基于低热量输入脉冲激光冲击波的增材制造及焊接的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低热量输入脉冲激光冲击波的增材制造及焊接的方法，属于金属增材制造和焊接领域。本发明专利技术方法为：利用能量束使金属表面熔化的同时，引入频率在100Hz以下的、在熔池和固液混合区联合区域内部周期性运动的小直径脉冲激光束对熔池进行同步冲击处理，控制脉冲能量使得熔池表面最大起伏为熔池深度的10％～80％，同时该脉冲激光束平均功率输入控制在所采用的产生金属熔化能量束实际吸收功率的15％以内，实现激光冲击力调控与热输入的解耦。通过脉冲激光冲击力调控熔池流动并克服表面张力的约束，同时降低热输入引起的耦合效应，以此实现高精度控制熔凝区域尺寸、调节残余应力、提高或降低各向异性。提高或降低各向异性。提高或降低各向异性。

【技术实现步骤摘要】
基于低热量输入脉冲激光冲击波的增材制造及焊接的方法


[0001]本专利技术属于金属增材制造和焊接领域，具体涉及一种基于低热量输入脉冲激光冲击波搅拌调控金属熔池传热传质的增材制造及焊接的方法。

技术介绍

[0002]工业化应用的金属增材制造和焊接中，成形件微观结构和力学性能等重要指标通常只能通过热输入来进行调控，调控手段过于单一，不利于精度的控制和性能的提升。
[0003]已有多篇文献提出通过脉冲激光施加冲击力作用于熔池表面，试图实现微观结构和力学性能的调控。中国专利CN105772945B、CN109773187B、CN109702324B、CN109773339B、CN109759710B、CN109759709B、CN109676138B等提出采用高频激光激励超声能场实现均匀形核、细化晶粒。其激光频率要求在超声频率，如20kHz以上，或100Hz以上。工业化应用的金属增材制造和焊接过程中的金属熔池尺寸在毫米量级，甚至更大，这就要求激光冲击效应压强大，同时作用面积也需在亚毫米或毫米量级；同时调控激光的热效应必须受到抑制，防止热效应产生额外的熔化或熔池整体升温，干扰力效应的调控。经过调研发现，受限于当前激光技术，频率在100Hz以上的脉冲激光器，当脉冲低于1毫秒时，其单脉冲能量较低，在微焦或毫焦量级，当其作用在毫米量级的金属熔池上时，产生的冲击波对熔池的扰动小，同时由于金属的表面张力作用，较弱的激光冲击能量很快被耗散转化为热，无法将熔池扰动效果传输到熔池底部固液混合待凝固区域，从而无法真正实现对凝固过程的控制。频率在100Hz以上的脉冲激光器，当脉冲高于1毫秒时，激光产生的热效应过大，这些额外的热效应影响熔池熔化凝固尺寸的高精度控制，同时其冲击力效应弱，无法有效驱动熔池流动。中国专利CN112496339A利用100Hz以下激光整体覆盖冲击熔池表面、熔池后沿糊状区和高温凝固区。由于整个金属熔体全部受到激光冲击力，无法驱动流体运动，仅仅是对熔体进行压缩，因而无法实现对熔池流动的控制。文章Study on laser shock modulation of melt pool in laser additive manufacturing of FeCoCrNi high
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entropy alloys(J.Alloys Compd.2022,925,166720.)和中国专利CN112692304A、CN112518109A报道和提出了脉冲激光作用于熔池，调控增材制造熔池传热传质特性，但是熔池中流动和传质不均匀，表面形貌显著起伏变化，影响形貌特征精度和力学性能。
[0004]因此，需要提出有效的熔池流动控制方法，实现高精度控制熔凝区域尺寸、调节残余应力、提高或降低各向异性仍然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种基于低热量输入脉冲激光冲击波搅拌调控金属熔池传热传质的增材制造及焊接的方法。
[0006]本专利技术所要解决的一个技术问题是：提供一种针对工业级金属增材制造和焊接的热力解耦的均匀调控熔池流动传热传质及凝固的方法。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于低热量输入脉冲激光冲击波搅拌调控金属熔池传热传质的增材制造及焊接的方法，包括如下步骤：
[0009]在金属增材制造或焊接过程中，利用能量束使金属表面熔化的同时，引入频率为5Hz～100Hz、单脉冲能量或平均脉冲能量为0.1毫焦～20焦、脉宽为1飞秒～1毫秒的脉冲激光束对熔池进行同步冲击处理，同时该脉冲激光束平均功率输入控制在所采用的产生金属熔化能量束实际吸收功率的15％以内，从而实现激光冲击力调控与热输入的解耦；脉冲激光束作用于熔池及固液混合区形成的联合区域内部且直径小于联合区尺寸，利用激光冲击波克服表面张力约束，形成熔池表面低于100Hz的表面挤压造成的低频高强度起伏运动，使得熔池表面最大起伏为熔池深度的10％～80％；且脉冲激光束以周期性轨迹在熔池及固液混合区形成的联合区域内移动，充分实现熔池流动的均匀性，降低凝固后表面残留起伏。通过脉冲激光冲击力调控熔池流动并克服表面张力的约束形成低频高强度起伏运动，同时降低热输入引起的耦合效应，以此实现高精度控制熔凝区域尺寸、调节残余应力、提高或降低各向异性。
