本發(fā)明屬于激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，金屬增材制造技術(shù)主要包括電子束絲材熔化技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)和激光熔覆成形技術(shù)。電子束絲材熔化技術(shù)和電子束選區(qū)熔化技術(shù)對環(huán)境真空度要求高、成形空間小，從而限制成形零件的尺寸，且對于復(fù)雜精細(xì)、薄壁形狀的零件，由于其弧柱較粗，成形精度較差，成形的精細(xì)度、精度和薄壁程度不及激光熔覆成形法，難以獲得比激光熔覆成形更精細(xì)和壁薄的零件。激光選區(qū)熔化技術(shù)是以鋪粉方式進(jìn)行熔覆，粉末利用率不高，而且對成形零件的尺寸要求不能過大。而激光熔覆成形技術(shù)采用送粉的方式進(jìn)行熔覆成形，粉末利用率高，而且成形空間不受限制可應(yīng)用于大尺寸、復(fù)雜零件的熔覆成形，因此，激光熔覆成形技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。(參見文獻(xiàn)：huangc,linx,liuf,etal.effectsofcoolingconditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesinlaserrapidformingof34crnimo6thin-wallcomponent[j].theinternationaljournalofadvancedmanufacturingtechnology,2016,82(5):1269-1279)。在航空發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)上使用的大型薄壁葉片，由于其曲面形狀復(fù)雜、精度要求高，現(xiàn)階段通常采用傳統(tǒng)的銑削加工制造，不僅造價十分昂貴，而且制造效率低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重(參見文獻(xiàn)：gassera,backesg,kelbassai,etal.laseradditivemanufacturing:lasermetaldeposition(lmd)andselectivelasermelting(slm)inturbo-engineapplications[j].lasertechnikjournal,2010,7(2):58-63)。而激光熔覆成形技術(shù)依據(jù)成形構(gòu)件的三維數(shù)字模型，通過激光熔覆金屬粉末逐層沉積成形出構(gòu)件，大大縮短了設(shè)計(jì)、制造的周期，且無需模具、材料利用率高，在制造復(fù)雜薄壁件方面具有廣闊的應(yīng)用前景(參見文獻(xiàn)：qiuc,raviga,dancec,etal.fabricationoflargeti–6al–4vstructuresbydirectlaserdeposition[j].journalofalloys&compounds,2015,629:351-361)。

激光熔覆成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到制造一些重要的大型零件，但在微型和薄壁金屬構(gòu)件的制造上仍然存在諸多問題。比如，由于激光熔覆沉積工藝的熔池尺寸一般為2-3mm，即使目前較成熟的激光近凈成形(lens)工藝，其最小的熔池也為1mm，其成形零件的最小特征尺寸為0.63mm，對成形薄壁件的精確度存在限制(參見文獻(xiàn)：姚波,馬旭龍,葛文君,等.激光微熔覆沉積成形tc4薄壁件組織和性能分析[c],全國特種加工學(xué)術(shù)會議.2013)。其次，激光沉積層存在層間搭接引起的凹凸峰，導(dǎo)致成形零件表面質(zhì)量較低，所以，一般激光熔覆成形工藝制造的薄壁件都需要重洗打磨后才能達(dá)到使用要求。此外，中國專利申請?zhí)枺?01610408053.6名為“傾斜薄壁結(jié)構(gòu)件電弧填絲增材制造方法”指出在堆積單道傾斜薄壁件時，沉積層間可能會由于偏移量過大引起熔池流淌問題，降低成形精度。本裝置的輔助成形系統(tǒng)，能通過高精度機(jī)械手臂調(diào)整雙片陶瓷塊開合大小和角度，保證激光沉積熔池始終在雙片陶瓷塊內(nèi)凝固成形，不僅能突破熔池極限尺寸對成形薄壁件尺寸的精確度限制，提高薄壁件的表面質(zhì)量，而且還能通過實(shí)時控制薄壁厚度和成形方向，克服層間堆積引起熔池流淌問題。

