[实用新型]一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置

说明书

技术领域

本发明涉及应用于激光选区熔化成型金属件过程中，特别涉及一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置。

背景技术

激光选区熔化成型技术已经是一种应用较广泛、较为成熟的金属增材制造技术。该技术以激光为热源，通过对精密的光学扫描系统的控制将激光束聚焦到成型平面的金属粉末上，并按照预定的路径高速移动激光焦点，使得成型平面上被扫描到的金属粉末迅速熔化尔后迅速冷却凝固，通过逐层扫描截面区域和逐层叠加的成型方式，最终加工出三维实体金属结构件。

激光选区熔化成型技术在原理上突破了传统机加工技术对于零件外形的限制，使得机械设计的方式发生了巨大飞跃，同时也使这一技术快速渗透进航空航天、医疗、汽车制造等领域。

但是不可否认，激光选区熔化成型技术目前也存在着诸多尚未解决的问题。例如，影响加工精度和加工质量的关键因素之一就是前面提到的光学扫描系统，通常情况下，单光束激光进入扫描系统后首先经过准直和扩束装置从而得到能量均匀且具有一定光斑大小的光束，然后经过振镜扫描装置将光束投射到成型平面上的特定位置，最后经过场镜将光束聚焦在成型平面上，这样就得到了可控的高能量密度的点热源用于高速熔化金属粉末。处于低温状态下的金属粉末被瞬间加热至几千摄氏度然后快速降温至熔点以下，这一过程会在成型后的金属件内部产生不可控的热应力集中现象，将会导致成型件发生凸起、翘曲等现象从而降低成型质量甚至导致加工失败。

因此在激光选区熔化成型金属件的过程中，需要提供一种可以较好的解决上述加工过程中产生的热应力集中的解决方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，该装置通过采用不同光斑大小的双激光束组合成一束同步扫描的激光束，集合了小光斑激光束的高能量密度和大光斑激光束的低能量密度的双重优势，实现了降低激光扫描金属粉末的过程中产生的热应力集中的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本实施例的一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，包括大光斑激光束入射装置、小光斑激光束入射装置、激光束合光组件、X-Y振镜扫描装置以及场镜，所述大光斑激光束入射装置用于将入射光调整为能量均匀的平顶光束，所述小光斑激光束入射装置用于将入射光调整为能量密度较为集中的高斯光束，经大光斑激光束入射装置调整后的大光斑能量输入密度低于经小光斑激光束入射装置调整后的小光光斑的能量，这样大光斑用于预热和后续去应力热处理，小光斑用于熔化粉末成形样品，从而粉末熔化时温度梯度，所述激光束合光组件包括大光斑反射镜和小光斑透射镜，所述X-Y振镜扫描装置包括X轴向振镜和Y轴向振镜；所述大光斑激光束入射装置一端设有大光斑激光器入射接口，另一端接入激光束合光组件上对应的接口，所述小光斑激光束入射装置一端设有小光斑激光器入射接口，另一端接入激光束合光组件上对应的接口，所述大光斑激光束入射接口和小光斑激光束入射接口分别对应大光斑反射镜和小光斑透射镜，经过大光斑反射镜反射和小光斑投射镜透射后的光束合成组合激光束达到X-Y振镜扫描装置，最后通过场镜射入成型区域。

作为优选的技术方案，所述的大光斑激光束入射装置和小光斑激光束入射装置均由准直元件和扩束元件构成，大光斑激光束入射装置和小光斑激光束入射装置均可调节激光束光斑大小。

作为优选的技术方案，所述的激光束合光组件设有大光斑激光束入射接口、小光斑激光束入射接口以及组合激光束出光口，大光斑激光束经过大光斑激光束入射接口后经由大光斑反射镜反射并透射经过小光斑透射镜且与小光斑透射镜反射的小光斑激光束合成组合激光束到达组合激光束出光口。

作为优选的技术方案，所述的X-Y振镜扫描装置由X轴向振镜和Y轴向振镜构成，X-Y振镜扫描装置设有入射接口和出光口，入射接口与激光束合光组件的组合激光束出光口相接，出光口处安装场镜，X轴向振镜和Y轴向振镜分别由X轴向电机和Y轴向电机控制旋转，从而控制组合激光束的扫描过程。

作为优选的技术方案，所述场镜安装于X-Y振镜扫描装置的出光口处，场镜与成型区域的成型平面的距离等于小光斑激光束的焦距长度，可将小光斑激光束聚焦到成型平面上，同时保证大光斑激光束在成型平面处于离焦状态。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的装置可将大光斑光束调整为能量均匀分布的平顶光束，将小光斑光束调整为能量密度相对集中的高斯光束；