本申请涉及增材制造领域，具体公开了一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其中装置包括基板、滚压机构、激光分束加热机构和基板冷却机构；通过滚压机构在每层增材打印后对构件进行往复滚压，以逐层减小构件的残余应力；完成多层增材打印后，通过激光分束加热机构将激光束分为两束，两束激光分别对构件的两侧进行加热；同时通过基板冷却机构对基板的中部进行冷却，使构件的中部与两侧形成温度差，进而通过温差热效应形成反向应力场，进一步消除增材制造产生的残余应力。本申请采用滚压和温差拉伸相互协同，使增材构件中的残余应力得到控制和改善。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及增材制造领域，尤其是涉及一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置及方法。
技术介绍
1、激光增材制造技术是一种以粉末为原料，通过高功率激光熔化、快速凝固逐层累加，直接制造出金属构件的先进制造技术，其本身是一个非稳态、极冷极热的瞬态过程，在制造累加过程中局部热输入会导致不均匀的温度场，这种局部热效应就直接表现为熔池在凝固及随后冷却过程中极易形成残余应力。
2、滚压法是降低残余应力的常用方法之一，通过逐层滚压，逐层减少残余应力。但是，单纯的逐层滚压后，后续增材过程中产生的热积累会使残余应力重复出现，增材构件中间散热慢，两侧散热快，导致构件整体发生翘曲变形。
技术实现思路
1、为了改善增材制造过程中构件存在较大残余应力的问题，本申请提供一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置及方法。
2、本申请提供的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置采用如下的技术方案：
3、一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，包括：
4、基板，用于放置待加工的构件，激光增材打印设备上的送粉喷嘴位于所述构件的上方；
5、滚压机构，用于在每层增材打印后对构件进行往复滚压，以逐层减小构件的残余应力；
6、激光分束加热机构，用于将与送粉喷嘴同轴的激光束分为两束，两束激光分别对构件的两侧进行加热；所述激光分束加热机构在水平面内的位置可调节；
7、基板冷却机构，用于冷却所述基板的中部，使构件的中部与两侧形成温度差。
>8、通过送粉喷嘴对构件进行增材打印，每完成一层增材打印后，使用滚压机构在构件表面往复滚压一次，使压力均匀的作用于每一层表面，逐层减少残余应力；完成多层增材打印后，将激光分束加热机构移动至激光束的下方，将激光束分为两束，两束激光分别对构件的两侧进行加热，同时通过基板冷却机构，对基板的中部进行冷却，使构件的中部与两侧形成温度差，进而通过温差热效应形成反向应力场，进一步消除增材制造产生的残余应力。本申请采用滚压和温差拉伸相互协同，使增材构件中的残余应力得到控制和改善。9、进一步地，所述激光分束加热机构包括分光件和反光组件，所述分光件用于将一束激光分为两束，所述反光组件用于将分束后的两束激光分别反射并垂直照射于至构件的两侧。
10、进一步地，所述分光件为分束镜，所述分束镜用于将一束竖直的激光分为两束，其中一束呈水平、另一束呈竖直；所述反光组件包括三个平面镜，其中一个所述平面镜将分束后的水平光反射并垂直照射于至构件的一侧，另外两个平面镜将分束后的竖直光反射并垂直照射于至构件的另一侧。
11、通过分束镜和三个平面镜配合，将激光束分为两束，两束激光分别对构件的两侧进行加热；如此，利用增材打印设备的激光源即可对构件进行加热，无需额外的热源，操作较为便捷。
12、进一步地，所述基板的一侧设置有水平的第一滑轨，所述第一滑轨上滑动设置有安装座，所述分光件和所述反光组件均固定设置于所述安装座上。
13、当安装座沿第一滑轨滑移时，激光分束加热机构在水平面内的位置可调节；在增材打印时，将激光分束加热机构移动至基板的一侧，不干涉送粉喷嘴的正常打印过程；增材打印完毕后，将激光分束加热机构移动至激光束下方，随后激光分束加热机构可随激光束在水平面内同步移动，激光束分为两束后对构件的两侧进行加热。
14、进一步地，所述基板冷却机构包括设置于所述基板中部底面的冷却水盘管，所述冷却水盘管与冷却水源连通。
15、冷却水盘管中冷却水流动，与基板进行热量交换，对基板的中部进行冷却。
16、进一步地，所述冷却水盘管覆盖的基板冷却区的宽度小于分束后两束激光的间距。
17、如此，构件的加热区和基板冷却区不重叠，使得基板的中部与两侧形成明显的温度差，以增强温差拉伸的效果。
18、进一步地，所述基板的一侧设置有水平的第二滑轨，所述滚压机构包括滑动设置于所述第二滑轨上的滑移座和转动设置于所述滑移座上的滚筒，所述滚筒的轴线正交于所述第二滑轨的长度方向。
19、当滑移座沿第二滑轨滑移时，滚筒转动并沿构件表面移动，从而对构件进行滚压。
20、进一步地，所述滑移座与所述滚筒之间设置有液压装置，用于调节所述滚筒的高度和滚压的压力。
21、通过液压装置调节滚筒的高度和滚压的压力，使滚筒在构件表面施加合适的压力，从而有效减小构件的残余应力。
22、本申请提供的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控方法，包括以下步骤：
