激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法

摘要

激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法，该设备包括三维运动的工作台、激光器装置、送丝装置和控制系统；送丝装置包括夹送辊轮对，夹送辊轮对的主动轮与一步进电机连接；控制系统包括多轴运动控制卡，多轴运动控制卡分别与步进电机、工作台驱动电机和激光装置连接；该方法包括建模、指令转换、薄片成型和沉积成型等步骤；通过激光熔融金属丝，形成熔滴，熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动而形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件；制造成本低，成型效率高，零件结构强度和表面质量高，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及金属零件成型加工技术领域，特别涉及激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法。

背景技术

传统的金属零件成型方法包括数控机床切削加工、铸造、注塑等。数控机床是普遍使用的加工制造设备。但是，数控机床难以制造具有复杂表面或结构的零件，如薄壁结构、封闭内腔结构和共行冷却结构等；也难以加工某些材料的零件，如钛合金和高硬度材料。

快速成型是一个新的制造方法，能够解决传统制造方法存在的问题。当前，最主要的快速成型材料有：树脂、粉末、纸、蜡、塑料材料甚至橡胶，并且它们只能用于概念模型、视觉原型。加工出的零件在成型精度和效率上存在问题。另外，一些工艺受到材料性能的限制，不适于直接制造快速模具。金属零件有好的表面质量，高的形状和尺寸精度，和高的结构强度导致了无法直接地以传统快速成型方法来成型，因此无法满足制造业——尤其是快速模具制造领域——对零件机械性能的较高要求，工业上迫切需要一种能够快速制造金属零件的快速成型技术。

目前国内外对金属零件的快速成型方法的研究主要有下述方面。

一、立体光造形(StereoLithographyApparatus，SLA）技术。SLA技术又称光固化快速成型技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高），表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成型然后粘接的方法进行制作。缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，(2)设备运转及维护成本较高。(3)可使用的材料种类较少。(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。(5)需要二次固化。(6)液态树脂同化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不使进行机加工，树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。该方法主要用于成型零件原型，金属零件加工中，需要以此原型经失蜡铸造制作金属零件，成型时间较长，加工成本较高。

二、直接熔融金属成型零件的技术，主要包括选择性激光烧结SLS（SelectiveLaserSintering）技术、激光熔覆成型LCF（LaserCladdingForming）技术、激光近形LENS（LaserEngineeringNetShaping）技术等。SLS的成型原理是：先在工作台上用辊筒铺一层粉末加热至略低于它的熔化温度，然后，激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息，对加工的实心部分所在的粉末进行扫描，使粉末的温度升至熔化点，于是粉末交界处熔化后相互粘结，逐步得到各层轮廓。在非烧结区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑。一层成型完成后，工作台下降一截面层的高度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环最终形成三维工件。LCF技术的工作原理是通过对工作台数控，实现激光束对粉末的扫描、熔覆，最终成型出所需形状的零件。研究结果表明：零件切片方式、激光熔覆层厚度、激光器输出功率、光斑大小、光强分布、扫描速度、扫描间隔、扫描方式、送粉装置、送粉量及粉末颗粒的大小等因素均对成型零件的精度和强度有影响。LENS技术则是将SLS技术和LCF技术相结合，并保持了这两种技术的优点；选用的金属粉末有三种形式：（1）单一金属；（2）金属加低熔点金属粘结剂；（3）金属加有机粘结剂。

上述直接熔融金属成型零件的技术的缺点在于均采用的是铺粉方式，所以不管使用哪种形式的粉末，激光烧结后的金属的密度较低、多孔隙、强度较低。要提高烧结零件强度，必须进行后处理，如浸渗树脂、低熔点金属，或进行热等静压处理，但这些后处理会改变金属零件的精度，且表面粗糙度较高，成型效率不高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种成型效率高，制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低，适用范围广的激光熔覆成型设备；同时提供一种基于该激光熔覆成型设备的金属零件的激光熔覆成型方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种激光熔覆成型设备，包括CNC数控工作平台，所述CNC数控工作平台设置有可做X-Y-Z三维运动的工作台，所述工作台上方固设有激光器装置，所述激光器装置的激光束输出端正对所述工作台，它还包括送丝装置和控制系统；所述送丝装置包括支架和送丝嘴，所述支架内设置有夹送辊轮对，所述夹送辊轮对的主动轮与一步进电机的输出轴连接，该步进电机固设于所述支架，所述送丝嘴通过一三维调节器与所述支架连接；所述控制系统包括设置有运动控制软件的运动控制模块，所述运动控制模块设置有多轴运动控制卡，该多轴运动控制卡分别与所述步进电机和驱动工作台X-Y-Z三维运动的驱动电机连接，所述多轴运动控制卡亦与所述激光装置的激光头转动驱动装置连接。

