CN117428210B - 多激光选区熔融搭接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多激光选区熔融搭接方法，包括以下步骤：提供两个或两个以上激光器；确定待打印零件处于激光搭接区域内的部分及激光搭接区域的宽度；根据待打印零件的实际使用工况和受力特点，明确激光搭接区域中的应力方向和/或应力大小，将待打印零件处于激光搭接区域内的部分划分为两个或两个以上网格；将网格以如下方式分配给激光器，即，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器；以及将网格所分配到的激光器在网格内的扫描路径设置为之字形。上述多激光选区熔融搭接方法可有效降低增材制造产品在激光搭接区域的内应力，提高了零件在多激光搭接区域与单激光扫描区域内组织和力学性能的一致性。

Description

多激光选区熔融搭接方法
技术领域
本发明涉及一种多激光选区熔融搭接方法。更具体地说，本发明涉及一种降低内应力的多激光选区熔融搭接方法。
背景技术
选区激光熔融（SLM）技术作为金属增材制造技术的代表，可实现复杂金属部件的一体化高精度成形，且具有解放设计、制造周期短、材料利用率高、降本减重和曲面表达力强等优势，在飞行器及航天器中应用广泛。目前中航工业、航天科工、中船重工、GE、空客、赛峰等国内外企业均已开始甚至大规模使用选区激光熔融产品。
近年来，为了进一步突破选区激光熔融技术在生产速度、制造成本、可成形零件尺寸方面的限制，新型的选区激光熔融设备普遍采用在一台设备中配置两个及以上的激光器，将整个打印平面分割为多个成形区域分别成形，因此能够成倍地提高打印速度并扩大打印范围。
当前，配备多激光器的选区激光熔融设备通常采用较为简单的硬过渡方式。如图1所示，其中示出了形成在两个激光器的成形区域1之间的搭接区域2。这种工艺过程决定了在两个激光器的成形区域1之间的搭接区域2中天然存在搭接现象，因此在进行大尺寸零件成形时，激光器之间的搭接处常常会出现宽度为1mm～50mm的搭接区域2（即，不同激光头所扫描的成形区域1的重叠部分）。在该搭接区域2内，成形体的金相组织、局部性能、宏观外形与非搭接区域相比均存在着明显差异。
具体来说，激光束的不对中造成接缝处存在尺寸误差、边缘不对齐，结果是成形的大尺寸零件在搭接区域2与非搭接区域的宏观表面形貌、微观组织均存在着明显的不均一性，导致搭接区域2的组织不连续、内应力增大，易应力集中引发裂纹萌生及扩展，进而造成零件在设计使用寿命前发生失效，限制了相关应用。
特别是民机用大尺寸增材制造零件，出于民机长寿命服役、全过程受控、高可靠性、一致性的产品设计准则，必须要求产品的材料、制造工艺在零件的成形过程中保持高度的稳定性与一致性，在此基础上才能实现材料微观组织与力学性能的一致性与稳定性，才能有效地减少产品局部应力与瑕疵，提高大尺寸民机增材制造零件的长期可靠性。
鉴于以上问题，本发明提出一种多激光选区熔融搭接方法，该方法有效降低增材制造产品在激光搭接区域的内应力，并提高零件在多激光搭接区域与单激光扫描区域内组织和力学性能的一致性，以更好地符合大尺寸零件对工艺过程、产品材料特性的一致性要求，从而解决上述不足之处。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多激光选区熔融搭接方法，以提高零件在多激光搭接区域与单激光扫描区域内组织和力学性能的一致性。
根据本发明的第一方面涉及一种多激光选区熔融搭接方法，包括以下步骤：
（i）提供两个或两个以上激光器；
（ii）确定待打印零件处于激光搭接区域内的部分及所述激光搭接区域的宽度；
（iii）根据待打印零件的实际使用工况和受力特点，明确激光搭接区域中的应力方向和/或应力大小，将待打印零件处于激光搭接区域内的部分划分为两个或两个以上网格；
（iv）将网格以如下方式分配给激光器，即，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器；以及
（v）将网格所分配到的激光器在网格内的扫描路径设置为之字形。
在激光器仅有两个的情况下，“所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器”是一种类似于国际象棋棋盘的交叉布置方式，即，将第一激光器分配给某个网格，而将第二激光器分配给与该网格相邻的另外四个网格。
而在激光器有三个或三个以上的情况下，“所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器”不限于前述的棋盘式交叉布置。
例如，在激光器有三个的情况下，在将第一激光器分配给某个网格的情况下，可以将第二激光器或第三激光器分配给与该网格相邻的另外四个网格。在激光器有四个的情况下，在将第一激光器分配给某个网格的情况下，可以将第二激光器、第三激光器和第四激光器中的任意一个分配给与该网格相邻的另外四个网格，只要所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器即可。上述分配的总数量将随着激光器数量的增加而呈现指数级增长。
