一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置及方法，包括延激光束出射方向依次设置的用于对激光束进行扩束的扩束透镜、用于将扩束后的激光束平行输出的准直凸透镜和用于接收平行激光束并输出同轴双光束的聚焦凸透镜，聚焦凸透镜的凸面中心位置设有用于将激光束平行输出形成大光斑A的平面A，聚焦凸透镜的凸面部分将激光束聚焦形成小光斑B，光斑A、B同轴。本发明专利技术通过凸透镜和凹透镜的组合使用，产生光斑大小可调节的同轴双光束，利用大光斑对金属粉末进行预热和缓冷，提高材料对激光的吸收率，缓解应力，降低温度梯度，降低偏析、裂纹和孔隙等组织缺陷，利用小光斑成形，聚焦性能好，能量稳定，提高成形效率、精度和质量。

【技术实现步骤摘要】
一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置及方法
本专利技术属于增材制造领域，具体涉及一种在激光选区熔化成形中同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置及方法。
技术介绍
激光选区熔化成形技术(SelectiveLaserMelting，SLM)是增材制造的典型代表，它将传统的三维制造工艺转变为平面制造-累积叠加工艺，通过粉末逐层熔化实现三维复杂精密零部件的制造，由于粉末处于静止状态可设计制造辅助支撑结构，因此适合几乎任意复杂形状金属零部件的制造，可广泛应用于航空航天、汽车、模具、医疗等行业。但在激光成形过程中，由于高能激光提供热源将材料逐层熔化并迅速冷却，粉床受到循环热作用，温度梯度大，温度场不稳定，且不同材料体系的激光吸收率各异。激光金属成形过程中，有两个普遍规律：第一，对同一种材料，波长越长，材料对激光的吸收系数越低，波长越短，材料对激光的吸收系数越高；第二，金属温度越高，对激光的吸收率越高。因此，对于Cu、Al等对激光吸收率较低的金属，利用SLM成形此类金属时存在很大困难。通过对粉末预热可降低成形过程中的温度梯度，改善温度场分布，有效控制成形件的变形和开裂问题，同时粉末预热可在一定程度上提高粉末对激光的吸收率，提高粉末对能量的利用率。而目前在激光选区熔化成形设备中，尚未见采用双光束激光预热成形缓冷的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置及方法，通过光斑大小可调节的大小同轴双光束对金属粉末进行预热和缓冷，一方面能够缓解应力、降低温度梯度、降低组织缺陷，另一方面能够提高金属粉末对激光的吸收率，提高金属材料的成形效率、精度和质量。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，包括激光束，以及延激光束的出射方向依次设置的用于对激光束进行扩束的扩束透镜、用于将扩束后的激光束平行输出的准直凸透镜和用于接收平行激光束并输出同轴双光束的聚焦凸透镜，其中扩束透镜能够在光路上移动进行动态聚焦，聚焦凸透镜的直径为D，聚焦凸透镜的凸面中心位置形成有直径为d的平面A，D>d，平面A用于将平行激光束平行输出形成直径为d的光斑A，聚焦凸透镜的凸面部分用于将平行激光束聚焦形成直径为d’的光斑B，光斑A与光斑B同轴，且d>d’。所述的聚焦凸透镜为平凸透镜，其凸面一侧为入射侧，平面一侧为出射侧，其入射侧的平面A与出射侧的平面同轴且互相平行。所述的准直凸透镜为平凸透镜，其平面一侧为入射侧，凸面一侧为出射侧。所述的扩束透镜为扩束凹透镜或扩束凸透镜。所述的扩束凹透镜为平凹透镜，其平面一侧为入射侧，凹面一侧为出射侧；所述的扩束凸透镜为平凸透镜，其平面一侧为入射侧，凸面一侧为出射侧。所述的扩束凹透镜的凹面中心位置形成有直径为d1的平面B，其中平面B用于使激光束平行透过，扩束凹透镜的凹面部分用于对激光束进行扩束，扩束凹透镜的平面B与其入射侧的平面同轴且互相平行，扩束凹透镜的直径为D1，D1>d1，D1<D，d1＝d；所述的扩束凸透镜的凸面中心位置形成有直径为d2的平面C，其中平面C用于使激光束平行透过，扩束凸透镜的凸面部分用于对激光束进行扩束，扩束凸透镜的平面C与其入射侧的平面同轴且互相平行，扩束凸透镜的直径为D2，D2>d2，D2<D，d2＝d。