴5將粉末流匯聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑，光斑和粉斑中心始終重合。待加工工件放置在數(shù)控工作臺7上；工件在數(shù)控工作臺7的帶動下，可隨數(shù)控工作臺7相對于聚焦鏡做空間運動，從而實現(xiàn)激光離焦距離的控制(調(diào)控加工表面光斑大小)、，熔覆路徑的控制及層間下移量的控制；移動套筒4上連接有驅(qū)動裝置M用于控制送粉噴嘴5上下移動，利用粉末流的匯聚和發(fā)散特性控制加工表面上粉斑的大小。

其中，套筒2一側(cè)開孔連接送氣管3，送入氬氣以保證加工頭內(nèi)腔為正壓，防止煙霧、粉塵等污染光路。套筒2和移動套筒4之間留有間隙以保證套筒4可自由上下移動，移動套筒4連接驅(qū)動裝置，移動套筒4的下端固定送粉噴嘴5，通過控制移動套筒4上下移動帶動送粉噴嘴5上下移動。驅(qū)動裝置由伺服電機M和連接在伺服電機M輸出軸上的將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的運動轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。

本發(fā)明一種光斑與粉斑自動協(xié)同可控的激光金屬增材制造方法在進行具體工件成形時，如下兩個實施例所述。

實例1

采用本發(fā)明所述方法對變壁厚構(gòu)件單道成形時，如圖2所示，其包括以下步驟。

步驟1，通過實驗測量和光學(xué)幾何計算獲取工件加工表面光斑大小與聚焦鏡到工件加工表面的距離Z之間的對應(yīng)關(guān)系，以及粉斑大小與送粉噴嘴到工件加工表面的距離z之間的對應(yīng)關(guān)系；

步驟2，通過工藝實驗和熔覆層幾何尺寸測量，建立包括熔覆層尺寸、光斑大小和粉斑大小三個數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系的工藝數(shù)據(jù)庫，并基于工藝數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)建立熔覆層尺寸可控的光斑和粉斑協(xié)同控制策略；

步驟3，利用計算機建立三維CAD模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取工件的各層面輪廓信息。

步驟4，規(guī)劃激光熔覆成形的空間運動軌跡，將運動信息輸入到運動控制系統(tǒng)中。具體方法如下：

將步驟3中得到的層面輪廓信息輸入到三維坐標中，根據(jù)其輪廓信息規(guī)劃出熔覆寬度與填充路徑，如圖2所示，按照熔覆寬度，根據(jù)步驟2中得到的工藝數(shù)據(jù)庫和協(xié)同控制策略，確定在點O_i(X_i，Y_i)處的光斑及粉斑尺寸；再根據(jù)光斑及粉斑尺寸由步驟1中的對應(yīng)關(guān)系，確定點O_i處的聚焦鏡與工件表面的距離Z_i和送粉噴嘴與工件表面的距離z_i，這樣就得到一組數(shù)據(jù)O_i(X_i，Y_i，Z_i，z_i)。在點O_j(X_j，Y_j)處光斑粉斑尺寸發(fā)生改變，同樣Z_j、z_j隨之改變，又得到一組數(shù)據(jù)O_j(X_j，Y_j，Z_j，z_j)。結(jié)合其掃描路徑和熔覆寬度就會得到這樣一串數(shù)據(jù)O₁，O₂，……，O_n，然后將這些信息輸入到運動控制系統(tǒng)中，對激光聚焦鏡、送粉噴嘴5和數(shù)控工作臺7的相對運動進行控制。

步驟5，在熔覆過程中，控制系統(tǒng)按照步驟4中所輸入的數(shù)據(jù)O₁，O₂，……，O_n通過控制數(shù)控工作臺7和伺服電機M，對工件和送粉噴嘴位置進行實時連續(xù)調(diào)節(jié)。當數(shù)控裝置控制工件待加工處空間運動到點O_i1(X_i，Y_i，Z_i)，電機M同步控制送粉噴嘴相對于聚焦鏡沿Z方向運動到點O_i2(X_i，Y_i，z_i)，光斑與粉斑的尺寸隨之改變。根據(jù)已知的熔覆層尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系，同步調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度及送粉量，從而獲得所需的熔覆層尺寸，完成當前熔覆層的激光成形；其中，工藝參數(shù)包括光斑大小、粉斑大小、激光功率、掃描速度和送粉量。

