一种多模态激光耦合增材制造铝合金的方法

本发明属于激光增材制造，尤其涉及一种多模态激光耦合增材制造铝合金的方法。

背景技术：

1、激光增材制造技术作为一种节能、环保的制造技术在工业生产中被广泛研究，尤其在对铝合金复杂零部件的制造以及修复领域有着较为深远的影响。与传统的加工制造工艺相比，激光增材制造的设计自由度较高，能够实现对复杂几何形状的制造，包括一些内部结构以及孔洞等构造。由于激光能量密度较高，能够对包括金属、陶瓷等绝大多数已知的材料进行加工，这使得激光增材技术具有较广的应用场景。激光增材制造技术可以快速响应并根据客户要求定制化、小批量定制生产。此外，相比于传统的减材制造工艺，激光增材制造技术几乎没有切削废料产生，显著减少了材料的浪费，具有良好的经济效益。这些优点使得激光增材制造技术得到了越来越多的关注。

2、传统激光增材制造技术往往采用单模态的高斯光源作为能量源，且激光增材制造时熔池的温度一般较高，这使得铝合金熔池在凝固后其表面往往会形成一层对后续搭接有害的氧化膜。由于单模态的激光光源能够实现的功能较为单一，因此氧化膜的存在是传统单模态激光无法解决的痛点。此外，高斯能量分布的激光光源会使得熔池呈现出“中间高，两端低”的形貌特征，高斯形貌的焊道在搭接时容易使得搭接后的铝合金表面呈现出不平整的波浪状形貌，且在加工完成后需要从零件边缘处去除掉熔池宽度一半的材料，这造成了材料的极大浪费。除此之外，传统激光增材制造大多采用光外送粉技术进行零部件制造，这会使得由送粉器吹出的粉末有一部分发生飞散而无法进入熔池参与零件的成型，这大幅降低了增材制造的效率，并造成了材料的浪费。微观来看，由于激光增材制造过程中的凝固速度极快，容易导致制造的铝合金零部件的组织发生偏析现象，使得制造的零部件性能不均匀。进一步，由于熔池呈现出“中间高，两端低”的形貌特征，其表面在后续的加工中受热不均，这会加剧零件成分的不均匀性。此外，由于激光增材制造生产的零部件未经锻造处理，因此其机械性能往往要弱于采用锻造技术生产的零部件，这些因素均极大地限制了激光增材制造技术的发展与应用。

3、目前，减轻激光增材制造铝合金零部件成分偏析以及提升其性能的方法主要是加工后的热处理强化。但是，热处理的方法大幅延长了零部件的生产周期，增加了生产成本。

技术实现思路

1、本发明针对传统激光增材制造技术采用单模态的高斯光源作为能量源，制造铝合金零部件形貌不平整且存在成分偏析的技术问题，提出一种利用多模态激光耦合并协同平顶激光光源，能够在宏观上获得均匀、平整的表面形貌，在微观上获得稳定均匀的铝合金组织结构的高效高质量增材制造方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，包括以下步骤：

4、（1）采用连续激光发生器发射单模态连续高斯激光，采用激光光束整形系统将单模态连续高斯激光整形为单模态连续平顶激光，此后采用光学元件将单模态连续平顶激光整形为单模态连续平顶环形激光；

5、（2）采用脉冲激光发生器发射单模态脉冲高斯激光，采用激光光束整形系统将单模态脉冲高斯激光整形为单模态脉冲平顶激光，此后采用光学元件将单模态脉冲平顶激光整形为单模态脉冲平顶环形激光；

6、（3）使单模态连续平顶环形激光与单模态脉冲平顶环形激光分别进入多模态耦合激光喷头中，且连续平顶环形激光位于脉冲平顶环形激光的光环内，形成多模态耦合环形激光；

7、（4）通过送丝/粉器从连续平顶环形激光的圆环中心处输送铝合金丝/粉材，避免了光外送粉导致的粉末飞溅现象，提升了粉末的利用率，提高了加工效率；

8、（5）多模态耦合激光喷头按照预设轨迹以一定速度移动，使脉冲平顶环形激光率先与基材接触，此后连续平顶环形激光与基材接触，金属丝/粉材熔融并凝固后形成焊道，持续运行最终完成整个零件的增材过程；

9、（6）熔池完全凝固形成工件以后，关闭连续平顶环形激光，调整脉冲平顶环形激光的功率，在不重新装夹的前提下对铝合金工件表面进行脉冲激光冲击强化处理，增材工艺与表面强化工艺采用同一套激光设备，避免了多次装夹造成的误差。

