專利名稱：一種不等寬構件的激光直接成形方法
技術領域：
本發明涉及一種激光直接成形方法，具體涉及一種通過激光變斑直接成形不等寬構件的方法。
背景技術：
激光金屬直接成形技術是在激光熔覆基礎上，融合快速原型技術而發展起來的一種先進制造技術。以“離散一堆積”成形原理為基礎，首先建立加工零件的三維CAD模型，然后將三維模型劃分成一系列的二維平面，并根據二維平面輪廓規劃合理的激光掃描路徑，進而轉化為數控工作臺的運行指令，最終實現金屬零件的直接成形。與一般的快速成型技術相比，激光金屬直接成形技術能夠快速制造出傳統工藝方法難以制造的復雜金屬零件；實現功能梯度材料的制造；能夠制造全致密及力學性能優異的零件。由于具有以上優點，激光金屬直接成形技術逐漸成為快速成形技術研究的熱點和發展趨勢，并在航空航天、汽車船舶和武器裝備等制造領域具有廣泛應用。現有技術中，對于不等寬構件，采用激光金屬直接成形的方法均是通過多道搭接及規劃掃描路徑下堆積成形的，如附圖1所示，在該圖中，構件的最寬部位需4道搭接才能實現。黃衛東(激光立體成形一高性能致密金屬零件的快速自由成形[M]，西北工業大學出版社，2007年11月)等人指出零件在搭接成形過程中其搭接率的大小直接影響成形表面宏觀平整程度。如果搭接率選擇得不合理將直接導致成形表面宏觀傾斜角度，一旦這種情況發生，成形表面的尺寸精度將很難保證，嚴重時甚至會導致成形無法進行。尚曉峰(金屬粉末激光成形掃描方式[J]，機械工程學報，2005, 41 (7))等人指出三維零件每一層堆積過程中其成形軌跡是按照一定的掃描路徑成形的，而掃描路徑規劃問題是激光直接成形工藝中關鍵步驟，因為它直接影響著零件的成形效率和成形質量，所以一直是學者們關注的熱點。掃描路徑規劃不合理不僅會造成效率低下，更會引起內部熱應力分布不均，造成內部成形質量較差。且在激光直接成形中由于工藝條件復`雜，成形過程受很多因素的影響，而這些因素將直接影響激光金屬成形的精度和質量。所以，在成形中如何簡化這些工藝影響，并能夠提高成形效率及質量無疑是激光金屬直接成形領域關心的關鍵問題。

發明內容
本發明的發明目的是提供一種不等寬構件的激光直接成形方法，通過方法的改進，減少加工中的搭接，避免由于搭接率選擇的不合理而造成的熔覆層內部孔洞及表面不平整、多次掃描及多次掃描下路徑規劃的不合理而造成的冷卻不均勻等缺陷問題。為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種不等寬構件的激光直接成形方法，包括下列步驟:
(1)用計算機建立三維成形零件模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取零件的輪廓層面信息;
(2)根據加工部位的寬度確定熔道尺寸，控制同軸送粉噴嘴的驅動裝置，根據熔道尺寸調節激光光斑的大小，并根據已知的熔道尺寸與工藝參數的關系，同步調節激光功率、掃描速度及送粉量，進行激光成型；采用上述方式一次掃描直接成形出一層不等寬熔道；
(3)完成一層后，提升噴嘴一個分層高度，在已成形的熔覆層上面按照步驟(2)的方法再熔覆新的熔道，循環操作直至三維零件制造完成。上述技術方案中，步驟(I)為現有技術方法，步驟(2)中，所述的已知的熔道尺寸與工藝參數的關系可以預先通過實驗獲得，在確定熔覆層高度、熔覆用粉末配方后，通過實驗獲取不同熔道寬度與光斑大小、激光功率、掃描速度、送粉量的關系，以保證變斑前后的光束能量密度及送粉密度保持不變，為后續工藝參數的調節提供依據。為保證制備效果，激光光斑應可以連續變化，可調光斑直徑為0.1mm 10_。上述技術方案中，所述激光光斑的大小通過離焦方式調節。所述離焦方式調節為，在激光束聚焦光路中，設置焦距調節機構，通過焦距調節機構的調節改變激光束形成的光斑大小。或者，所述離焦方式調節為，調節激光束聚焦裝置與待加工件的距離，改變激光束形成的光斑大小。另一種技術方案，所述激光光斑的大小通過光束變換方式實現。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
本發明通過離焦或光束變換等方式實現激光光斑的連續變化，通過一次掃描而非多道搭接即可堆積出不等寬熔道，逐層堆積直接制造出三維構件。此方法直接避免了搭接率及掃描路徑對零件的成形造成的影響，不僅簡化了工藝影響因素，而且提高了零件的成形精度及成形效率，進而節約了成本。


