【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光增材制造，更具体地，涉及一种水导激光辅助激光定向能量沉积的装置及方法。
技术介绍
1、激光定向能量沉积(laser direct energy deposition,lded)技术是一种增材制造技术，能通过层层叠加的方式制造出仅需少量加工甚至无需机械加工的大型复杂金属零件。铜合金、铝合金是工业界常用的金属材料，其复杂零件的应用越来越广。但是目前铜合金、铝合金等高反射金属的lded成形存在很大困难：一是对当前lded最常用的红外波段光纤激光的反射率很高，激光能量利用率低，而且反射光容易损坏激光器和光路系统镜片，此外该类高反金属在熔融状态时对红外波段激光吸收率大幅度提高，使得激光加工过程中金属熔化前后吸收的激光能量差异很大，造成熔池飞溅和加工质量不稳定的问题；二是金属导热率极高，激光作用后形成的熔池温度低、熔池流动驱动力小，并且熔池存在时间短，熔池很快凝固，造成lded成形时润湿性差、熔池铺展不足，使得成形表面凸凹不平，造成冶金缺陷，影响成形质量和效率。
2、为解决高反射金属红外波段激光加工难和效率低的问题，国内外进行了相关研究。最常见的方法就是在高反射金属材料表面预置一层对激光吸收率较高的材料，但此种方法引入了杂质元素，改变了材料的性能，而且不适合应用于层层叠加方式成形的激光定向能量沉积制造中。方法之二就是通过辅助加热的方式提高高反金属的温度，利用激光吸收率随温度升高而提高的原理来提高激光吸收率，但在固态条件下，温度对高反射金属的激光吸收率的影响很小，无法起到大幅度提高激光吸收率的效果。方法之三是采用
3、温州大学赵莹等人的论文《激光织构工艺对铜表面红外激光吸收率的影响》中采用激光刻蚀工艺在铜板表面构建微结构，大幅度提高了铜表面对红外激光的吸收率。但该方法采用激光直接在空气中刻蚀，属于干式刻蚀。激光刻蚀时工件表面温度很高，导致工件表面强烈氧化(氧含量高达11.5％)，其对激光吸收率的大幅度提高是氧化层、深沟槽和粗糙表面的共同结果。当氧化不强烈时，沟槽深度小，激光反射和吸收次数有限，对激光的吸收率提高有限。因此该技术应用于层层叠加的lded成形技术中还存在不足：只有当深沟槽和强烈氧化并存时才能大幅度提高激光吸收率，此时氧化物层层累积将造成零件的各项性能特别是导热导电性能和韧性大幅下降；二是由于激光聚焦光斑的焦深较短，导致干式刻蚀深度较小，而且沟槽为“v”形等小角度的沟槽，激光在其中的反射和吸收次数较少，使得激光吸收率的提高幅度不够高。
4、因此，现有技术中存在激光吸收率低、导热过快，及其导致的熔池温度低、润湿性差、熔池铺展不良的问题。
技术实现思路
1、针对相关技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种水导激光辅助激光定向能量沉积的装置及方法，旨在解决现有技术中存在激光吸收率低、导热过快、润湿性差、熔池铺展不良的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种水导激光辅助激光定向能量沉积的装置，包括：水导激光加工系统、激光定向能量沉积系统、工作台及控制系统；
3、所述水导激光加工系统用于产生激光射流束，在基板表面或具有高反金属材料的加工件表面的沉积区域加工产生微结构；所述微结构为沟槽或凹坑，所述微结构的宽度为30-100μm，深度为50-300μm，深宽比大于等于5；
4、所述激光定向能量沉积系统用于在基板表面沉积高反金属材料，在沉积区域形成沉积层，并采用逐层沉积的方式制造加工件；
5、所述工作台用于在加工件加工成形过程中通过带动基板对加工件进行升降；
6、所述控制系统分别与所述激光定向能量沉积系统、水导激光加工系统和工作台连接，用于交替控制所连接的部件，控制所述水导激光加工系统对基板表面/沉积层区域进行水导激光加工，生成微结构，控制所述激光定向能量沉积系统在基板表面/沉积层区域沉积一层高反金属材料，控制所述工作台在所述激光定向能量沉积系统沉积一层高反金属材料后下降一个沉积层厚度的距离。
7、可选的，所述激光定向能量沉积系统包括：激光沉积头、第一光纤、连续激光器、第一运动机构和送粉器；
8、所述连续激光器发出连续激光经过所述第一光纤传输至激光沉积头，所述送粉器将高反金属材料粉末送至沉积区域中的预设位置，激光经过准直后聚焦至基板表面或具有高反金属材料的加工件表面的沉积区域，熔化沉积区域的高反金属材料或高反金属材料粉末并形成熔池，凝固后在沉积区域形成沉积层；
9、所述第一运动机构用于带动所述激光沉积头按照预设的路径和速度运动。
10、可选的，所述激光定向能量沉积系统还包括水冷机、粉末回收机和负压集粉口；