10、作为优选，所述单模态连续平顶环形激光为圆环形，单模态脉冲平顶环形激光为椭圆环形。

11、作为优选，所述连续平顶环形激光位于脉冲平顶环形激光内部，连续平顶环形激光的圆心位于脉冲平顶环形激光的长轴上且一侧与脉冲平顶环形激光相内切。

12、作为优选，步骤（4）中输送金属丝/粉材的同时采用水冷装置为激光头降温，采用保护气体防止熔池氧化。

13、作为优选，步骤（6）中调整脉冲平顶环形激光的功率为将脉冲平顶环形激光作用于铝合金的峰值功率密度调整为5gw/cm2，光斑直径调整为2mm-4mm，使铝合金表面达到107/s的应变速率。

14、作为优选，还包括铝合金基材处理步骤，具体为将基材表面进行打磨使其平整光滑，打磨后采用丙酮清洗去除表面污垢。

15、作为优选，步骤（5）增材过程中脉冲平顶环形激光的功率为0.05kw-6kw，连续平顶环形激光的功率为1kw-30kw。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

17、（1）本发明采用的脉冲平顶环形激光能够提升熔池的流动性能，加速熔池内部的热质传输，减弱由于激光快速凝固导致的元素偏析现象，形成稳定均匀的组织。

18、（2）本发明采用的脉冲平顶环形激光能够在铝合金凝固时作用于固液界面前沿，击碎由于快速凝固而产生的枝晶晶臂，提高了凝固时的形核率，抑制了粗大枝晶的长大，最终能够获得极为细小的细晶组织，提升了铝合金工件的强度。

19、（3）本发明采用的脉冲平顶环形激光可以作为一种表面强化手段单独使用，在铝合金零件加工完成后对零部件的表面进行激光冲击强化，获得有利于抵抗裂纹产生的残余压缩应力，提升了材料的耐疲劳性能。

20、（4）本发明采用的环形连续激光光源以及环形脉冲激光光源均为平顶光源，在增材过程激光能量分布均匀，形成平整的加工表面，避免熔池表面呈现出“中间高，两头低”的高斯形貌特征，避免高斯形貌特征影响后续的增材过程。

21、（5）本发明所采用的铝合金粉材从中空的连续平顶环形激光内部输送，避免了光外送粉导致的粉末飞溅现象，提升了粉末的利用率，提高了加工效率，避免了铝合金粉末对于传感器信号的干扰。增材工艺与表面强化工艺采用同一套激光设备，避免了多次装夹造成的误差，同时缩短了铝合金工件整体的加工流程，进一步提升了加工的效率。

22、（6）本发明所采用的光内送粉/丝技术能够使传感器直接检测到激光以及熔池的参数，避免了铝合金粉末对于传感器信号的干扰作用，使得后续的反馈调节更加精准。

技术特征：

1.一种多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于：所述单模态连续平顶环形激光为圆环形，单模态脉冲平顶环形激光为椭圆环形。

3.根据权利要求2所述的多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于：所述连续平顶环形激光位于脉冲平顶环形激光内部，连续平顶环形激光的圆心位于脉冲平顶环形激光的长轴上且一侧与脉冲平顶环形激光相内切。

4.根据权利要求1所述的多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于：步骤（4）中输送金属丝/粉材的同时采用水冷装置为激光头降温，采用保护气体防止熔池氧化。

5.根据权利要求1所述的多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于：步骤（6）中调整脉冲平顶环形激光的功率为将脉冲平顶环形激光作用于铝合金的峰值功率密度调整为5gw/cm2，光斑直径调整为2mm-4mm，使铝合金表面达到107/s的应变速率。

6.根据权利要求1所述的多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于：还包括铝合金基材处理步骤，具体为将基材表面进行打磨使其平整光滑，打磨后采用丙酮清洗去除表面污垢。

7.根据权利要求1所述的多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，其特征在于：步骤（5）中脉冲平顶环形激光的功率为0.05kw-6kw，连续平顶环形激光的功率为1kw-30kw。

技术总结
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种多模态激光耦合增材制造铝合金的方法，所述方法包括前处理、构建多模态耦合激光、增材过程及强化处理等步骤。本发明通过激光整形系统和光路系统，将激光光源整形为环形平顶激光，采用环形平顶脉冲激光辅助环形平顶连续激光进行增材制造，均匀化铝合金零部件的组织结构，有效提升凝固过程的形核率，最终获得细化的晶粒，进而使工件获取优良的强度以及塑韧性。采用环形平顶脉冲激光对加工后铝合金表面进行强化处理，将激光快速凝固而产生的残余拉应力改变为残余压应力，从而获得具有高强度高抗疲劳性能的铝合金工件。

技术研发人员：翟文正,王湘平,王瑞彤
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5