其中，所述控制系统还包括设置于CNC数控工作平台的温度感应器。

其中，所述CNC数控工作平台在所述工作台周缘设置有限位开关，所述限位开关与所述多轴运动控制卡连接。

进一步地，所述夹送辊轮对的从动轮枢接在一从动轮调节器上；所述从动轮调节器包括一调节杆和一调节螺栓；所述调节杆铰接在支架内，从动轮枢接在调节杆靠近自由端处；所述调节螺栓螺接于支架，调节螺栓的前端顶抵所述调节杆的自由端。

更进一步地，所述夹送辊轮对的主动轮的周缘面开设有夹丝槽，所述从动轮周缘面对应主动轮夹丝槽的位置亦开设有夹丝槽；所述夹丝槽槽壁内设置有防滑纹。

其中，所述送丝嘴铰接在所述三维调节器前端。

其中，所述送丝嘴上设有用来输送激光熔覆工艺所需保护气体的保护气喷嘴。

作为实现本发明另一发明目的技术方案，一种金属零件激光熔覆成型方法，包括以下步骤：a、建模，利用CAD软件或反求技术生成零件的CAD三维模型，利用成形控制软件将所述CAD三维模型按一定间距切割成一系列平行薄片，得到各层薄片的轮廓数据；b、指令转换，根据各层薄片的轮廓数据设计工作台的运动轨迹，将该运动轨迹转换成多轴运动控制卡的控制指令，并将所述控制指令输出至所述所述多轴运动控制卡；c、薄片成型，多轴运动控制卡控制工作台做X向和Y向运动，同时控制送丝装置将金属丝送至工作台上方正对激光器激装置激光束输出端的位置，激光器装置产生激光束，热熔金属丝前端，形成熔滴并滴落于工作台，所述熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动而形成薄片；d、沉积成型，完成薄片的成型后，多轴运动控制卡控制工作台做Z向运动，向下运动步骤a所述间距的距离，再以步骤c进行下一薄片的成型，并依次完成各层薄片的成型，熔滴堆积冷却沉积成型而制得金属零件。

其中，所述金属丝采用直径为0.4mm～0.6mm的金属丝。

其中，所述步骤c中，送丝装置的送丝速度为10～40mm/s，所述工作台的X向和Y向运动的移动速度为5～30mm/s，所述激光器装置产生激光束的功率为0.8～1.2kw。

本发明有益效果为：通过激光熔融金属丝，形成熔滴，熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动而形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件；本发明制造过程不需采用铸造模型或锻造模具以及其它专用加工设备，显著降低了制造成本；简化了工艺流程，成型效率高；由于零件是由金属熔滴堆积沉积而成，故而制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低，零件结构强度和表面质量高；本发明能够方便迅捷地制造传统工艺方法难以制造甚至无法制造的复杂金属零件，适于传统方法难以加工的高加工硬化率金属、难熔金属、金属间化合物等材料的成形，适用范围广。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

附图1是本发明的一种激光熔覆成型设备的结构示意图。

附图2是本发明的一种激光熔覆成型设备的激光器装置和送丝装置的局部结构示意图。

附图3是本发明的一种激光熔覆成型设备的送丝装置的结构示意图。

附图4是本发明的一种激光熔覆成型设备的送丝装置的另一视角的示意图。

附图5是本发明的一种金属零件激光熔覆成型方法的步骤流程图。

图1、图2、图3和图4中包括：

1——工作台        2——激光器装置    21——激光头

22——激光束输出端 3——送丝装置      313——丝盘

314——导管        315——保护气喷嘴  32——支架

331——主动轮      332——从动轮    35——三维调节器

35a——X轴调节器  35b——Z轴调节器 35c——Y轴调节器

36——送丝嘴       371——调节杆    372——调节螺栓

38——步进电机   4——控制系统  41——多轴运动控制卡

5——金属丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，见图1～图4所示，一种激光熔覆成型设备，包括CNC数控工作平台，所述CNC数控工作平台设置有可做X-Y-Z三维运动的工作台1，所述工作台1上方固设有激光器装置2，所述激光器装置2的激光束输出端22正对所述工作台1，它还包括送丝装置3和控制系统4；所述送丝装置3包括支架32和送丝嘴36，所述支架32内设置有夹送辊轮对，所述夹送辊轮对的主动轮331与一步进电机38的输出轴连接，该步进电机38固设于所述支架32，所述送丝嘴36通过一三维调节器35与所述支架32连接；所述控制系统4包括设置有运动控制软件的运动控制模块，所述运动控制模块设置有多轴运动控制卡41，该多轴运动控制卡41分别与所述步进电机38和驱动工作台1X-Y-Z三维运动的驱动电机连接，所述多轴运动控制卡41亦与所述激光装置的激光头21转动驱动装置连接。

