[发明专利]一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法

说明书

本发明公开了一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，包括可旋转的搅拌头，搅拌头下方设置有基板，基板上设有增材层和增材材料，包括：设置在搅拌头下端的裙式轴肩，裙式轴肩为锥形裙摆式结构，裙式轴肩靠近基板侧设有环形凹槽；裙式轴肩与已固结的增材材料接触，并对增材材料进行碾压、搅拌形成增材层；激光组件，激光通道设在搅拌头内部，外部激光束经过激光通道、平面反射镜和环形反射镜的反射作用后，冲击焊接增材材料，使得增材材料固结在上一增材层上。加工方法包括步骤S1‑S8。本发明通过将裙式搅拌头与激光耦合，在搅拌摩擦增材的同时，在增材层表面实时进行激光冲击固结，从而实现无装夹外部进料式搅拌摩擦增材。

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材作为一种固相增材技术，可以有效避免熔化焊所导致的裂纹、气孔等问题，优势显著。现有增材加工的技术方案中，无论是送丝、粉或棒材都很难保证增材过程中的连续性，搅拌头卧式设计存在接触面小、生产效率低、等诸多问题。立式设计中由于搅拌头与材料之间存在较大摩擦力，从而需要复杂的工装夹具辅助增材过程。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种在增材层表面实时进行激光冲击固结，固结效果好的激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置及方法。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置，包括可旋转的搅拌头，搅拌头下方设置有基板，基板上设有增材层和增材材料，包括：

设置在搅拌头下端的裙式轴肩，裙式轴肩为锥形裙摆式结构，裙式轴肩靠近基板侧设有环形凹槽；裙式轴肩与已固结的增材材料接触，并对增材材料进行碾压、搅拌形成增材层；

激光组件，包括激光通道、平面反射镜和环形反射镜；激光通道设在搅拌头内部，外部激光束经过激光通道、平面反射镜和环形反射镜的反射作用后，冲击焊接增材材料，使得增材材料固结在上一增材层上。

进一步地，搅拌头内设置有贯穿裙式轴肩内和连接端上部的通孔，通孔的轴线与搅拌头的轴线重合；

环形反射镜设置在裙式轴肩的内壁上，平面反射镜设置在裙式轴肩的中部与环形反射镜配合；连接端的上方依次设置有调焦聚焦镜、准直镜和激光发射器，激光发射器透过准直镜和调焦聚焦镜向平面反射镜发射激光，激光的线束经过通孔的轴线，激光通过平面反射镜和环形反射镜反射作用于裙式轴肩下方的增材材料。

进一步地，平面反射镜安装在旋转电机上，旋转电机通过三叉支撑架设置在裙式轴肩的底部，平面反射镜的旋转平面与裙式轴肩的轴线垂直。

进一步地，裙式轴肩的下端边沿设置有向下开口的环形凹槽，环形凹槽的截面为弧形结构。

提供一种采用上述激光冲击固结复合搅拌摩擦增材加工装置进行增材加工的方法，其包括以下步骤：

S1：将需要增材的基板放置在加工平台上，搅拌头设置在基板的上方，并且使裙式轴肩倾斜；

S2：利用送料装置将增材所需的增材材料送至基板与搅拌头之间，激光发射器发射激光，透过准直镜和调焦聚焦镜后形成可以用于冲击焊接的激光，通过平面反射镜和环形反射镜的作用，激光高速冲击搅拌头下方的增材材料，驱动增材材料贴合基板并与基板发生冶金结合形成增材材料激光固结区；

S3：旋转驱动装置驱动搅拌头以设定的速度V旋转，裙式轴肩接触增材材料固结区的上表面并挤压搅拌增材材料形成增材层；

S4：利用激光2D传感器沿增材层长度方向进行扫描，并且使激光2D传感器发出的直线激光与增材材料激光固结区长度方向垂直，检测增材材料激光固结区表面的平整度；

S5：建立平整度扫描图，在平整度扫描图上标记出不平整区域；