在激光熔覆成形薄壁件時，由于零件長期經(jīng)歷高能激光束的周期性、劇烈、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱，沉積層溫度累計(jì)升高，導(dǎo)致零件內(nèi)應(yīng)力水平很高、演化及交互作用過程極其復(fù)雜的熱應(yīng)力、相變組織應(yīng)力和約束應(yīng)力耦合作用及其應(yīng)力集中，容易引起薄壁件翹曲和開裂(參見文獻(xiàn)：王華明.高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問題[j].航空學(xué)報(bào),2014,35(10):2690-2698)，所以，及時對沉積層降溫處理，對提高熔覆層質(zhì)量十分必要。本裝置中的主動冷卻系統(tǒng)通過定位噴射液氮對激光熔覆沉積層進(jìn)行實(shí)時主動冷卻，不僅能有效解決沉積層溫度升高帶來的熱應(yīng)力堆積開裂等問題，而且液氮冷卻能極大提高熔池冷卻速率和凝固速度，進(jìn)而達(dá)到減小熔覆層微觀組織尺寸和細(xì)化晶粒的作用。研究表明(參見文獻(xiàn)：farshidianfarmh,khajepoura,gerlichap.effectofreal-timecoolingrateonmicrostructureinlaseradditivemanufacturing[j].journalofmaterialsprocessingtechnology,2016,231:468-478)：熔覆層的許多力學(xué)性能都取決于晶粒和微觀組織的尺寸和形狀，細(xì)化晶粒有利于激光熔覆層沉積過程中的斷裂敏感性，提高熔覆層的斷裂伸長率(參見文獻(xiàn)：brandle,schobertha,leyensc.morphology,microstructure,andhardnessoftitanium(ti-6al-4v)blocksdepositedbywire-feedadditivelayermanufacturing(alm)[j].materialsscience&engineeringa,2012,532(3):295-307)。另外，沉積過程無需緩冷過程，可以無間斷激光熔覆沉積過程，提高成形效率。

經(jīng)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枺?01610408053.6名為“傾斜薄壁結(jié)構(gòu)件電弧填絲增材制造方法”提供了一種傾斜薄壁結(jié)構(gòu)件電弧填絲增材制造方法，該方法采用實(shí)時調(diào)整偏移量和與基板角度實(shí)現(xiàn)多層單道傾斜薄壁件結(jié)構(gòu)件的堆積成形。但是，此方法并不適用大角度傾斜薄壁件的制造，對橫向偏移量具有一定的限制，也對制造變厚度傾斜薄壁件不適用。中國專利申請?zhí)枺?0161030234名為“零件與模具的熔積成形加工制造方法”，該方法采用電弧或電子束和激光束復(fù)合工藝成形帶有薄壁或者精細(xì)部分的零件和模具，但是，此方法成形的零件仍然需要采用銑削、研磨或和拋光方式對待成形工件進(jìn)行精整加工,達(dá)到待成形工件的尺寸精度要求和表面精度要求。中國專利申請?zhí)枺?0161030234名為“控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置”，采用低溫氣流對激光熔覆修復(fù)鎳基單晶渦輪葉片過程進(jìn)行主動冷卻，通過提高熔池沿垂直葉尖方向的溫度梯度，增強(qiáng)單晶組織的外延生長能力。但是，此方法局限于單晶葉片的修復(fù)領(lǐng)域，而且低溫氣流的降溫速度有限。因此，提出一種提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的方法及裝置具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的裝置及方法，解決現(xiàn)有激光增材制造薄壁件時存在的熔池極限尺寸對成形薄壁件尺寸的精確度限制、熔覆成形表面質(zhì)量差、效率低、連續(xù)多層熔覆沉積層熱應(yīng)力堆積開裂、微觀組織粗大等問題，以便高效、高質(zhì)量地制造薄壁構(gòu)件。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的裝置，包括移動平臺系統(tǒng)、激光金屬沉積系統(tǒng)、輔助成形系統(tǒng)、主動冷卻系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，

所述移動平臺系統(tǒng)包括固定工作臺、三軸移動平臺和高精度機(jī)械手臂，三軸移動平臺和高精度機(jī)械手臂安裝在固定工作臺上，三軸移動平臺上安裝有工件夾具；