见图5所示，利用本发明所述的激光熔覆成型设备的一种金属零件激光熔覆成型方法，包括以下步骤：a、建模，利用CAD软件或反求技术生成零件的CAD三维模型，利用成形控制软件将所述CAD三维模型按一定间距切割成一系列平行薄片，得到各层薄片的轮廓数据；b、指令转换，根据各层薄片的轮廓数据设计工作台1的运动轨迹，将该运动轨迹转换成多轴运动控制卡41的控制指令，并将所述控制指令输出至所述所述多轴运动控制卡41；c、薄片成型，多轴运动控制卡41控制工作台1做X向和Y向运动，同时控制送丝装置3将金属丝5送至工作台1上方正对激光器激装置激光束输出端22的位置，激光器装置2产生激光束，热熔金属丝5前端，形成熔滴并滴落于工作台1，所述熔滴在工作台1上堆积冷却，并随工作台1运动而形成薄片；d、沉积成型，完成薄片的成型后，多轴运动控制卡41控制工作台1做Z向运动，向下运动步骤a所述间距的距离，再以步骤c进行下一薄片的成型，并依次完成各层薄片的成型，熔滴堆积冷却沉积成型而制得金属零件。

在金属零件的熔覆成型加工过程中，通过调节所述三维调节器35，使送丝嘴36精确的对准激光束输出端22在工作台1上形成的焦点处；待制备的零件三维结构经所述的步骤a和步骤b形成控制指令；CNC数控工作平台的机架上枢接有丝盘314，在工作时，将盘绕于丝盘314的金属丝5拉出，送入所述支架32；金属丝5在支架32内经过一辅助轮和夹送辊轮对，被校直拉紧的同时，通过所述主动轮331，获得步进电机38提供的送进动力；金属丝5从支架32的出丝端导出后，进入送丝嘴366，并从送丝嘴36的前端伸出，被激光器装置2产生的激光加热融化而形成熔滴，依次经所述的步骤c和步骤d而堆积成三维零件。送丝装置3送丝的位置精度由三维调节器35保证，送丝速度的精度由多轴运动控制卡41控制步进电机38保证。

本发明通过激光熔融金属丝5，形成熔滴，熔滴在工作台1上堆积冷却，并随工作台1运动而形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件；本发明制造过程不需采用铸造模型或锻造模具以及其它专用加工设备，显著降低了制造成本；简化了工艺流程，成型效率高；由于零件是由金属熔滴堆积沉积而成，故而制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低，零件结构强度和表面质量高；本发明能够方便迅捷地制造传统工艺方法难以制造甚至无法制造的复杂金属零件，适于传统方法难以加工的高加工硬化率金属、难熔金属、金属间化合物等材料的成形，适用范围广。

其中，所述的多轴运动控制卡41（即ProgramMultipleAxisesController，简称PMAC）是美国Delta　Tau公司九十年代最早推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能，广泛应用于多轴运动的控制系统，这里不赘述其构造和工作原理。

其中，本实施例所述的三维调节器35由X轴调节器35a、Y轴调节器35c和Z轴调节器35b组成；所述的X轴调节器35a、Y轴调节器35c和Z轴调节器35b均由一对滑动副和一个用于控制滑动副相对滑动的调节螺杆组成；所述Y轴调节器35c的滑动副分别与X轴调节器35a的滑动副，以及Z轴调节器35b的滑动副固接；使用时通过拧动各个调节螺杆，调节与之对应的滑动副的相对位置，从而实现X、Y、Z三维空间位置的调节。当然，三维调节技术属于成熟的现有技术，只要能实现三维空间位置的精确调节，本发明也可以采用其它结构的三维调节器。

本发明所述的控制系统4还包括设置于CNC数控工作平台的温度感应器。在加工过程中，熔滴滴落于工作台1，与之前滴落于工作台1的熔滴融合，最后冷却而形成固态金属零件，这个过程中，金属由液态转换为固态的凝固速度很重要，凝固过快，则熔滴与熔滴之间，或薄片与薄片之间金相组织无法相互融合，形成的零件结构强度不强，易在熔滴与熔滴之间，或薄片与薄片之间产生裂纹；若熔滴凝固速度过慢，则成型过程中，液态金属易流动而无法定型，影响成型尺寸；熔滴的凝固速度取决于熔滴自身温度和环境温度，熔滴温度由激光温度决定，而环境温度则需要监控并调节，所述温度感应器即用于监控环境温度，并将采集的数据传递至控制系统4，进而转化成多轴运动控制卡41调节步进电机38送丝速度和工作台1移动速度的参数，这提高了本发明的工作可靠性。

