一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置与方法；包括由多套脉冲激光与连续激光同轴耦合的复合激光单元组成的增减材激光光路装置；复合激光单元的超快激光器出射的激光，在经过第二准直器和第二光束整形器后，被整形成所需的光束空间分布；连续光纤激光器出射的激光，在经过第一准直器和第一光束整形器后，被整形成所需的光束空间分布作为连续激光；整形后的连续激光光路和脉冲激光光路的出射光束，通过45

【技术实现步骤摘要】
一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置与方法


[0001]本专利技术涉及増材制造的
，尤其涉及一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置与方法。

技术介绍

[0002]粉末床激光熔融技术(Laser powder bed fusion,LPBF)是一种使用高能激光束逐层熔化金属粉末并凝固堆积成型的金属增材技术，可一体化、快速制造传统加工方法无法成型的精密复杂结构零件，相较于其他增材成型方式，具有成型精度高，致密度高，力学性能优良，可成型复杂精细结构等优势。但逐层熔融堆积的成型方式，使得成型零件边缘有大量粉末粘附，层与层之间还会存在台阶效应，降低了零件的成型精度和表面质量。增材成型过程中，一些飞溅、球化、裂纹等成型缺陷，将使最终成型的零件整体性能下降，同时这些缺陷将对下一层铺粉造成不利影响，加重缺陷的负面影响，甚至导致打印失败。
[0003]近年来，使用其他加工方式与增材制造相复合的混合制造方法受到广泛关注。
[0004]将一种及以上的加工工艺与增材制造相结合，保留增材制造本身的优势，借助其他加工工艺，消除或减少增材制造本身的缺陷，达到优势互补的目的，与超快激光减材相结合就是其中一种方式。
[0005]有研究人员采用连续光纤激光增材与超快脉冲激光减材结合的方式进行激光增减材复合加工，但这样的加工方式存在一些技术难题，如复合加工的效率过低，两种工艺难以有机结合，两种类型激光对准精度的问题。
[0006]因此，增加复合加工效率，灵活配置不同类型激光，提升不同类型激光束对准精度对超快脉冲激光复合增减材制造具有重大意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置与方法。
[0008]本专利技术基于粉末床激光熔融技术和超快激光切削技术，将连续激光和超快激光进行同轴耦合，组成一套复合激光单元，大幅度提升两种类型激光的耦合精度；同时多套同幅面复合激光单元的协调工作可以成倍提升复合成型的效率。通过增材成型、超快激光减材切削和激光表面处理的多种工作模式轮换进行，最终实现了低缺陷、高性能、高成型精度、高表面质量的大尺寸复杂结构金属零件的高效一体化增减材复合制造。
[0009]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0010]一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置，包括由多套脉冲激光与连续激光同轴耦合的复合激光单元组成的增减材激光光路装置；
[0011]所述复合激光单元，包括连续光纤激光器9、第二准直器10、第二光束整形器11、超快激光器8、第一准直器13、第一光束整形器14，45
°
合束镜12、X轴扫描振镜15、Y轴扫描振镜17和f
‑
θ镜16；
[0012]所述超快激光器8出射的激光，在经过第二准直器10和第二光束整形器11后，被整形成所需的光束空间分布，作为脉冲激光；
[0013]所述连续光纤激光器9出射的激光，在经过第一准直器13和第一光束整形器14后，被整形成所需的光束空间分布作为连续激光；
[0014]整形后的连续激光光路和脉冲激光光路的出射光束，通过45
°
合束镜12同轴耦合为一束复合激光，再经过X轴扫描振镜15、Y轴扫描振镜17和f
‑
θ镜16后，被聚焦至工件表面。
[0015]所述复合激光单元，至少为两套以上相互独立、且均能覆盖整个工作区域的复合激光单元。
[0016]所述光束空间分布，是指如平顶光束或者贝塞尔光束。
[0017]所述连续光纤激光器9为1090nm光纤激光器；超快激光器8为皮秒激光器或者飞秒激光器，波长为1030nm，脉冲频率为：皮秒激光器50kHz～2M Hz，飞秒激光器1kHz～1M kHz。
[0018]一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置的成型方法，包括如下步骤：
[0019]根据零件的属性要求，对零件的模型进行数据处理，分别规划增材与减材的路径数据；
[0020]一.增材处理步骤：
[0021]连续激光经过第一准直器13和第一光束整形器14后，聚焦到工件的成形加工表面，在X轴扫描振镜的控制下进行SLM增材成型，第一光束整形器14将聚焦光斑整形成平顶光或所需类型光斑，对工件的加热区域和熔化区域进行精细调控，获得所需温度梯度更小更均匀的熔池，改善增材制造零件的最终性能；
