本发明专利技术公开了一种激光感应复合熔化直接成形方法及装置。方法通过CAD软件生成零件的三维模型，再对三维模型切片并生成G代码以驱动数控系统和基体运动。大功率激光束和感应热源将同步送进的金属或金属/陶瓷复合粉末熔化，逐层沉积出设计形状的三维零件。加工过程中，温度控制器对基体的温度进行监测与控制。实现该方法的装置包括激光器及光路系统、感应加热及温度控制系统、送粉系统、数控系统。本发明专利技术可用于在各种金属基体上直接生成大中型三维零件。其特点为：加工效率高；可以根据需要设计甚至梯度改变金属陶瓷复合层的成分；零件的组织致密，晶粒细小，力学性能优良；残余应力较小，无变形和开裂现象；加工柔性高，无需工模具；材料利用率高，清洁无污染。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光加工领域。具体涉及一种激光感应复合熔化直接成形 (Laser-Induction Hybrid Melting Direct Forming, LIHMDF)制备三维金属零件的方法 及装置。
技术介绍
激光直接制造(Direct Laser Fabrication, DLF)技术，是20世纪90年代中后期发展起来的一种先进制造技术。其基本原理是借助CAD软件或反求技术生成零件的CAD模型，再利用成形控制软件将CAD模型按一定间距切割成一系列平行薄片，然后根据薄片轮廓设计出合理的激光扫描轨迹，并转换成数控系统的运动指令。激光束在指令控制下扫描基板，并将送粉器输送的粉末熔化、沉积出与切片厚度基本一致的金属薄层。上述过程完成后，聚焦镜、粉末喷嘴等整体上升一定高度，或者工作台整体下降一定高度，高度值的大小与所沉积的厚度相当。重复上述过程，完成下一层金属薄层的沉积，如此逐层堆积直至生成设计形状的三维金属零件。中国专利技术专利ZL200810010307. 4公开了一种采用激光熔化沉积快速制造飞机平尾转轴的方法。它采用的工艺方法具有以下优点①零件组织具有晶粒细小、成份均勻、致密的典型快速凝固特征。其静强度较锻件提高了 10%，疲劳强度提高了 3倍左右；②聚材料制备与零件“近净成形”于一体，无需大型模具和压力热备，缩短了生产周期和降低了成本； ③材料利用率较锻件提高5倍，机加工余量少；④生产具有高度的柔性和快速反应能力；⑤ 可用于沉积制造高熔点合金和制造梯度成分的零件。但是，上述以单纯的激光束作为热源熔化沉积金属材料的成形法存在以下缺点 ①加工效率偏低当所采用的是Nd: YAG激光器，激光功率为3-12KW时，粉末沉积率只有 15-40g/min(以铁基合金为例)；②由于激光熔池和基体的温度梯度大，引起较大的残余应力，造成零件的变形和开裂，成为制约该技术应用的瓶颈；③由于“热堆积效应”，不同沉积层之间热过程不同，造成组织和力学性能不均勻，影响其使用性能；④由于其加工效率低， 费用昂贵，所以主要应用于军工和航空航天领域，且主要用于制造中小型零件。以上缺点限制了该方法的大规模工业应用。近年来，喷射成形(Spray Forming, SF)和等离子熔射成形(Plasma-Spray Forming，PSF)也得到了大力发展。SF是将熔融的金属液在高速气流的作用下喷射到导热率高的运动基材上形成零件的方法。其得到的金属零件具有快速凝固特征，力学性能较好。但是其不足之处在于 ①沉积层易产生孔隙，组织不致密，需后续热加工；②主要适用于熔点低的有色金属如铝合金、铜合金及镁合金的成形。目前，应用于高熔点金属的成形工艺还不成熟；③适用于制造中小型零件，加工效率不高。PSF是以等离子射流为热源，在特定工艺条件下，使粉末材料在原模表面集结成形，经背衬、脱模或销模、强化等处理，得到具有一定功能的零件或型腔的制造方法。PSF的沉积效率和加工精度较高。但是其不足之处在于①工序复杂，需制作原模；②零件孔隙率较大，且粉末易氧化；③零件力学性能比SF和DLF差。以上缺点限制了 SF及PSF工艺在高性能大中型零件成形中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种激光感应复合熔化直接成形方法，该方法加工效率高；零件组织致密、成分均勻、晶粒细小，力学性能优良；加工得到的产品残余应力较小，无变形和开裂现象；本专利技术还提供了实现该方法的装置。本专利技术提供的一种激光感应复合熔化直接成形方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步将表面经过预处理后的基体安装在数控机床的平台上；第2步将感应线圈放置在距离基体3-10mm处，感应加热温度为400-1000°C ；第3步将激光束聚焦后入射到基体上形成熔池，利用送粉嘴将合金粉末或合金/ 陶瓷复合粉末同步送入熔池形成熔覆层；激光器的功率为1-15KW，激光光斑为直径I-IOmm 的圆形或为(1-3)mmX (10-20)mm的矩形，送粉速率为10-180g/min，扫描速度为0. 4_4m/ min，多道搭接率为20% -60% ；第4步成形一层沉积层后，移动感应线圈、送粉嘴、聚焦透镜及红外传感器或者工作台移动，移动的距离等于沉积层的厚度；第5步重复第2步至第4步，逐层处理直至三维零件成形完毕。