[发明专利]一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统

说明书

本发明公开了一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统，该系统包括激光增材制造模块和激光冲击扫描模块，该方法在激光增材制造过程中，将另一束聚焦的激光实时作用在熔池表面，并按照一定的轨迹在熔池表面扫描，通过等离子体诱导产生的冲击波搅拌熔池、破坏糊状区的粗大枝晶，从而加剧熔池对流、均匀化熔池内温度场、减小温度梯度。因此，通过熔池扰动的激光增材制造方法可以避免凝固组织的各向异性，细化晶粒，提高成型金属零件的力学性能。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统。

背景技术

增材制造以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。金属零件增材制造技术作为增材制造中最具前沿和难度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属零件的激光增材制造是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术。但在金属零件的激光增材制造过程中，由于熔池的快速冷却和温度梯度的方向性，导致凝固后的金属零件具有显微组织和力学性能的各向异性。

目前，国内外提出了各种激光增材制造方式解决成型金属零件性能各向异性的问题，如电磁场辅助激光增材制造技术、超声辅助激光增材制造技术等。电磁场辅助激光增材制造技术是通过在激光增材制造过程中施加交变电磁场，交变电磁场作用于激光熔池的过程中能够对熔池产生一定的搅拌作用，从而达到提高凝固组织力学性能的目的。超声辅助激光增材制造技术是在激光增材制造过程中对金属零件施加超声振动，通过振动频率和振幅的优化实现金属零件表面熔池的搅动，从而改变熔池的凝固过程。

上述方法在一定程度上能够避免各向异性，但某些工况下还存在一定的局限性，如复杂结构金属零件不同位置电磁场的方向和强度问题、大型金属零件超声振动能耗问题等。国内外学者因此提出了激光锻打或激光冲击强化辅助的激光增材制造技术，该方法是在激光增材熔池凝固后，待凝固区温度降低到锻造温度范围内时，通过激光冲击的方式细化晶粒、诱导残余压应力等，在一定程度上提高了成型金属零件的力学性能。但是，激光冲击前需要在凝固层表面铺设约束层和吸收层，以及由此带来的吸收层和约束层的破坏和更换，这样就导致了制造过程的复杂性。另外，该方法并不是通过搅动熔池而实现的，对于非平面零件成型存在一定困难。

因此，如何在金属零件激光增材制造过程中实时、选择性的扰动熔池，控制凝固组织、去除各向异性，是目前亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法及系统，通过熔池扰动的激光增材制造方法可以避免凝固组织的各向异性，细化晶粒，提高成型金属零件的力学性能。

技术方案：一种熔池扰动的金属零件激光增材制造方法，包括如下步骤：

1)将基材清洗去除表面油污，并固定在运动台上；

2)根据零件的三维数字模型，生成激光焦点与基材的相对运动路径；

3)设置激光增材制造用激光的功率、光斑大小、离焦量、送粉量、气流量参数；

4)设置激光冲击扫描用激光的脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、波长、光斑大小、扫描速度、扫描轨迹参数；

5)设置工件与激光增材制造用激光光斑的相对运动速度；

6)开始熔池扰动的激光增材制造，在激光增材制造过程中，将激光冲击扫描用激光在熔池表面扫描。

进一步的，当激光冲击扫描用激光的焦点处于静止状态时，其位置在激光增材用激光诱导的熔池内。

进一步的，激光冲击扫描用激光的扫描轨迹为直线、椭圆、圆弧、8字形。