[0022]或者，选择通入脉冲激光，使用超快激光对工件进行增材成型；
[0023]或者，同时通入连续激光和脉冲激光，此时连续激光加热软化粉末作业，脉冲激光熔化粉末成型作业；
[0024]二.减材处理步骤：
[0025]超快激光器8调整为减材模式，第二光束整形器11将激光束转换为贝塞尔光束，以增大瑞丽深度；
[0026]三.表面处理步骤：
[0027]在增材处理步骤中，当工件增材成型一个片层后，使用连续激光对工件的增材成型表面进行重熔；或者，使用超快激光，对增材成型表面进行表面抛光；或者，使用超快激光，在表面选定区域进行冲击强化，调整表面应力分布；
[0028]四.根据零件增材与减材的切片和路径数据，重复进行增材处理步骤、减材处理步骤、表面处理步骤，直至完成整个工件的成型加工。
[0029]在上述减材处理步骤中，使用超快激光对增材成型的工件轮廓进行扫描切削，以消除零件边缘的粉末黏附、台阶效应，切除熔道边缘弧形突起；
[0030]在上述增材处理步骤中，应根据减材加工的切割余量，在进行增材制造的路径规划时，对期望的轮廓进行正补偿，预留减材的余量。
[0031]在上述减材处理步骤中，脉冲激光在SLM成型后的每层进行，或者在成型若干层后进行；
[0032]在上述增材处理步骤中，工件的增材制造完成一层后，使用脉冲激光进行表面粗抛，以除去增材制造过程中飞溅、球化以及熔道不平形成的起伏；
[0033]在上述增材处理步骤中，判定所在区域为工件增材的最后一层，即零件的上表面时，使用脉冲激光进行多次精细抛光；而工件增材过程中，即非最后一层的区域，则仅进行粗抛或者不抛光。
[0034]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
[0035]1.本专利技术集成了激光增材成形、激光减材成形(包括激光边缘切割、零件内部材料直接去除)、激光表面加工(激光重熔、激光抛光、激光冲击强化)多种加工技术于一体，可实现高精度、高表面质量、高性能金属零件原位一体化成型；
[0036]2.本专利技术采用同轴耦合的光路设计，可以大幅度提升光纤激光和脉冲激光的对准精度，显著提升复合成形的最终成型精度；
[0037]3.本专利技术集成了多套独立工作的同幅面复合激光单元，相互之间协同工作，增材与减材可同时进行，并依照工作情况，灵活分配每个激光单元进行增材与减材，避免出现部分激光单元等待其他激光单元工序完成的情况，成倍提高复合成型效率
[0038]4.本专利技术的光束整形功能，可以精准调控激光能量分布，提升增材制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同轴耦合的多激光增减材复合成形装置，包括由多套脉冲激光与连续激光同轴耦合的复合激光单元组成的增减材激光光路装置；其特征在于，所述复合激光单元，包括连续光纤激光器(9)、第二准直器(10)、第二光束整形器(11)、超快激光器(8)、第一准直器(13)、第一光束整形器(14)，45
°
合束镜(12)、X轴扫描振镜(15)、Y轴扫描振镜(17)和f
‑
θ镜(16)；所述超快激光器(8)出射的激光，在经过第二准直器(10)和第二光束整形器(11)后，被整形成所需的光束空间分布，作为脉冲激光；所述连续光纤激光器(9)出射的激光，在经过第一准直器(13)和第一光束整形器(14)后，被整形成所需的光束空间分布作为连续激光；整形后的连续激光光路和脉冲激光光路的出射光束，通过45
°
合束镜(12)同轴耦合为一束复合激光，再经过X轴扫描振镜(15)、Y轴扫描振镜(17)和f
‑
θ镜(16)后，被聚焦至工件表面。2.根据权利要求1所述同轴耦合的多激光增减材复合成形装置，其特征在于，所述复合激光单元，至少为两套以上相互独立、且均能覆盖整个工作区域的复合激光单元。3.根据权利要求2所述同轴耦合的多激光增减材复合成形装置的成型方法，其特征在于，所述光束空间分布，是指如平顶光束或者贝塞尔光束。4.根据权利要求3所述同轴耦合的多激光增减材复合成形装置，其特征在于，所述连续光纤激光器(9)为1090nm光纤激光器；超快激光器(8)为皮秒激光器或者飞秒激光器，波长为1030nm，脉冲频率为：皮秒激光器50kHz～2M Hz，飞秒激光器1kHz～1M kHz。5.权利要求1
‑
4中任一项所述同轴耦合的多激光增减材复合成形装置的成型方法，其特征在于包括如下步骤：根据零件的属性要求，对零件的模型进行数据处理，分别规划增材与减材的路径数据；一.增材处理步骤：连续激光经过第一准直器(13)和第一光束整形器(14)后，聚焦到工件的成形加工表面，在X轴扫描振镜的控制下进行S...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迪，郑博源，刘林青，杨永强，维亚切斯拉夫，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：