所述的准直凸透镜的凸面中心位置形成有直径为d3的平面D，其中平面D用于使平行的激光束平行透过，准直凸透镜的凸面部分用于将扩束后的激光束平行输出，准直凸透镜的平面D与其入射侧的平面同轴且互相平行，准直凸透镜的直径为D3，D3>d3，D3＝D，d3＝d。同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释方法，包括以下步骤：a)调节好准直凸透镜和聚焦凸透镜的位置，将其进行固定；b)激光束入射进入扩束凹透镜或扩束凸透镜，经扩束凹透镜或扩束凸透镜扩束后进入准直凸透镜，经准直后再通过聚焦凸透镜形成同轴双光束，其中聚焦凸透镜的凸面部分将准直后的激光束聚焦形成直径为d’的光斑B，聚焦凸透镜上的平面A使准直后的激光束平行输出形成直径为d的光斑A，光斑B处于光斑A的中心；c)通过调节扩束凹透镜或扩束凸透镜的移动距离，利用动态聚焦光学杠杆原理，实现不同大小的光斑B的聚焦；d)在激光选区熔化成形过程中，利用光斑A对金属粉末进行预热和缓冷，利用光斑B成形，即可得到所需零部件。所述的金属粉末包括Cu粉、Al粉及其混合物。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，在激光束的出射方向上依次设置扩束透镜、准直凸透镜和聚焦凸透镜，其中扩束透镜的作用是将入射的准平行激光束扩束，以降低准直凸透镜和聚焦凹透镜上的激光能量密度，起到保护镜片的作用；准直凸透镜的作用是将经由扩束透镜扩束的激光束平行输出；聚焦凸透镜的凸面部分的作用为将准直平行光束聚焦形成直径为d’的光斑B(小光斑)，聚焦凸透镜上的平面A的作用为将平行光束准直平行输出形成直径为d的光斑A(大光斑)，且光斑B处于光斑A的中心，并且由于扩束透镜的位置可调节，因此光斑B的大小可调，从而能够产生不同光斑大小的同轴双光束。利用光斑A(大光斑)对金属粉末进行预热和缓冷，光斑B(小光斑)熔化成形，能够缓解应力，降低温度梯度，降低偏析、裂纹和孔隙等组织缺陷，解决铝合金等材料对激光吸收率低的问题，提高铝合金等材料的成形效率、精度和质量。本专利技术提供的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释方法，通过凸透镜和凹透镜的组合使用，产生光斑大小可调节的同轴双光束，利用大光斑对金属粉末进行预热和缓冷，能够提高材料对激光的吸收率，缓解应力，降低成形过程中的温度梯度，降低偏析、裂纹和孔隙等组织缺陷，利用小光斑成形，聚焦性能好，能量稳定，能够提高成形效率、精度和质量。该方法不仅可对激光吸收率较高的金属粉末进行激光选区熔化成形，还可对激光吸收率较低的金属粉末(包括Cu粉、Al粉及其混合物、合金等)进行激光选区熔化成形，能够改善温度场分布，有效控制成形件的变形和开裂问题，同时能够提高粉末对能量的利用率，最终达到提高成形件质量的目的。附图说明图1为本专利技术利用不带平面B的扩束凹透镜和不带平面D的准直凸透镜进行的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释方法的原理图；图2为本专利技术利用带平面B的扩束凹透镜和带平面D的准直凸透镜进行的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释方法的原理图；图3为本专利技术利用不带平面C的扩束凸透镜和不带平面D的准直凸透镜进行的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释方法的原理图；图4为本专利技术利用带平面C的扩束凸透镜和带平面D的准直凸透镜进行的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