23、(1)将激光分束加热机构和滚筒移动至构件的侧面，然后进行增材打印；
24、(2)每完成一层增材打印后，使用滚筒在构件表面往复滚压一次；
25、(3)完成多层增材打印后，按步骤(2)进行滚压，然后将激光分束加热机构移动至激光束下方，使激光分为两束，对构件两侧的加热区进行加热；同时启动基板冷却机构，对基板中部的冷却区进行冷却。
26、进一步地，所述步骤(3)中，构件两侧的加热区与基板中部的冷却区之间的温度差为70℃-100℃。
27、综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
28、1.本申请将滚压和温差拉伸相结合，采用滚压法针对单层，使压力均匀的作用于每一层表面，逐层减少残余应力的累加量，以增强温差拉伸的效果；同时采用温差拉伸法针对成形的构件整体，改善了在后续增材过程中由于热积累导致残余应力重复出现的问题；两种方法相互协同，使增材构件中的残余应力得到控制和改善；
29、2.通过分束镜和多个平面镜配合，将激光束分为两束，两束激光分别对构件的两侧进行加热；如此，利用增材打印设备的激光源即可对构件进行加热，无需额外的热源，结构简单，操作便捷。
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【技术保护点】
1.一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述激光分束加热机构包括分光件和反光组件，所述分光件用于将一束激光分为两束，所述反光组件用于将分束后的两束激光分别反射并垂直照射于至构件的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述分光件为分束镜，所述分束镜用于将一束竖直的激光分为两束，其中一束呈水平、另一束呈竖直；所述反光组件包括三个平面镜，其中一个所述平面镜将分束后的水平光反射并垂直照射于至构件的一侧，另外两个平面镜将分束后的竖直光反射并垂直照射于至构件的另一侧。
4.根据权利要求2所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述基板的一侧设置有水平的第一滑轨，所述第一滑轨上滑动设置有安装座，所述分光件和所述反光组件均固定设置于所述安装座上。
5.根据权利要求1所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述基板冷却机构包括设置于所述基板中部底面的冷却水盘管，所述冷却水盘管与冷却水源连通。
6.根据权利要求5所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述冷却水盘管覆盖的基板冷却区的宽度小于分束后两束激光的间距。
7.根据权利要求1所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述基板的一侧设置有水平的第二滑轨，所述滚压机构包括滑动设置于所述第二滑轨上的滑移座和转动设置于所述滑移座上的滚筒，所述滚筒的轴线正交于所述第二滑轨的长度方向。
8.根据权利要求7所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述滑移座与所述滚筒之间设置有液压装置，用于调节所述滚筒的高度和滚压的压力。
9.一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控方法，其特征在于：所述步骤(3)中，构件两侧的加热区与基板中部的冷却区之间的温度差为70℃-100℃。
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【技术特征摘要】
1.一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述激光分束加热机构包括分光件和反光组件，所述分光件用于将一束激光分为两束，所述反光组件用于将分束后的两束激光分别反射并垂直照射于至构件的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述分光件为分束镜，所述分束镜用于将一束竖直的激光分为两束，其中一束呈水平、另一束呈竖直；所述反光组件包括三个平面镜，其中一个所述平面镜将分束后的水平光反射并垂直照射于至构件的一侧，另外两个平面镜将分束后的竖直光反射并垂直照射于至构件的另一侧。
4.根据权利要求2所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述基板的一侧设置有水平的第一滑轨，所述第一滑轨上滑动设置有安装座，所述分光件和所述反光组件均固定设置于所述安装座上。
5.根据权利要求1所述的一种基于滚压和温差拉伸的残余应力调控装置，其特征在于：所述基板冷却机构包括设置于所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹乾兴，王雪纯，申胜男，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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