[发明专利]一种基于激冷技术的激光沉积制造装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于激冷技术的激光沉积制造装置和方法，属于增材制造技术领域。该激光沉积制造装置包括熔覆头和设置在熔覆头后方的激冷机构，激冷机构与熔覆头产生联动。该基于激冷技术的激光沉积制造方法包括在激光沉积过程中对刚凝固沉积的金属表面进行激冷处理的步骤。本发明通过对刚刚凝固的沉积区域表面进行激冷处理，使呈现拉应力状态的沉积区域及邻近部位急速收缩，产生拉伸塑性变形，降低沉积层热积累，实现对激光沉积制造产品残余应力和热输入的有效控制和管理，降低成形件变形开裂的问题，大大提高成形质量。

技术领域

本发明涉及激光沉积制造技术领域，特别是涉及一种基于激冷技术的激光沉积制造装置和方法。

背景技术

金属激光沉积制造技术是基于层层叠加制造原理，以激光为热源，对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化沉积，来成形具有三维形状的金属零件的技术。该项技术在航空航天中得到广泛应用，尤其是在钛合金等材料大型零部件的直接成形制造和修复领域。

然而，在制造过程中，成形件的变形开裂和成形质量问题是阻碍该项技术发展的主要障碍，尤其是大面积和大体积金属零件的激光沉积制造。导致这个原因的因素是多方面的，包括材料、工艺、设备等。但其主要的原因在于，利用激光将粉末加热融化、冷却凝固后，沉积工件呈现出高的残余拉伸应力状态，造成变形开裂。另外，由于激光的多层扫描，使沉积工件表面热积累较严重，层间温度较高，利用原有的工艺参数下，熔池尺寸发生变化，沉积出的熔覆层的层宽层高出现变化，进而影响沉积质量。

目前，工程上解决层间温度过高导致熔池尺寸变化引起成形质量差的途径有：一种是通过增大层间停留时间，进而降低层间温度，但过长的层间停留时间牺牲了生产效率；一种是根据现场工艺人员的经验实时改变工艺参数，但是这对工艺人员的要求特别严格，并且需要人为持续干预，无法实现自动化。还有解决成形工件残余拉伸应力大导致变形开裂的途径是通过对基板进行预热，降低温度梯度，但是对于像钛合金这样热导率较低的材料和一些成形形状复杂不利于传热的工件，并不能很好的降低残余拉伸应力。

因此，急需一种能够在激光沉积制造过程中降低残余拉伸应力和热积累的装置和方法，进而降低沉积制造过程中的变形开裂，提高成形质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于激冷技术的激光沉积制造装置，使其能够在激光沉积制造过程中降低残余拉伸应力和热积累，从而克服现有的激光沉积制造装置的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激冷技术的激光沉积制造装置，所述激光沉积制造装置包括熔覆头和设置在所述熔覆头后方的激冷机构，所述激冷机构与所述熔覆头产生联动。

进一步地，所述激冷机构通过传送机构实现与所述熔覆头的联动。

进一步地，所述传送机构上设置有第一运动单元和第二运动单元，所述熔覆头设置在第一运动单元上，所述激冷机构设置在第二运动单元上；使用时，第一运动单元始终在第二运动单元的运动方向的前方运动。

进一步地，所述激冷机构还包括用于调整激冷介质流量和流速的控制器。

进一步地，所述激冷机构设置在所述熔覆头后方20～50mm处。

本发明还公开一种基于激冷技术的激光沉积制造方法，所述方法包括在激光沉积过程中对刚凝固沉积的金属表面进行激冷处理的步骤。

进一步改进，所述激冷处理步骤是采用上述的激光沉积制造装置中的激冷机构完成。

进一步改进，所述激冷机构采用的激冷介质为液态氩气、液态氦气或液态氮气。

进一步改进，所述激冷介质的流量和流速根据待成形零件的特征及激光成形参数调整。

进一步改进，所述待成形零件的特征包括成形材料、表面形状和体积大小，所述激光成形参数包括激光功率、扫描速度和送粉速度。