释方法的原理图；图5为本专利技术的扩束凹透镜的结构示意图，其中(a)为不带平面B的扩束凹透镜，(b)为带有平面B的扩束凹透镜；图6为本专利技术的扩束凸透镜的结构示意图，其中(a)为不带平面C的扩束凸透镜，(b)为带有平面C的扩束凸透镜；图7为本专利技术的准直凸透镜的结构示意图，其中(a)为不带平面D的准直凸透镜，(b)为带有平面D的准直凸透镜；图8为本专利技术的聚焦凸透镜的结构示意图；图9为本专利技术形成的同轴双光束的光斑的效果图；其中，1为激光束、2为扩束凹透镜、3为准直凸透镜、4为聚焦凸透镜、5为扩束凸透镜。具体实施方式下面结合附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：包括激光束(1)，以及延激光束(1)的出射方向依次设置的用于对激光束(1)进行扩束的扩束透镜、用于将扩束后的激光束平行输出的准直凸透镜(3)和用于接收平行激光束并输出同轴双光束的聚焦凸透镜(4)，其中扩束透镜能够在光路上移动进行动态聚焦，聚焦凸透镜(4)的直径为D，聚焦凸透镜(4)的凸面中心位置形成有直径为d的平面A，D>d，平面A用于将平行激光束平行输出形成直径为d的光斑A，聚焦凸透镜(4)的凸面部分用于将平行激光束聚焦形成直径为d’的光斑B，光斑A与光斑B同轴，且d>d’。

【技术特征摘要】
1.一种同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：包括激光束(1)，以及延激光束(1)的出射方向依次设置的用于对激光束(1)进行扩束的扩束透镜、用于将扩束后的激光束平行输出的准直凸透镜(3)和用于接收平行激光束并输出同轴双光束的聚焦凸透镜(4)，其中扩束透镜能够在光路上移动进行动态聚焦，聚焦凸透镜(4)的直径为D，聚焦凸透镜(4)的凸面中心位置形成有直径为d的平面A，D>d，平面A用于将平行激光束平行输出形成直径为d的光斑A，聚焦凸透镜(4)的凸面部分用于将平行激光束聚焦形成直径为d’的光斑B，光斑A与光斑B同轴，且d>d’；所述的扩束透镜和准直凸透镜(3)的凹面或凸面一侧的中心位置形成有平面，或者扩束透镜和准直凸透镜(3)具有完整的凹面或凸面；并且当准直凸透镜(3)的凸面一侧的中心位置形成有平面时，扩束透镜的凹面或凸面一侧的中心位置也形成有平面；当准直凸透镜(3)具有完整的凸面时，扩束透镜也具有完整的凹面或凸面。2.根据权利要求1所述的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：所述的聚焦凸透镜(4)为平凸透镜，其凸面一侧为入射侧，平面一侧为出射侧，其入射侧的平面A与出射侧的平面同轴且互相平行。3.根据权利要求1所述的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：所述的准直凸透镜(3)为平凸透镜，其平面一侧为入射侧，凸面一侧为出射侧。4.根据权利要求3所述的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：所述的扩束透镜为扩束凹透镜(2)或扩束凸透镜(5)。5.根据权利要求4所述的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：所述的扩束凹透镜(2)为平凹透镜，其平面一侧为入射侧，凹面一侧为出射侧；所述的扩束凸透镜(5)为平凸透镜，其平面一侧为入射侧，凸面一侧为出射侧。6.根据权利要求5所述的同轴双光束激光预热成形缓冷应力缓释装置，其特征在于：所述的扩束凹透镜(2)的凹面中心位置形成有直径为d1的平面B，其中平面B用于使激光束(1)平行透过...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏正英，周建平，陈祯，杜军，王鑫，邹亚桐，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61