[发明专利]一种真空环境激光增材制造金属蒸发控制方法及装置

说明书

本发明提供了一种真空环境金属丝激光增材制造蒸发抑制方法与装置，对金属丝材进行预热，并利用激光光束整形系统改变光束能量的空间分布。包括：在真空环境中，将金属丝进行预热，预热温度低于丝材熔点，可以提高加热效率，降低对激光功率的要求，减少激光对材料长时间加热引起的蒸发。对高斯分布激光进行整形，整形后的激光功率密度均匀分布。利用整形光斑对丝材表面进行加热至熔化，减少高斯热源导致材料局部过热引起的蒸发。本发明可以降低对激光功率要求，有效抑制蒸发，提高空间激光增材制造设备安全性，提高能源利用效率。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种真空环境激光增材制造金属蒸发控制方法及装置。

背景技术

金属空间增材制造技术是未来载人探索太空所需的革命性技术，空间站功能扩展，深空探索都需要通过空间增材制造来实现航天器、空间基地等大型装备的空间制造，以解决现有运输飞船运输重量受限、运输体积受限的瓶颈。

金属粉末在空间微重力下无法有效控制，金属丝材易于控制，材料利用率高、熔覆效率高，因此金属丝材增材制造是空间金属增材制造的更好选择。金属丝材增材制造，根据热源不同分为电子束、电弧和激光，三种热源下的制造技术各有特点。受空间舱尺寸、供给功率、冷却功率等条件的限制，激光熔丝成形由于热量集中，加热快、冷却快、热影响区小，精度高，成为空间金属增材制造的首选。

但是由于空间环境高真空，微重力的特点，金属在高真空环境下蒸发严重，造成能源利用率低，空间环境的污染，金属蒸汽在激光保护镜上附着还将造成激光器的损坏。这不仅限制了该技术在空间的应用，而且制约地面空间高真空模拟实验的开展。

如何降低金属材料在真空环境下的蒸发率，提高能源利用率这一技术难点，目前尚没有可行的解决方案，限制了该技术更大范围的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种真空环境激光增材制造金属蒸发控制方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种真空环境激光增材制造金属蒸发控制方法，包括以下步骤：

(1)预热金属丝材；

(2)激光发生器导出至少2束激光头，激光头以金属丝为中心轴，周向均匀环列分布，发射的激光经过准直扩束镜后，通过光束整形装置改变光束能量的空间分布，使得激光功率密度均匀分布；

(3)整形后的激光光斑汇聚于导丝口外金属丝材表面，激光功率在金属丝材表面均匀分布，利用整形后的激光光斑对金属丝材表面进行加热至熔化。

优选的，所述步骤(1)中预热金属丝材包括：

金属丝材由送丝机构经过准直轮送入导丝管，通过导丝管外侧高频电磁感应装置对金属丝材进行预热。

一种基于如上所述方法的真空环境激光增材制造金属蒸发控制装置，包括装置本体，所述装置本体设置于真空腔内，

所述装置本体包括真空室、送丝系统、高频电磁感应加热装置、电磁加热温度控制系统、激光光束整形系统、熔体表面温度监测控制系统以及移动工作台；

所述送丝系统用于将金属丝材送入导丝管，所述高频电磁感应加热装置安装在所述导丝管外层，与所述导丝管之间通过电/热绝缘层隔开，以对金属丝材进行预热；

所述电磁加热温度控制系统线路连接所述高频电磁感应加热装置，用以控制金属丝材的预热温度；

所述激光发生器发生的激光光束经过准直扩束镜后，通过所述光束整形装置改变光束能量的空间分布；

所述熔体表面温度监测控制系统用于对熔体表面温度进行监控。

优选的，所述高频电磁感应加热装置距离所述导丝管出口一定距离。