所述激光金屬沉積系統(tǒng)包括激光器、激光頭、送粉器和粉末噴嘴，粉末噴嘴通過送粉銅管與送粉器相連，粉末噴嘴和激光頭安裝在高精度機(jī)械手臂上；

所述輔助成形系統(tǒng)包括兩片陶瓷塊，兩片陶瓷塊通過抓手夾具固定在械抓手上，且兩片陶瓷塊相對設(shè)置，械抓手裝在高精度機(jī)械手臂上；

所述主動冷卻系統(tǒng)包括液氮噴射嘴、電磁控制閥、液氮罐，液氮噴射嘴安裝在激光頭的后方、且與液氮罐連接，所述液氮噴射嘴與液氮罐之間設(shè)置有電磁控制閥；

三軸移動平臺、高精度機(jī)械手臂、送粉器、激光器及電磁控制閥均與中央控制系統(tǒng)連接；中央控制系統(tǒng)通過控制高精度機(jī)械手臂和機(jī)械抓手的聯(lián)動配合能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷塊開合大小、角度的調(diào)整，通過調(diào)節(jié)電磁閥的開合控制液氮的噴射，主動對激光熔覆沉積層快速冷卻，同時還實(shí)時調(diào)整送粉量、激光功率、掃描速度的大小。

進(jìn)一步地，兩片陶瓷塊分別通過緊固螺栓固定在抓手夾具上，抓手夾具裝在所述機(jī)械抓手上。

進(jìn)一步地，所述陶瓷塊由納米氧化鋁材料制成，能在1600℃的高溫下穩(wěn)定工作。

進(jìn)一步地，所述激光器為光纖激光器。

所述提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的裝置實(shí)現(xiàn)薄壁件激光熔覆沉積的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)預(yù)期薄壁件的三維形狀和尺寸建立構(gòu)件cad幾何模型，提取薄壁件的stl模型，然后根據(jù)構(gòu)件的形狀和尺寸選擇分層厚度，利用分層切片軟件對stl模型進(jìn)行分層處理；

步驟二：根據(jù)步驟一的分層確定本層激光沉積層的激光功率、送粉量、掃描速度和沉積高度hn，通過高精度機(jī)械手臂調(diào)整兩塊陶瓷塊之間的間距大小與薄壁件寬度一致、并根據(jù)薄壁件彎曲形狀實(shí)時調(diào)整兩塊陶瓷塊的旋轉(zhuǎn)角度，保證激光沉積熔池始終在兩塊陶瓷塊之間凝固；

步驟三：根據(jù)步驟二沉積高度hn以及薄壁件預(yù)期下層沉積層高度、彎曲角度的要求，通過中央控制系統(tǒng)預(yù)定程序重新調(diào)整激光功率、送粉量、掃描速度、沉積高度hn+1以及兩塊陶瓷塊之間的間距大小、旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行下層熔覆成形，逐層激光熔覆沉積，直到整個薄壁件成形符合要求為止；在每一層激光熔覆沉積過程中，中央控制系統(tǒng)通過控制電磁閥的開合，來控制液氮的噴射量，對每層激光熔覆沉積層進(jìn)行實(shí)時主動冷卻，避免下次沉積時溫度升高帶來沉積層熱應(yīng)力堆積開裂、微觀組織粗大問題。

進(jìn)一步地，下層沉積無需緩冷過程，可以無間斷重復(fù)激光熔覆沉積過程。

進(jìn)一步地，所述薄壁件為直面薄壁件、變厚度薄壁件或曲面薄壁件。

本發(fā)明的有益效果：

①本裝置的輔助成形系統(tǒng)，能通過高精度機(jī)械手臂和機(jī)械抓手14聯(lián)動配合調(diào)整雙片陶瓷塊開合大小和角度，保證激光沉積熔池始終在雙片陶瓷塊內(nèi)凝固成形，不僅能突破熔池極限尺寸對成形薄壁件尺寸的精確度限制，提高薄壁件的表面質(zhì)量，而且還能通過實(shí)時控制薄壁厚度和成形方向，克服層間堆積引起熔池流淌問題。