圖1是現有技術中采用搭接方式激光直接成形示意圖。圖2是本發明實施例中激光變斑直接成形的工作原理圖。圖3采用離焦方式實現光斑的連續變化示意圖。圖4是實施例中激光變斑直接成形工藝流程圖。其中:1、激光束。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
實施例一:
一種激光變斑直接成形不等寬構件的方法，包括如下步驟:
(I)用計算機建立三維成形零件模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取零件的輪廓層面彳H息。(2)參照圖2及圖4，激光束I聚焦形成光斑，在成形過程中，控制同軸送粉噴嘴的驅動裝置，通過離焦或光束變換等方式實現激光光斑大小的連續變化。依據實驗的熔道尺寸與工藝參數的關系，在激光變斑的過程中同時調節激光功率、掃描速度及送粉量。采用大功率激光器光斑的連續變化，一次掃描而非搭接直接成形出一層不等寬熔道。采用離焦方式實現光斑的連續變化如附圖3所示。
(3)完成一層后，提升噴嘴一個分層高度，在已經熔覆層上面按照步驟2再熔覆新的熔道，如此循環，直至三維零件制造完成。本發明的本質是變光斑工藝，通過控制同軸送粉噴嘴的驅動裝置，通過離焦或光束變換等方式實現激光光斑的連續變化。為使變斑前后的光束能量密度及送粉密度保持不變，并能熔覆出高度均勻及不等寬的熔道，在激光變斑的同時需調節激光功率、掃描速度及送粉量，一次掃描而非搭接直接成形出不等寬熔道，逐層堆積直接制造出三維不等寬構件，此方法不僅簡化了影響熔覆層質量的因素，更有效提高了零件的成形效率及質量，進而節約了成本 。
權利要求
1.一種不等寬構件的激光直接成形方法，包括下列步驟: (1)用計算機建立三維成形零件模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取零件的輪廓層面信息; (2)根據加工部位的寬度確定熔道尺寸，控制同軸送粉噴嘴的驅動裝置，根據熔道尺寸調節激光光斑的大小，并根據已知的熔道尺寸與工藝參數的關系，同步調節激光功率、掃描速度及送粉量，進行激光成型；采用上述方式一次掃描直接成形出一層不等寬熔道； (3)完成一層后，提升噴嘴一個分層高度，在已成形的熔覆層上面按照步驟(2)的方法再熔覆新的熔道，循環操作直至三維零件制造完成。
2.根據權利要求1所述的不等寬構件的激光直接成形方法，其特征在于:所述激光光斑的大小通過離焦方式調節。
3.根據權利要求2所述的不等寬構件的激光直接成形方法，其特征在于:所述離焦方式調節為，在激光束聚焦光路中，設置焦距調節機構，通過焦距調節機構的調節改變激光束形成的光斑大小。
4.根據權利要求2所述的不等寬構件的激光直接成形方法，其特征在于:所述離焦方式調節為，調節激光束聚焦裝置與待加工件的距離，改變激光束形成的光斑大小。
5.根據權利要求1所述的不等寬構件的激光直接成形方法，其特征在于:所述激光光斑的大小通過光束變換方 式實現。
全文摘要
本發明公開了一種不等寬構件的激光直接成形方法，用計算機建立三維成形零件模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取零件的輪廓層面信息；根據加工部位的寬度確定熔道尺寸，控制同軸送粉噴嘴的驅動裝置，根據熔道尺寸調節激光光斑的大小，并根據已知的熔道尺寸與工藝參數的關系，同步調節激光功率、掃描速度及送粉量，進行激光成型；采用上述方式一次掃描直接成形出一層不等寬熔道；完成一層后，提升噴嘴一個分層高度，在已成形的熔覆層上繼續熔覆新的熔道，循環操作直至三維零件制造完成。本發明實現了一次掃描而非搭接直接成形出不等寬熔道，逐層堆積直接制造出三維不等寬構件，不僅簡化了影響熔覆層質量的因素，更有效提高了零件的成形效率及質量，進而節約了成本。
文檔編號B22F3/105GK103231056SQ201310174650
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月13日 優先權日2013年5月13日
發明者朱剛賢, 石世宏, 傅戈雁, 王麗芳 申請人:蘇州大學