[发明专利]基于光纤传输的增材制造强化装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置及方法，包括：控制系统、增材制造装置、激光冲击强化装置和操作台；控制系统分别与增材制造装置、激光冲击强化装置和操作台电性连接；增材制造装置和激光冲击强化装置分别安装在操作台上；控制系统根据待加工的金属基材生成相应的加工路径；操作台根据加工路径交替控制增材制造装置的动作执行端和激光冲击强化装置的动作执行端做多自由运动。本发明能够实现激光增材制造过程中对成型构件进行激光冲击表面强化，有效地解决传统增材构件残余拉应力导致的疲劳性能下降问题，适用于制备高可靠性的激光增材构件。

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，更具体的说是涉及一种基于光纤传输的增材制造强化装置及方法。

背景技术

同步送粉激光增材是利用快速成形技术的“叠层累加”原理和激光熔覆沉积(Laser Cladding Deposition，LCD)技术的有机结合，以金属粉末为成形原材料，以高能束的激光作为热源，根据成形零件CAD模型分层切片信息的加工路径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。

目前普遍采用同步送粉激光增材制造方法制备增材构件，但是其制备出的增材构建具有残余拉应力，容易导致疲劳性能下降，可靠性较低。

而激光冲击强化(Laser shock peening，LSP)作为一种新型的表面改性技术，其主要利用高功率密度(GW·cm-2量级)、短脉宽(ns量级)的第一激光束辐照材料表面，使吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化并形成高温高压等离子体，等离子体受到隔离层的限制形成高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生均匀密集的位错结构。同时在成型区域产生有益的残余压应力，能够有效抵消工件因机械加工形成的有害拉应力，从而提高金属构件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。

但是，现有的激光冲击强化采用光学镜片的传输方式，具有稳定性较差，需要定期维护和调节。而光纤传输具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠和成本低的特性。

因此，如何提供一种基于光纤传输的同步送粉激光增材与激光冲击相结合的制造方法及装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，能够实现激光增材制造过程中对成型构件进行激光冲击表面强化，有效地解决传统增材构件残余拉应力导致的疲劳性能下降问题，适用于制备高可靠性的激光增材构件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤传输的激光增材制造强化装置，包括：控制系统、增材制造装置、激光冲击强化装置和操作台；所述控制系统分别与所述增材制造装置、所述激光冲击强化装置和所述操作台电性连接；

所述增材制造装置和所述激光冲击强化装置分别安装在所述操作台上；

所述控制系统根据待加工的金属基材生成相应的加工路径；所述操作台根据所述加工路径交替控制所述增材制造装置的动作执行端和所述激光冲击强化装置的动作执行端做多自由运动。

优选的，所述操作台包括龙门式机器人、工作台和基板；所述龙门式机器人固定在所述工作台上，且其悬梁处设置有导轨；所述基板水平铺设在所述工作台表面，并与所述龙门式机器人的悬梁上下对应；所述基板用于承载所述金属基材。

优选的，所述控制系统包括计算机和中控台；所述中控台分别与所述计算机和所述龙门式机器人通信连接。

优选的，所述增材制造装置包括第一机械手、第一光纤激光器、第一聚焦系统、同步送粉器、金属粉末喷嘴、保护气体储气罐、保护气体喷嘴和冷却装置；所述第一光纤激光器和所述同步送粉器分别与所述中控台通信连接；