[发明专利]一种双光束耦合激光增材成形方法及装置

权利要求书

1.一种双光束耦合激光增材成形方法，双光束耦合是指将辅助激光器发射的辅助光束与主激光器发射的主光束进行汇聚之后耦合输出，辅助光束半径大于主光束；

其特征在于，包括以下步骤：

根据加工需求和激光理论分布模型，确定激光器类型及最大功率和双光束模式；

根据双光束半径关系和功率密度叠加模型，计算成形区域激光平均功率密度；

通过三维热传导公式，求解点热源加热无限大基板温度场解析式；

将直角坐标系转换为柱坐标系，得到有限面热源加热无限大基板温度场解析式；

根据有限面热源加热无限大基板温度场解析式，求解材料未熔化时两点之间的温度梯度；

以温度梯度为优化目标，通过响应面分析法，获得双光束耦合最佳参数范围；

进行双光束耦合激光增材成形。

2.根据权利要求1所述的双光束耦合激光增材成形方法，其特征在于：

激光器类型选择半导体激光器或者光纤激光器，最大功率为1000W-6000W；

双光束模式的主光束采用单模高斯光束，辅助光束采用多模超高斯光束。

3.根据权利要求1所述的双光束耦合激光增材成形方法，其特征在于：定义主光束的功率为P₁、主光束的半径为r₁和辅助光束的功率为P₂、辅助光束的半径r₂；

所述双光束半径关系和功率密度叠加模型如下：

设定主光束的功率密度分布符合高斯分布的形式，满足：其中，A为基板的吸收系数，r为基板一点距离光束中心距离；

设定辅助光束的功率密度分布符合超高斯分布的形式，满足：

4.根据权利要求3所述的双光束耦合激光增材成形方法，其特征在于，所述计算成形区域激光平均功率密度包括以下步骤：

步骤2.1、设定成形区域为圆形，且圆形区域半径与主光束半径一样大，利用极坐标积分计算成形区域激光平均功率密度；

步骤2.2、主光束半径满足1mm＜r₁＜3mm，辅助光束的半径r₂等于k·r₁，基板的吸收系数A为0.3，主光束平均功率密度满足：

当1＜k≤2时，成形区域内辅助光束平均功率密度满足：其中为不完全伽马函数，2＜k时，辅助光束平均功率密度满足：

5.根据权利要求1所述的双光束耦合激光增材成形方法，其特征在于：假设材料满足各向同性，三维热传导公式满足：其中，α是材料的热扩散系数，t是照射时间，利用傅里叶变换求解得到点热源加热无限大基板温度场解析式。

6.根据权利要求5所述的双光束耦合激光增材成形方法，其特征在于：

通过三维热传导公式求解的展开计算式如下：

式中，α是材料的热扩散系数，满足α＝λ/(ρ·c_p)；

λ是材料的导热系数，ρ是材料的密度，c_p是材料的定压比热容。

7.根据权利要求6所述的双光束耦合激光增材成形方法，其特征在于：

点热源直角坐标系解析式，满足：

转换为柱坐标系，满足：

其中，Q为热源强度，在柱坐标系下，设Q_m为面热源强度，通过积分求解有限面热源加热无限大基板温度解析式，满足下式：

8.一种实现权利要求1-7中任一项所述的双光束耦合激光增材成形方法的双光束耦合激光增材成形装置，其特征在于：包括主激光器(1)和辅助激光器(2)，所述的主激光器(1)和辅助激光器(2)分别通过主激光光纤(3)和辅助激光光纤(4)连接熔覆头的两个QBH接头，通过镜组(7)实现激光合束，再依次经过保护镜(8)、保护气(9)以及喷嘴(10)到达机床(12)的基板上对粉末流(11)进行增材成形。