【技术实现步骤摘要】
：本专利技术涉及增材制造领域，具体涉及一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置与方法。
技术介绍
1、梯度功能金属零件是一种具有沿特定方向变化的合金成分、微观组织或性能的零件。这种设计能够提供更复杂和定制的性能特征，能够在特定工况下提高零部件的寿命和性能。然而，目前梯度功能金属零件的制造确实面临一些挑战和限制，包括工序复杂和加工周期长、材料选取受限、生产成本高、工序复杂和加工周期长等问题。
2、激光金属增材制造技术在制造梯度功能金属零件方面具有很大潜力，但目前的填料式激光增材制造技术(如送粉和送丝激光增材制造)各自存在一些局限性。送粉激光增材制造技术虽然可以调整粉末材料的成分与配比，但材料利用率和生产效率相对较低。而送丝激光增材制造技术具有高沉积效率和均匀性的优势，但在获得高精度和高性能的零件方面可能受到丝材本身特性的限制。丝粉混合激光增材技术是在激光增材过程中同时送粉与送丝，该工艺比纯粉末增材制造工艺更具成本效益和生产效率，并且比纯金属送丝增材制造工艺具有更大的材料灵活性。
3、可调节环形光斑光纤激光器是近年来发展起来的一种新型激光器，其特点在于可以调节输出光斑的形状和强度分布。传统的激光加工中常使用高斯分布的光斑，而改变光斑形状和强度分布可以带来新的加工特性和优势，特别是在金属加工领域。研究发现，将激光光斑形状调整为非传统的单峰高斯分布，即可实现高速且无飞溅的金属加工。通常情况下，传统的高斯光斑在材料表面聚焦时可能产生高峰值的光强，这可能导致局部加热过度、材料飞溅等问题。然而，通过调节环形光斑的
技术实现思路
1、本专利技术的目的：针对增材制造具有成分梯度变化的梯度功能材料的需求，本专利技术提供了一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置与方法，结合丝导超声辅助技术与可调环形光束实现了同轴送粉送丝混合激光增材，利用可调环形光束分别调节焊丝与粉末的熔覆量，从而实现成分梯度的变化，通过超声振动辅助使丝粉混合均匀、组织细化，从而高效的制造出性能出色的梯度材料。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、所述一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置与方法，包括环形光束系统、丝导超声振动系统、同轴送粉系统、同轴送丝系统、保护气系统、控制系统；
4、所述环形光束系统用于产生中心光束和外环光束功率可调的环形光束，环形光束依次通过凸透镜、单面凸透镜、平面反射镜、单面凸透镜对待焊位置进行焊接；
5、所述同轴送丝系统包括送丝机、送丝头；所述送丝机放置于同轴丝粉混合激光头外侧便于更换焊丝，焊丝通过送丝滚轮向送丝头输送从而用于焊接作业；
6、所述同轴丝粉混合激光头内加工有同轴送丝通路、环形光束通路、同轴送粉通路、保护气体通路。
7、所述送丝头通过支架固定于同轴送丝通路中，使焊丝通过该通路同轴送丝，被环形光束中的中心光束熔化。
8、所述丝导超声振动系统包括超声换能器、超声变幅杆、超声工具头；所述超声工具头加工有通孔，使焊丝穿过该通孔，从而向焊丝施加超声振动。
9、所述控制系统可同时控制同轴送粉系统、环形光束系统、丝导超声振动系统、同轴送丝系统，实时调节环形光束内中心光束以及外环光束的功率、送丝速度、送粉速度、超声振动参数。
10、所述同轴送粉系统包括送粉机、同轴送粉通路，所述送粉机将调制好的粉末通过同轴送粉通路送出，使粉末被环形光束中的外环光束熔化。
11、所述保护气系统将气体通过保护气通路送出，使其很好地对增材过程进行保护。
12、所述装置工作时，采用环形光束以不同功率的中心光束和外环光束分别熔化同轴焊丝和同轴粉末，并且与送丝速度和送粉速度匹配，分别调节中心焊丝与同轴粉末的沉积量，从而在不同区域增材出不同成分的堆积层；同时在增材过程中，焊丝向熔池中施加一定的超声振动，可以提高熔化的粉末和焊丝混合均匀度，减少偏析，并且使晶粒细化，提高增材件的性能。
13、所述环形光束系统包括：激光器、光纤、环形光束、环形光束通路、凸透镜、单面凸透镜、平面反射镜、单面凸透镜，所述激光器通过光纤输出环形光束。
14、所述环形光束包括中心光束和外环光束，可以单独调节中心光束和外环光束的激光功率，以此来分别调节焊丝和粉末的沉积量。
15、一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材方法，采用上述基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置，包括如下步骤：
16、步骤1：根据增材件所需的综合性能与尺寸要求，划分不同区域，并进行成分梯度结构设计。
17、步骤2：根据所需增材件的需求，选择合适的粉末与焊丝种类、成分配比。
18、步骤3：根据不同部位所需要的形状、性能、成分进行计算，确定不同成分区域所占的空间位置与具体熔覆量，计算出增材轨迹。
19、步骤4：综合考虑各部分加工效率、成分需求、沉积量，计算出送丝速度、送粉速度与其所匹配的环形光束内中心光束和外环光束激光功率、超声振动参数。
20、步骤5：启动各个系统，按照预定轨迹与参数进行丝粉混合增材制造，直至完成具有成分梯度变化的金属零件制造。
21、本专利技术具有一下有益效果：
22、本专利技术采用同轴送粉送丝，相比于旁轴送粉或旁轴送丝更加稳定，精度更高；采用环形光斑分别调节丝粉的热输入可以减少元素烧损，对成分控制更加精确；此外，通过焊丝向熔池施加超声振动，使丝粉混合更加均匀，组织细化，可以精确的制造出性能出色的具有成分梯度变化的梯度功能材料。
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1.一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置与方法，其特征在于：包括环形光束系统、丝导超声振动系统、同轴送粉系统、同轴送丝系统、保护气系统、控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置，其特征在于：所述环形光束系统包括：激光器、光纤、环形光束、环形光束通路、凸透镜、单面凸透镜、平面反射镜、单面凸透镜；
3.根据权利要求2所述的一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置，其特征在于：所述环形光束包括中心光束和外环光束，可以单独调节中心光束和外环光束的激光功率，以此来分别调节焊丝和粉末的沉积量。
4.根据权利要求1所述的一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置，其特征在于：可方便获得增材制造目标合金成分，而且还可添加各种功能性粉末如纳米粉末、稀土粉末、耐磨粉末等，提高增材件的性能，突破现有增材制造材料限制且易于形成系列化产品。
5.一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置与方法，其特征在于包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置与方法，其特征在于：包括环形光束系统、丝导超声振动系统、同轴送粉系统、同轴送丝系统、保护气系统、控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置，其特征在于：所述环形光束系统包括：激光器、光纤、环形光束、环形光束通路、凸透镜、单面凸透镜、平面反射镜、单面凸透镜；
3.根据权利要求2所述的一种基于可调环形光斑的原位丝粉成分可调增材装置，其特征在于：所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建峰，刘战，占小红，许珍木，段宇航，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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