[发明专利]一种激光增材制造的在线原位应力控制装置

说明书

本发明公开了一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，属于激光增材制造应力控制技术领域。包括：激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、第一振镜组、第二振镜组、第一聚焦镜、第二聚焦镜和加工模块；所述加工模块包括粉床和成形腔；所述扩束器对激光器发出的激光进行扩束后，通过所述分光镜分成第一分光束和第二分光束；所述第一分光束依次经第一振镜组和第一聚焦镜对所述粉床进行加工；所述第二分光束通过反射镜进入到第二振镜组，再经所述第二聚焦镜对所述粉床进行在线热处理。本发明可以在不显著增加激光选区熔化成形设备制造成本和构件制造时间的同时有效降低成形过程中零件的应力。

技术领域

本发明属于激光增材制造应力控制技术领域，更具体地，涉及一种激光增材制造的在线原位应力控制装置。

背景技术

增材制造技术是近几十年逐渐发展起来的一项先进制造技术，该技术基于分层制造、层层叠加的原理，按照CAD的切片数据和扫描路径，使用激光、电子束、电弧等作为热源加热熔化金属粉末、丝材，进而制造出形状几乎可以是任意复杂的金属零部件。在所有的增材制造技术中，基于粉末床的激光选区熔化成形技术是目前最有发展前景的技术之一，该技术使用的激光热源尺寸很小，激光聚焦半径仅在几十个微米，因而可直接一体化成形精密复杂构件。同时，激光选区熔化成形过程中熔池的冷却速率极快(～10⁶℃/s)，可制造出性能更为优异的金属零件。由于具有极大的成形自由度，成形无需模具，极大地降低了零件的成形时间，激光选区熔化成形技术在航空航天领域具有十分重要的应用前景。

然而，由于激光选区熔化成形过程中，激光作用至粉床的热流密度极高，导致在成形过程中产生了极高的温度梯度，使得零件在过程中产生十分大的残余应力。如果残余应力过大，将会导致零件发生变形甚至是开裂，从而导致零件报废，严重制约着该技术的工程应用。近年来，如何降低成形过程中的应力已成为当前的研究热点。专利文献1(CN111687553 A)公开了一种利用超声冲击改善电弧增材制造构件内部残余应力的方法，通过调整超声波冲击参数，在构件内部生成均匀的残余压应力，从而减小裂纹变形的产生。但这种方法不适用于激光选区熔化成形，会导致其运动部件运动精度下降。专利文献2(CN106891006 A)公开了一种减少激光选区熔化增材制造TC4钛合金薄壁件的残余应力的方法，即采用激光重熔工艺，通过选择合适的能量输入对TC4构件进行自退火处理。但激光重熔会导致成形效率大幅降低，不适用于工程应用。专利文献3(CN 110640139 A)公开了一种激光辅助消除激光选区熔化增材制造构件应力的处理方法。通过小光斑的激光束成形零件，而通过大光斑的激光束对零件进行热处理以消除热应力。这种方法可以较好地解决成形效率和在线控制应力的矛盾，但方法需要使用两台激光器，这不仅显著提升设备制造成本，而且增加设备复杂程度。并且，该方法也没有考虑到大光斑光束的扫描策略，所以去除应力的效果受到折扣甚至无法有效消除热应力。

从以上专利文献中可以看出，目前激光选区熔化成形的应力控制是行业内的难点问题，现有的专利提出的应力控制方法有的不适用于激光选区熔化成形，有的明显增加了设备制造成本。因此，本领域需要迫切发展一种高效低成本的在线应力控制装置和方法。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，旨在解决现有激光选区熔化增材制造过程中应力控制难、设备成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光增材制造的在线原位应力控制装置，包括激光器、扩束镜、分光镜、反射镜、第一振镜组、第二振镜组、第一聚焦镜、第二聚焦镜和加工模块；所述加工模块包括粉床和成形腔；

所述扩束器对激光器发出的激光进行扩束后，通过所述分光镜分成第一分光束和第二分光束；

所述第一分光束依次经第一振镜组和第一聚焦镜对所述粉床进行加工；

所述第二分光束通过反射镜进入到第二振镜组，再经所述第二聚焦镜对所述粉床进行在线热处理。

进一步地，所述热处理为预热处理或同步扫描。