一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，所述方法采用金属粉末与激光同轴送粉的方式，利用激光热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量激励激光熔池产生超声能场，从而使熔池熔凝过程形成致密且细晶的沉积层组织结构，其包括如下步骤：1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式；3）设定脉冲振荡激光束作用模式；4）启动成形制造程序，开始成形制造过程至制造流程完成。其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

A Manufacturing Method of Two-beam Laser Rapid Prototyping Based on Laser Ultrasound

The invention discloses a manufacturing method of two-beam laser rapid prototyping based on laser ultrasound. The method uses metal powder and laser coaxial powder feeding, uses laser heat source as the main heat source for melting metal powder and making it deposit and forming, and uses high frequency pulse laser energy to excite laser pool to produce ultrasonic energy field, so that the melting process of molten pool is compact and fine-grained. The structure of deposit layer includes the following steps: 1) adjusting the relative position of the main heat source laser and the pulsed oscillating laser so that the energy of the pulsed oscillating laser beam acts on the tail zone of the molten pool; 2) setting the cooperative working mode of the energy of the main heat source laser beam and the pulsed oscillating laser beam; 3) setting the action mode of the pulsed oscillating laser beam; 4) starting the forming process and starting the forming process. The manufacturing process is completed until the manufacturing process is completed. It can increase the density of the solidification structure, the heterogeneous nucleation rate in the molten pool, and promote the uniform nucleation, so that the grain growth in the solidification process can be significantly refined.

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法
本专利技术涉及三维快速成形制造，具体涉及一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法。
技术介绍
三维快速成形（增材制造）技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件增材制造的技术基础是焊接/连接，近20年来，国内外增材制造实现了两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把激光、电子束、电弧等高能束流热源的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。相对于传统的材料切、削、磨等加工技术，增材制造是一种“自下而上”的制造方法，可以有效地缩短产品开发周期，提高产品质量，因此得到了迅速的发展。三维快速成形制造优势在于制造周期短，适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造，以及复杂结构零件制造，在航空航天、机械制造、产品开发阶段、计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前，三维快速成形制造技术是传统大批量制造技术的一个补充，相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属构件的三维快速成形制造应用于产品研发，还存在使用成本高、制造效率低、制造质量尚不能令人满意等问题，其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。目前较为成熟的激光增材制造方法并不适合对铝合金构件的成形，这主要是由于铝合金对激光具有极高的反射率，例如对CO2激光的放射率超过90％。而且，铝合金构件自身又具有良好的导热性，从而造成铝合金增材制造过程中对激光的能量吸收不足。增材制造铝合金构件中极易出现气孔、粗大柱状晶组织等。因此，需要开发一种能够用于铝合金增材制造的激光快速成形制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料结构的激光快速成形制造成形。本专利技术所述的基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，所述方法采用脉冲振荡激光束辅助主热源激光束组成的双激光束熔化同轴送进的金属粉，并激励激光熔池产生超声能场，从而在熔池熔凝过程中形成致密且细晶的沉积层组织结构，其包括如下步骤：1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；需要说明的是，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲也为峰值；当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲为基值；3）设定脉冲振荡激光束作用模式，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；4）启动快速成形制造程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始快速成形制造过程至制造流程完成。进一步，所述主热源激光束为非脉冲模式或脉冲模式，当主热源激光束为脉冲模式时，其与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲。进一步，所述主热源激光束为光纤激光或半导体激光等材料加工用激光束，脉冲振荡激光束为Q调制的Nd:YAG脉冲激光。所述脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束或同轴双激光束；当脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束时，以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；当脉冲振荡激光与主热源激光为同轴双激光束时，脉冲振荡激光束位于主热源激光束光路内部同轴出射，脉冲振荡激光束能量作用于主热源激光束产生的熔池中心。进一步，所述快速成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成快速成形制造程序。进一步，所述主热源激光束的额定功率范围为0.3~6kW。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1、本专利技术利用主热源激光束作为熔化金属粉末并使其沉积成型所需要的主要能量，借助高频脉冲振荡激光能量作用于主热源激光熔池区域，使熔池受激产生超声能场。在超声能场诱发超声流、超声脉动冲击波等物理效应作用下加速熔池中气体溢出，减少宏、微观孔隙，显著提高熔凝结构致密度。同时，高频脉冲振荡激光激励熔池产生的超声能场诱发声空化效应，提高了熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。2、本专利技术通过限定脉冲振荡激光束参数，结合主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式和能量匹配方式，保证了主热源激光束作为热源使用，脉冲振荡激光束起到激励熔池超声能场的作用。-峰值匹配将使脉冲振荡激光脉冲在主热源激光脉冲作用产生熔池的同时在熔池中激励产生超声能场，并在熔池中诱发产生超声脉动冲击波，影响熔池对流和固液界面晶粒形核，使熔池中气相加速逸出以及提高晶核形核率。当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲时，除了脉冲能量峰值-峰值匹配时产生熔池超声能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激励产生超声能场，使上述对熔池的作用效果得以强化。3、本专利技术的金属沉积率高，金属构件成形效率高，且制得的金属内部结构致密，晶粒均匀、细小。4、本专利技术能够实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。附图说明图1是基于激光超声的双光束激光快速成形制造系统的结构示意图；图2是本专利技术实施例一的主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲的波形示意图；图3是本专利技术实施例二的主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲的波形示意图；图中，1—脉冲振荡激光器，2—主热源激光器，3—电源，4—送粉器，5—脉冲振荡激光束，6—主热源激光束，7—基板，8—成形件，9—主热源行走方向，10—主热源激光脉冲，11—脉冲振荡激光脉冲。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作详细说明。参见图1，实现本专利技术方法的基于激光超声的双光束激光快速成形制造系统包括脉冲振荡激光器1、主热源激光器2、电源3、送粉器4和基板7，主热源激光器2与电源3连接，送粉器4输出端与主热源激光器2连接，实现同轴送粉，由脉冲振荡激光器1射出脉冲振荡激光束4，所述基板7固定于快速成形平台上，在基板7上沉积得到成形件8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述方法采用金属粉末与激光同轴送粉的方式，利用激光热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量激励激光熔池产生超声能场，从而形成致密且细晶的沉积层熔凝组织结构，其包括如下步骤：1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值‑峰值匹配；当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值‑峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值‑基值匹配；3）设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；4）启动成形制造程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始成形制造过程至制造流程完成。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法，其特征在于：所述方法采用金属粉末与激光同轴送粉的方式，利用激光热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量激励激光熔池产生超声能场，从而形成致密且细晶的沉积层熔凝组织结构，其包括如下步骤：1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；3）设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；4）启动成形制造程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗怡，蔡玉华，陈东，张福源，阳树青，彭沛森，张荣，杨海林，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50