[发明专利]一种同幅面多类型激光增减材复合成形装置与方法

说明书

本发明公开了一种同幅面多类型激光增减材复合成形装置与方法；基于粉末床激光熔融技术，增加激光减材光路和激光表面加工光路，在同幅面情况下集成多类型激光(连续光纤激光、脉冲激光以及超快脉冲激光)，使激光增材成形、激光减材成形(包括激光边缘切割、零件内部材料直接去除)、激光表面加工(激光冲击强化、激光抛光)多种加工技术有机结合于一体，实现高精度、高性能、高表面质量的复杂、精细金属零件的高效率、原位一体化成型。其装置包括具有共同的工作幅面的三个独立激光光路：连续激光、脉冲激光和超快脉冲激光。本发明可避免多工位带来的效率、精度降低；还可通过脉冲激光束控制应力梯度变化，大大降低零件开裂的可能性。

技术领域

本发明涉及増材制造的技术领域，尤其涉及一种同幅面多类型激光增减材复合成形装置与方法。

背景技术

粉末床激光熔融技术(Laser powder bed fusion,LPBF)作为一种主流的金属增材制造成形技术，其可通过金属粉末的层层熔化(层厚一般为20～50μm)、凝固过程一体化成型精度高、致密度高、力学性能优良的复杂、精细结构零件。

但由于该技术基于金属粉末(粉末粒径一般为20～70μm)进行激光逐层成形的特点，其存在连续光纤激光引起热变形、粉末粘附/球化、层间台阶效应等问题，使LPBF成形零件的精细程度、尺寸精度以及表面粗糙度等难以提升，甚至这些问题在受力过程将成为零件失效的起源。这阻碍了该金属增材制造技术的广泛应用。

近年来，超快脉冲激光逐渐被用于进行LPBF技术过程的减材切割或材料去除。

超快脉冲激光下的高温作用可让材料瞬间汽化，以达到激光刻蚀去除材料的作用。

不同于连续光纤激光与材料作用会产生热影响区，超快脉冲与金属材料作用时持续作用时间极短，消除了热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，具有极高的的加工精度。

因此，有研究人员采用连续光纤激光与超快脉冲激光结合的方式进行激光增减材加工，如专利号CN201911030470.1和CN201810058878.9)公开的双激光单工位的方式、专利号CN202010646377.X公开的双激光双工位的方式。

但现有采用双激光单工位的方式一般采用额外增加的超快激光进行边缘切割，而无法对零件中除轮廓外的层内区域进行表面加工，这无法满足特定表面需要进行表面加工的零件需求。

脉冲激光可通过激光的高能、高压冲击作用实现零件局部的精确冲击强化效果。这种方式具有非接触、无热影响区、强化效果显著等特点，因此可用于成型过程中实时调整零件各部位的应力分布，减少应力分布不均匀造成的变形、开裂等缺陷。

因此，有研究人员在连续光纤激光与超快脉冲激光的基础上增加脉冲激光以用于激光表面强化作用，如专利号为CN202010646340.7公开的三激光三工位、专利号为CN202010647034.5公开的三激光旋转工位等方式。

但采用多工位的方式往往会带来其他问题，例如工位切换时需要耗费一定时间而导致效率降低；工位切换前后难以保证振镜坐标与移动工位之间的精度，这会使零件的加工精度降低等。

因此，在多元化技术高速发展、应用要求不断提升的现代化社会环境下，开发一种集合增材、减材与表面加工等多种加工技术的同幅面、原位复合制造系统极具应用意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种同幅面多类型激光增减材复合成形装置与方法。本发明基于粉末床激光熔融技术，增加激光减材光路和激光表面加工光路，在同幅面情况下集成多类型激光(连续光纤激光、脉冲激光以及超快脉冲激光)，使激光增材、激光减材和激光表面加工有机结合，实现高精度、高性能、高表面质量的复杂、精细金属零件的高效率、原位一体化成型。

本发明通过下述技术方案实现：