步驟6，完成一層后，降低加工臺一個分層的高度，在已經(jīng)熔覆層上按照步驟4和5再熔覆新的熔道，如此循環(huán)直至三維零件制造完成。

實例2

采用本發(fā)明所述方法提高激光增材制造在成形厚大構(gòu)件時的成形效率與精度，如圖4所示，其具體包括以下步驟：

步驟1，通過實驗測量和光學(xué)幾何計算獲取工件加工表面光斑大小與聚焦鏡到工件加工表面的距離Z之間的對應(yīng)關(guān)系，以及粉斑大小與送粉噴嘴到工件加工表面的距離z之間的對應(yīng)關(guān)系；

步驟2，通過工藝實驗和熔覆層幾何尺寸測量，建立包括熔覆層尺寸、光斑大小和粉斑大小三個數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系的工藝數(shù)據(jù)庫，并基于工藝數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)建立熔覆層尺寸可控的光斑和粉斑協(xié)同控制策略；

步驟3，利用計算機建立三維CAD模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取工件的各層面輪廓信息。

步驟4，規(guī)劃激光熔覆成形的空間運動軌跡，將運動信息輸入到運動控制系統(tǒng)中。具體方法如下：

將步驟3中得到的層面輪廓信息輸入到三維坐標中，根據(jù)其輪廓信息規(guī)劃出熔覆寬度與掃描路徑，如圖3a和圖3b所示，采用輪廓掃描和填充掃描相結(jié)合的路徑成形。輪廓掃描采用較小的熔覆寬度d以確保表面尺寸精度，如圖3a所示，按照熔覆寬度d，根據(jù)步驟2中得到的工藝數(shù)據(jù)庫和協(xié)同控制策略，確定輪廓掃描時的第一光斑及粉斑尺寸，再根據(jù)第一光斑與粉斑尺寸由步驟1中的對應(yīng)關(guān)系，確定熔覆時聚焦鏡與工件表面的距離Z1和送粉噴嘴與工件表面的距離z1。填充掃描采用較大的熔覆寬度D以提高成形效率，如圖3b所示，按照熔覆寬度D，根據(jù)步驟2中得到的工藝數(shù)據(jù)庫和協(xié)同控制策略，確定填充掃描的第二光斑及粉斑尺寸，再根據(jù)第二光斑與粉斑尺寸由步驟1中的對應(yīng)關(guān)系，確定熔覆時聚焦鏡與工件表面的距離Z2和送粉噴嘴與工件表面的距離z2。然后將這些信息輸入到運動控制系統(tǒng)中，對激光聚焦鏡、送粉噴嘴5和數(shù)控工作臺7的相對運動進行控制。

步驟5，在熔覆過程中，控制系統(tǒng)按照步驟4中所輸入的數(shù)據(jù)，通過控制設(shè)備原有的數(shù)控裝置數(shù)控工作臺7和伺服電機M，對工件和送粉噴嘴位置進行實時連續(xù)調(diào)節(jié)，光斑與粉斑的尺寸隨之改變。根據(jù)已知的熔覆層尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系，同步調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度及送粉量，從而獲得所需的熔覆層尺寸，完成當前熔覆層的激光成形。

步驟6，完成一層后，降低加工臺一個分層的高度，在已經(jīng)熔覆層上按照步驟4和5再熔覆新的熔道，如此循環(huán)直至三維零件制造完成。

實例中，步驟1和2所得到的對應(yīng)關(guān)系與工藝數(shù)據(jù)庫，對同一設(shè)備上進行不同零件的成形都是適用的，對于同一設(shè)備多個不同零件的成形時，只需要在設(shè)備第一次運行時執(zhí)行，后續(xù)的零件成形可直接從步驟3開始。