②本裝置中的主動冷卻系統(tǒng)通過噴射液氮對激光熔覆沉積層進(jìn)行實(shí)時主動冷卻，不僅能有效解決沉積層溫度累計(jì)升高帶來的熱應(yīng)力堆積開裂等問題，而且液氮冷卻能極大提高熔池冷卻速率和凝固速度，進(jìn)而達(dá)到減小熔覆層微觀組織尺寸和細(xì)化晶粒的作用。另外，沉積過程無需緩冷過程，可以達(dá)到無間斷激光熔覆成形，從而提高成形效率。

③本發(fā)明充分利用激光熔覆成形進(jìn)行增材制造的特點(diǎn)，結(jié)合本裝置中的輔助成形系統(tǒng)、主動冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可變厚度直面和曲面薄壁的高質(zhì)量、高效成形，具有節(jié)約昂貴粉末材料、縮短復(fù)雜薄壁件的開發(fā)和制造周期的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為激光熔覆成形制造不同結(jié)構(gòu)薄壁件時的雙片開合式陶瓷塊裝置的狀態(tài)示意圖。

圖3為抓手夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1.固定工作臺；2.三軸移動平臺；3.工件夾具；4.高精度機(jī)械手臂；5.輔助成形系統(tǒng)；6.液氮噴嘴；7.電磁控制閥；8.液氮罐；9.粉末噴嘴；10.送粉器；11.激光頭；12.激光器；13.中央控制系統(tǒng)；14.機(jī)械抓手；15.抓手夾具；15-1.緊固螺栓；15-2.夾具塊；16.直面薄壁件；17.變厚度薄壁件；18.曲面薄壁件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明的一種提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的裝置，包括移動平臺系統(tǒng)、激光金屬沉積系統(tǒng)、輔助成形系統(tǒng)、主動冷卻系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)。

移動平臺系統(tǒng)包括固定工作臺1、三軸移動平臺2、高精度機(jī)械手臂4和機(jī)械抓手14，機(jī)械抓手14安裝在高精度機(jī)械手臂4上，三軸移動平臺2和高精度機(jī)械手臂4安裝在固定工作臺1上，三軸移動平臺2安裝有工件夾具3，工件夾具3通過緊固螺栓對基板進(jìn)行夾緊固定。激光金屬沉積系統(tǒng)包括光纖激光器12、激光頭11、送粉器10和粉末噴嘴9，粉末噴嘴9通過送粉銅管與送粉器10相連，粉末噴嘴9和激光頭11都安裝在高精度機(jī)械手臂4上，通過三軸移動平臺2和高精度機(jī)械手臂4聯(lián)動配合實(shí)現(xiàn)三維空間上不同點(diǎn)、不同角度的激光熔覆沉積成形。同時，可根據(jù)零件的具體特征，實(shí)時調(diào)整光纖激光器12的參數(shù)和送粉器10的送粉量的大小，實(shí)現(xiàn)不同壁厚激光熔覆成形沉積。

輔助成形系統(tǒng)5包括兩片陶瓷塊，所述陶瓷塊由納米氧化鋁材料制成，能在1600℃的高溫下穩(wěn)定工作。兩片陶瓷塊通過抓手夾具15裝在所述機(jī)械抓手14上。抓手夾具15包括緊固螺栓15-1、夾具塊15-2，兩片陶瓷塊分別通過緊固螺栓15-1固定在夾具塊15-2上。機(jī)械抓手14安裝在高精度機(jī)械手臂4上。通過高精度機(jī)械手臂4和機(jī)械抓手14聯(lián)動配合實(shí)現(xiàn)調(diào)整兩片陶瓷塊開合大小與薄壁件寬度一致，并根據(jù)薄壁件彎曲形狀實(shí)時調(diào)整陶瓷塊旋轉(zhuǎn)的角度，保證激光沉積熔池始終在兩片陶瓷塊內(nèi)凝固，完成對激光熔覆沉積過程的輔助成形。圖2所示為本發(fā)所述裝置對直面薄壁件16、變厚度薄壁件17、曲面薄壁件18三種不同薄壁件激光熔覆成形時兩片陶瓷塊的狀態(tài)。

主動冷卻系統(tǒng)包括液氮噴射嘴6、電磁控制閥7、液氮罐8，液氮噴射嘴6安裝在激光頭11的后方，通過電磁閥的開合控制液氮的噴射量，主動對金屬沉積層快速冷卻。