[0010]进一步地，所述的脉冲激光束的移动轨迹可以是连续的，也可以是不连续的。
[0011]进一步地，所述的金属增材制造或焊接过程中，可搭载高速相机、光谱仪实时监测装置，结合实时控制系统进行反馈控制。
[0012]本专利技术适用于表面再制造修复、焊接或者3D打印直接成形的金属制造领域。
[0013]本专利技术的有益效果：实现调控力效应和热效应解耦，从而高精度控制熔凝区域尺寸、调节残余应力、提高或降低各向异性。
附图说明
[0014]图1为本专利技术一种基于低热量输入脉冲激光冲击波搅拌调控金属熔池传热传质的增材制造及焊接的方法工艺简图；其中，101
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基体材料，102
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三维运动，103
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能量束，104
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材料输送装置或粉末层，105
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温度场分布，106
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熔覆道，107
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振镜，108
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脉冲激光。
[0015]图2为不使用(a)和使用(b)本专利技术的低热量输入脉冲激光冲击波搅拌调控金属熔池传热传质的增材制造及焊接制造得到的表面形貌。不使用本专利技术冲击波搅拌方法会得到不均匀的表面凝固特性(a)，例如中国专利CN112692304A、CN112518109A的报道；使用本专利技术冲击波周期性搅拌特性后得到均匀的表面凝固特性(b)。
具体实施方式
[0016]下面结合实施例及附图对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0017]实施例1
[0018]如图1所示，在基体101上通过三维运动102的能量束103(激光、电弧、电子束)实施增材，材料添加由材料输送装置104提供，产生温度场分布105及熔覆道106；与此同时，通过振镜107控制10纳秒脉宽量级、频率5至99Hz且单脉冲能量在50mJ到10J的脉冲激光108实施熔池冲击，激光束作用于熔池及固液混合区形成的联合区域内部且直径小于联合区尺寸，激光产生冲击波克服表面张力的约束，产生为熔池深度10％～80％的最大表面起伏；通过振镜107控制该脉冲激光在熔池边界附近做旋转运动，在脉冲激光108的搅拌冲击作用下，
熔池对流均匀，熔池周围固液混合区形核均匀，得到均匀分布的细小的等轴晶，实现高精度控制熔凝区域尺寸、调节残余应力、降低各向异性。
[0019]实施例2
[0020]采用FeCoCrNi高熵合金粉末进行连续激光同轴送粉增材制造，激光功率为800瓦，激光运行速度为20mm/s，光斑直径3mm；将8纳秒脉宽、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低热量输入脉冲激光冲击波搅拌调控金属熔池传热传质的增材制造及焊接的方法，其特征在于：在金属增材制造或焊接过程中，利用能量束使金属表面熔化的同时，引入频率为5Hz～100Hz、单脉冲能量或平均脉冲能量为0.1毫焦～20焦、脉宽为1飞秒～1毫秒的脉冲激光束对熔池进行同步冲击处理，同时该脉冲激光束平均功率输入控制在所采用的产生金属熔化能量束实际吸收功率的15％以内，实现激光冲击力调控与热输入的解耦；脉冲激光束作用于熔池及固液混合区形成的联合区域内部且直径小于联合区尺寸，利用激光冲击波克服表面张力约束，形成熔池表面低于100Hz的表面挤压造成的起伏运动，使得熔池表面最大起伏为熔池深度的10％～80％；且...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡耀武，许硕恒，赵哲，陆恒，何懿，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：