11、所述水冷机与所述激光沉积头连接，用于对激光沉积头降温；
12、所述粉末回收机与负压集粉口连接，所述负压集粉口设置在所述基板的一侧，所述粉末回收机用于利用负压将未熔化的高反金属材料粉末通过负压集粉口收集。
13、可选的，所述水导激光加工系统包括：脉冲激光器、光路系统、水泵、输水管道、水导激光加工头及第二运动机构；
14、所述光路系统包括扩束准直器和聚焦镜；
15、所述脉冲激光器发出脉冲激光通过所述光路系统传输至水导激光加工头；
16、所述水泵通过所述输水管道连接至所述水导激光加工头；
17、所述第二运动机构用于带动所述水导激光加工头运动到空间内指定位置；
18、所述水导激光加工头产生激光射流束，传输至到基板表面或具有高反金属材料的加工件表面的沉积区域，加工产生微结构。
19、可选的，所述水泵向所述水导激光加工头提供的水流的压力可以调节，用于获得不同截面形状的微结构。
20、可选的，所述水导激光加工系统还包括高压供气装置；
21、所述高压供气装置包括高压气瓶、气体调压阀、输气管道和气体喷嘴；所述气体喷嘴紧密贴合设置在所述水导激光加工头的下方；
22、所述高压供气装置用于将所述高压气瓶的气体通过所述输气管道输送至所述气体喷嘴，气体在所述水导激光加工头喷射激光射流束时，保护激光射流束稳定传输；
23、所述高压供气装置还用于在水导激光加工完成后，采用高压气流吹干加工件表面的残留水渍。
24、可选的，还包括摄像头；
25、所述摄像头设置于所述基板的正上方，用于获取所述微结构的形貌，以及获取所述激光定向能量沉积系统每一次层积后的加工件的表面形貌。
26、第二方面，本专利技术还提供了一种水导激光辅助激光定向能量沉积的方法，应用于如第一方面中任意一项所述的水导激光辅助激光定向能量沉积的装置，包括：
27、根据加工件本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水导激光辅助激光定向能量沉积的装置，其特征在于，包括：水导激光加工系统、激光定向能量沉积系统、工作台及控制系统；
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光定向能量沉积系统包括：激光沉积头、第一光纤、连续激光器、第一运动机构和送粉器；
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光定向能量沉积系统还包括水冷机、粉末回收机和负压集粉口；
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水导激光加工系统包括：脉冲激光器、光路系统、水泵、输水管道、水导激光加工头及第二运动机构；
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述水泵向所述水导激光加工头提供的水流的压力可以调节，用于获得不同截面形状的微结构。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述水导激光加工系统还包括高压供气装置；
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括摄像头；
8.一种水导激光辅助激光定向能量沉积的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任意一项所述的水导激光辅助激光定向能量沉积的装置，包括：
【技术特征摘要】
1.一种水导激光辅助激光定向能量沉积的装置，其特征在于，包括：水导激光加工系统、激光定向能量沉积系统、工作台及控制系统；
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光定向能量沉积系统包括：激光沉积头、第一光纤、连续激光器、第一运动机构和送粉器；
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光定向能量沉积系统还包括水冷机、粉末回收机和负压集粉口；
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水导激光加工系统包括：脉冲激光器、光路系统、水泵、输...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖海峰，李梓豪，朱海红，陈柏金，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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