实现上述激光感应复合熔化直接成形方法的装置包括激光器、导光系统、聚焦透镜、连接套筒、升降套筒、温度控制器、红外传感器、感应电源、感应线圈、送粉器、数控机床与计算机；激光器的出光口、导光系统和聚焦透镜依次位于同一光路上，激光器产生的激光束经导光系统导入聚焦透镜聚焦后入射到基体上；升降套筒通过连接套筒安装在数控机床的Z轴上；感应线圈安装在升降套筒上并和感应电源连接；红外传感器安装在套筒上，红外传感器与温度控制器相连，温度控制器与感应电源通过数据线相连；送粉嘴安装在升降套筒上并与送粉器和保护气体连接；数控机床与计算机通过数据线连接。本专利技术具有以下优点①加工效率高。由于感应热源的引入，形成熔池所需能量大大降低。当激光功率为1-15KW时，粉末沉积速率可达到10-180g/min，扫描速度达到0. 4-4m/min。较单纯激光熔化成形效率提高3-10倍。②由于感应加热的作用，熔池与基体的温度梯度下降，热应力下降，零件无变形和开裂现象。③所制造的零件致密，无孔隙；晶粒细小，具有典型的快速凝固特征。强度和塑性较相同材质的锻件好。④材料利用率高，无污染。⑤同步送进不同成份的复合粉末，可以获得梯度金属陶瓷复合层。硬度和耐磨性大幅度提高。⑥在整个过程中基体温度不变，保证了成形的均勻性和精度。⑦加工柔性好，在无需工模具的情况下可直接生成各种大中型金属或金属/陶瓷复合零件。⑧生长周期短，生产成本降低。适用于大规模的工业应用。本专利技术装置通用性强，可用于直接制造各种大中型轴类、模具、热轧辊和冷轧辊寸。 附图说明图1是激光-感应复合熔化成形制造大中型冲裁模具示意图；图2是激光_感应复合熔化成形制造大中型热锤锻模示意图；图3是激光_感应复合熔化成形制造空心轴类零件示意图； 图4是激光_感应复合熔化成形制造型材轧辊示意图；图5是激光_感应复合熔化成形制造钛合金零件示意图；图6是平面感应线圈俯视图；图7是偏心感应加热示意图；图8是同心感应加热示意图；图中，1、激光器，2a、反射铜镜，2b、光纤，3、聚焦透镜，4、激光束，5、连接套筒，6、 升降套筒，7、温度控制器，8、红外传感器，9、感应电源，10、感应线圈，11、送粉器，12a、同轴送粉嘴，12b、旁轴送粉嘴，13、保护气，14、沉积层，15、基体，16、数控机床，17、计算机，18、电机，19、三爪卡盘，20a、滚动支架，20b、顶针，21、导磁环，22、激光光斑，23、进光口，24、保护箱具体实施例方式采用激光_感应复合熔化直接成型技术及装置，在普通基材上逐层熔化沉积金属或金属_陶瓷复合层，最终形成具有一定形状的三维金属零件。所生成的零件致密、均勻， 力学性能优良。下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步描述。本专利技术方法包括下述步骤①将经过打磨、除油、去锈清洗处理的金属材料基体装夹在数控平台上。②使感应线圈与基体的间距为3-10mm，感应加热温度为400-1000°C。③将激光束聚焦后入射到基本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种激光感应复合熔化直接成形方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：第１步 将经过预处理后的基体安装在数控机床的平台上；第２步 将感应线圈放置在距离基体３－１０ｍｍ处，感应加热温度为４００－１０００℃；第３步 将激光束聚焦后入射到基体上形成熔池，利用送粉嘴将合金粉末或合金／陶瓷复合粉末同步送入熔池形成熔覆层；激光器的功率为１－１５ＫＷ，激光光斑为直径１－１０ｍｍ的圆形或为（１－３）ｍｍ×（１０－２０）ｍｍ的矩形，送粉速率为２０－１８０ｇ／ｍｉｎ，扫描速度为０．４－４ｍ／ｍｉｎ，多道搭接率为２０％－６０％；第４步 成形一层沉积层后，移动感应线圈、送粉嘴及红外传感器或者工件，移动的距离等于沉积层的厚度；第５步 重复第２步至第４步，逐层处理直至三维零件成形完毕。
【技术特征摘要】
1.一种激光感应复合熔化直接成形方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步将经过预处理后的基体安装在数控机床的平台上；第2步将感应线圈放置在距离基体3-10mm处，感应加热温度为400-1000°C ；第3步将激光束聚焦后入射到基体上形成熔池，利用送粉嘴将合金粉末或合金/陶瓷复合粉末同步送入熔池形成熔覆层；激光器的功率为1-15KW，激光光斑为直径I-IOmm的圆形或为(1-3) mmX (10-20) mm的矩形，送粉速率为20-180g/min，扫描速度为0. 4_4m/ min,多道搭接率为20%-60% ；第4步成形一层沉积层后，移动感应线圈、送粉嘴及红外传感器或者工件，移动的距离等于沉积层的厚度；第5步重复第2步至第4步，逐层处理直至三维零件成形完毕。2.一种实现权利要求1所述的激光感应复合熔化直接成形方法的装置，其特征在于， 该装置包括激光器(1)、导光系统、聚焦透镜(3)、连接套筒(5)、升降套筒(6)、温度控制器(...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，王邓志，胡乾午，王泽敏，马明明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83
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