其中，所述CNC数控工作平台在所述工作台1周缘设置有限位开关，所述限位开关与所述多轴运动控制卡41连接。工作过程中，可能由于工作台1的装配误差、磨损、控制信号误差等因素而产生工作台1的移动误差，这将影响零件的成型精度，故而设置限位开关，用于监控反馈控制工作台1的移动误差。当然，这种对工作台1移动误差的监控反馈的装置也可以是光栅尺、传感器等。

见图3所示，所述夹送辊轮对的从动轮枢接在一从动轮调节器上；所述从动轮调节器包括一调节杆371和一调节螺栓372；所述调节杆371铰接在支架32内，从动轮枢接在调节杆371靠近自由端处；所述调节螺栓372螺接于支架32，调节螺栓372的前端顶抵所述调节杆371的自由端。所述调节螺栓372螺接在支架32上，调节螺栓372的前端顶抵所述调节杆371的自由端。拧动所述调节螺栓372，调节杆371由于其自由端受调节螺栓372的抵压而绕铰链转动，从而调节枢接于其上的从动轮相对主动轮331的距离；这样可以调节所述夹送辊轮对对金属丝5的夹紧程度，同时，当该夹送辊轮对夹送不同截面直径的金属丝5时，也可以通过调节所述从动轮调节器，从而实现对不同尺寸金属丝5的夹送，进一步增强了本发明的适用范围。

其中，所述夹送辊轮对的主动轮331的周缘面开设有夹丝槽，所述从动轮周缘面对应主动轮331夹丝槽的位置亦开设有夹丝槽；所述夹丝槽槽壁内设置有防滑纹。该夹丝槽可以保护金属丝5在被夹送时不至于被压坏，同时，由于夹送时，金属丝5与夹丝槽的槽壁接触，增大了与夹送辊轮对的接触面积，从而在相同的夹紧力下增加了送丝的摩擦力。

其中，所述送丝嘴36铰接在所述三维调节器35前端。这样，送丝嘴36可绕三维调节器35的前端转动，从而调节送丝的角度，而上述的三维调节器35主要用于精确控制送丝嘴36的空间定位。本实施例所述送丝嘴36还可以在所述三维调节器35上更换不同内径的送丝嘴36，以满足不同型号金属丝5的送丝需要。

见图3和图4所示，所述送丝嘴36上设有用来输送激光熔覆工艺所需保护气体的保护气喷嘴315。

其中，所述支架32的进丝端与收卷有金属丝5的丝盘13之间，以及支架32的出丝端与送丝嘴36之间均设有导管314；所述导管314的作用在于限制和改变金属丝5的前进方向。本实施例所述导管314的材料采用聚四氟乙烯，导管314的内径比金属丝5直径大0.5-1.0mm。

本金属零件的激光熔覆成型方法中，所述金属丝5采用直径为0.4mm～0.6mm的金属丝。金属丝5的直径大小影响熔滴尺寸，亦即是说，对熔覆成型每一进尺的精度有影响。若金属丝5直径过小，则熔滴尺寸小，成型速度慢，且对激光器装置2的能量利用率不高；若金属丝5直径过大，则有可能造成在激光熔化金属丝5的过程中，金属丝5端部未完全熔化而熔滴已滴落，这将造成熔滴不均匀，影响成型精度，故而选取直径为0.4mm～0.6mm的金属丝5，熔覆过程中，形成的熔滴尺寸适中，能有效提高成型精度和零件结构强度。

本金属零件的激光熔覆成型方法的步骤c中，送丝装置3的送丝速度为10～40mm/s，所述工作台1的X向和Y向运动的移动速度为5～30mm/s，所述激光器装置2产生激光束的功率为0.8～1.2kw。送丝装置3的送丝速度与工作台1的移动速度是相互影响的，二者共同决定了零件的成型精度。送丝速度过快，则金属丝5不能被完全熔化，熔滴在滴落前会有部分残留于未熔化的部分金属丝5表面，这将影响熔滴均匀性；送丝速度过慢，则熔滴供给不能保证熔覆成型的需要，两相邻熔滴间不能有效结合，从而影响零件的结构强度。同理，在一个薄片成型的过程中，工作平台的移动速度若与熔滴滴落速度不相匹配，移动速度过慢则易造成熔滴堆积，过快则易造成两相邻熔滴间不能有效结合。故而，在选定金属丝5直径的情况下，选择工作台1的X向和Y向运动的移动速度为5～30mm/s，与之相匹配的，选择送丝速度为10～40mm/s，这保证了熔滴产生、熔滴滴落的均匀性，进而保证了熔覆成型过程的均匀性，保证了成型精度。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。