[发明专利]一种利用超高频振动激光束调控金属粉末熔凝过程的方法

说明书

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种利用超高频振动激光束调控金属粉末熔凝过程的方法，在激光选区熔化增材制造系统中搭建高频振动激光束光路系统来产生超高频振动的激光束，通过改变激光束作用在金属粉末的移动方式，对激光熔化形成的瞬态熔池产生强烈而迅速的搅拌作用，从而实现对金属粉末熔凝过程的调控。本发明利用高频扭转振镜改变激光作用方式，调控金属粉末熔凝过程，使得激光熔化形成的瞬态熔池产生强烈而迅速的搅拌作用，可防止熔池表面局部温度过高、抑制汽化，实现熔池内气泡的排出，解决了成型件致密度低、翘曲分层等问题。同时，对熔池的快速搅拌也可使复合材料均匀分散从而获得高致密度的复合材料成型件。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种利用超高频振动激光束调控金属粉末熔凝过程的方法。

背景技术

激光选区熔化过程是高能量密度能量束直接作用在金属粉末床上，金属粉末吸收能量迅速熔化乃至于蒸发、汽化，能量束离开作用区域后，熔化的金属粉末快速凝固。因为金属粉末和粉末间隙的气体导热慢，就会出现粉末表面已经汽化但是内部还未完全熔化的情况。因此，为了保证全部熔透，一般采用较大的能量作用在金属粉末上，汽化带来的粉末剥离和熔池飞溅对整个成形过程都是不利的。相应的，迅速凝固不利于熔池内部气孔的排出以及热应力的释放，导致成型件致密度低、翘曲分层等缺陷。

激光选区熔化成型件的致密度和裂纹是亟待解决的问题，目前提高成型件致密度和改善裂纹常用的方法包括：改变扫描速度和激光功率、底板辅热、改变扫描路径等，但这些调控方法都各有其局限性。研究已经证实机械式介入超声振动金属熔体或者振动激光束熔化金属并搅拌熔池能够有效地抑制合金材料内部产生孔隙而提高成型件的致密度。然而，目前熔池的搅拌方式都是通过光路系统上的XY振镜来实现的，XY振镜受限于其工作原理导致振动频率有限，仅仅能在介观尺寸实现慢速的熔池搅拌，还无法实现微观尺寸的快速熔池搅拌。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是解决激光熔化金属材料熔池表面局部温度过高致材料汽化、孔洞增加等问题，提高金属成型件的致密度，提供一种利用超高频振动激光束调控金属粉末熔凝过程的方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用超高频振动激光束调控金属粉末熔凝过程的方法，在激光选区熔化增材制造系统中搭建高频振动激光束光路系统，采用高频振动激光束光路系统产生超高频振动的激光束，通过改变激光束作用在金属粉末的移动方式，对激光熔化形成的瞬态熔池产生强烈而迅速的搅拌作用，从而实现对金属粉末熔凝过程的调控。

进一步，所述高频振动激光束光路系统包括沿光路依次设置的激光器、机械光闸、两个垂直安装的高频扭转振镜、扩束镜、XY振镜、动态聚焦镜/场镜；

利用两个彼此垂直安装的高频扭转振镜的相互扭转，带动激光束实现高频小振幅的任意方向的振动，从而产生超高频振动激光束；

扩束镜将激光器出光光束直径变大，从而在工作面得到更小的聚焦光斑；

XY振镜用于反射并改变光路来实现激光在整个工作面内的扫描；

动态聚焦镜或场镜用于实现在扫描面范围内激光光斑的聚焦。

进一步，所述高频扭转振镜包括高频扭转机构、反射镜；所述高频扭转机构带动反射镜实现高频、小振幅的扭转，激光束作用在所述反射镜上，从而实现激光束的高频小振幅的往复振动。

进一步，所述反射镜上镀有与激光波长相对应的介质膜，反射镜的尺寸大于作用在其上的激光束的尺寸。

进一步，激光束作用在金属粉末的移动方式为无搅拌、沿扫描方向往复搅拌、沿扫描正方向搅拌、沿扫描反方向搅拌、垂直于扫描方向往复搅拌中的任意一种。