三軸移動平臺2、高精度機(jī)械手臂4、機(jī)械抓手14、送粉器10、激光器12及電磁控制閥7都與中央控制系統(tǒng)13連接，從而實(shí)現(xiàn)中央控制系統(tǒng)13通過可編程程序控制移動平臺系統(tǒng)、激光金屬沉積系統(tǒng)、輔助成形系統(tǒng)、主動冷卻系統(tǒng)的功能，達(dá)到各個系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)工作，靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。

具體的，上述裝置對薄壁件激光熔覆成形的具體過程如下：

針對復(fù)雜薄壁件的三維形狀和尺寸建立構(gòu)件cad幾何模型，提取薄壁件的stl模型，然后根據(jù)構(gòu)件的形狀和尺寸選擇分層厚度，利用分層切片軟件對stl模型進(jìn)行分層處理，最后把可編程程序輸入中央控制系統(tǒng)13，生成掃描路徑。將基板通過工件夾具3，固定在三軸移動平臺2上。根據(jù)化層的沉積層高度hn和寬度，中央控制系統(tǒng)13通過控制光纖激光器12和送粉器10，實(shí)時控制激光沉積層的激光功率、送粉量，此外，通過控制三軸移動平臺2、高精度機(jī)械手臂4和機(jī)械抓手14聯(lián)動配合實(shí)現(xiàn)三維空間上不同點(diǎn)、不同角度的激光熔覆沉積。同時，根據(jù)復(fù)雜薄壁件的不同特征部位，如直面薄壁件14、變截面薄壁件15、曲面薄壁件15。中央控制系統(tǒng)13控制高精度機(jī)械手臂4和機(jī)械抓手14聯(lián)動配合實(shí)現(xiàn)調(diào)整兩片陶瓷塊之間間距的大小與薄壁件寬度一致，根據(jù)薄壁件彎曲形狀實(shí)時調(diào)整兩片陶瓷塊的旋轉(zhuǎn)角度，保證激光熔覆沉積熔池始終在雙片陶瓷塊裝置內(nèi)凝固，如圖2所示。

根據(jù)步驟二沉積高度hn以及薄壁件預(yù)期下層沉積層高度、彎曲角度的要求，通過中央控制系統(tǒng)13預(yù)定程序重新調(diào)整激光功率、送粉量、掃描速度、沉積高度hn+1以及兩塊陶瓷塊之間的間距大小、旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行下層熔覆成形，逐層激光熔覆沉積，直到整個薄壁件成形符合要求為止；在每一層激光熔覆沉積過程中，中央控制系統(tǒng)13通過控制電磁閥的開合，來控制液氮的噴射量，對每層激光熔覆沉積層進(jìn)行實(shí)時主動冷卻，避免下次沉積時溫度升高帶來沉積層熱應(yīng)力堆積開裂、微觀組織粗大問題。下層沉積無需緩冷過程，可以無間斷重復(fù)激光熔覆沉積過程。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種提高激光增材制造薄壁件成形質(zhì)量的方法及裝置，裝置包括移動平臺系統(tǒng)、激光金屬沉積系統(tǒng)、輔助成形系統(tǒng)、主動冷卻系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)。其成形方法是激光金屬沉積系統(tǒng)熔覆成形薄壁件時，輔助成形系統(tǒng)實(shí)時控制薄壁厚度和成形方向，在沉積多層薄壁件時，可以克服層間堆積引起熔池流淌問題，解決薄壁成形由于層間堆積表面粗糙度過大的問題，實(shí)現(xiàn)可變厚度直面、曲面薄壁的加工。同時，主動冷卻系統(tǒng)實(shí)時對沉積層冷卻降溫。本發(fā)明解決了激光熔覆成形表面質(zhì)量低、連續(xù)多層沉積時由于溫度升高帶來沉積層熱應(yīng)力堆積開裂、微觀組織粗大和緩冷導(dǎo)致成形效率低等問題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜薄壁件的高質(zhì)量、高效成形。

技術(shù)研發(fā)人員：王松濤;周建忠;徐家樂;何文淵;黃舒;孟憲凱

受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2017.08.28

技術(shù)公布日：2018.02.13