术语“之字形”描述了激光束在网格内的扫描路径的一种常见行进方式。具体来说，激光束在网格内来回往返移动，且每次移动与之前的移动均偏移一定角度，从而在网格中形成类似汉字“之”的行进路线。
上述技术方案有效地避免了单一激光扫描路径过长带来的温度梯度大、内应力分布不均匀等问题，提高了搭接区域的组织均匀性和表面平整度。
在一个较佳实施例中，在步骤（ii）中，根据待打印零件的尺寸和/或激光搭接区域中的应力大小确定激光搭接区域的宽度。
具体来说，激光搭接区域的宽度与设备成形仓尺寸、零件尺寸、实际工况下的应力分布有关，激光搭接区域的宽度优选地为2～20mm。零件尺寸越大，则激光搭接区域的宽度相对越大；激光搭接区域的组织所受应力越大，激光搭接区域的宽度相对越大。也就是说，激光搭接区域的宽度与待打印零件的尺寸和/或激光搭接区域中的应力大小成正比关系。
在再一个较佳实施例中，在步骤（iii）中，网格的平行线方向与应力方向成30～60度夹角。更优选的是，网格的平行线方向与应力方向成45度夹角。
在又一个较佳实施例中，在步骤（iii）中，网格的面积为0.04～1mm2，网格的单个面积与激光搭接区域中的应力大小成正比关系，网格的数量与激光搭接区域中的应力大小成反比关系。
具体来说，“网格的单个面积与激光搭接区域中的应力大小成正比关系”意指应力越大的区域其划分的网格数量越少，应力越小的区域其划分的网格数量越多。举例而言，对于局部应力大小为材料X-Y方向抗拉强度40%的材料，单个网格的面积优选为0.16mm2；对于局部应力大小为材料X-Y方向抗拉强度50%的材料，单个网格的面积优选为0.25mm2；对于局部应力大小为材料X-Y方向抗拉强度60%的材料，单个网格的面积优选为0.36mm2。
在另一个较佳实施例中，在步骤（v）中，网格中相邻的两个网格的扫描路径夹角在45°至135°之间。
如先前所述，网格所分配到的激光器在网格内的扫描路径设置为之字形。上述扫描路径夹角是对于之字形扫描路径的进一步限定，例如，网格中相邻的两个网格的扫描路径夹角优选地在75°至105°之间。
较佳的是，在步骤（v）中，扫描路径在网格内的起点与扫描路径在网格的相邻网格内的终点相对。
较佳的是，在步骤（v）中，激光搭接区域采用分层交错扫描方式，其中每一层的扫描路径顺时针或逆时针转动预定角度，其中预定角度为2°至5°。
根据本发明的多激光选区熔融搭接方法能够获得以下优点：
（i）通过对区域进行分配，有效地避免了单一激光扫描路径过长带来的温度梯度大、内应力分布不均匀问题，提高了搭接区域的组织均匀性和表面平整度；
（ii）通过对扫描路径进行设计，可以减少未熔合缺陷及搭接区棋盘格交界处残余应力，减少变形开裂。
附图说明
为了进一步说明根据本发明的多激光选区熔融搭接方法的技术效果，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：
图1示出了形成在两个激光器成形的交接区域之间的搭接区域；
图2示出了根据本发明的多激光选区熔融搭接方法中的区域分配的布局图；
图3示出了根据本发明的多激光选区熔融搭接方法中的扫描路径的设计图；
图4示出了根据本发明的第一实施例的多激光选区熔融搭接方法中的区域分配的布局图；
图5示出了根据本发明的第一实施例的多激光选区熔融搭接方法中的扫描路径的设计图；
图6示出了根据本发明的第二实施例的多激光选区熔融搭接方法中的区域分配的布局图；
图7示出了根据本发明的第二实施例的多激光选区熔融搭接方法中的扫描路径的设计图；
图8示出了根据本发明的第三实施例的多激光选区熔融搭接方法中的区域分配的布局图；以及
图9示出了根据本发明的第三实施例的多激光选区熔融搭接方法中的扫描路径的设计图。
附图标记：
1 成形区域；
11-14 第一至第四成形区域；
2 激光搭接区域；
3 网格；
31-39 第一至第九网格。
具体实施方式
下面结合附图说明根据本发明的多激光选区熔融搭接方法的各步骤及其技术效果。
应当明确，本说明书所描述的实施例仅仅涵盖本发明的一部分实施例，而非全部实施例。基于说明书中记载的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，并不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。
基于相同的方位理解，在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图2和3示出了根据本发明的多激光选区熔融搭接方法中对区域进行分配和对扫描路径进行设计的一般原则。
根据本发明的多激光选区熔融搭接方法，包括以下步骤：
（i）提供两个或两个以上激光器；
（ii）确定待打印零件处于激光搭接区域内的部分及所述激光搭接区域的宽度；
（iii）根据待打印零件的实际使用工况和受力特点，明确激光搭接区域中的应力方向和/或应力大小，将待打印零件处于激光搭接区域内的部分划分为两个或两个以上网格；
（iv）将网格以如下方式分配给激光器，即，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器；以及
（v）将网格所分配到的激光器在网格内的扫描路径设置为之字形。
如图2所示，在激光器为两个的情况下，根据本发明的多激光选区熔融搭接方法，采用诸如棋盘的交叉布置方式为每个网格分配激光器。图2中所示的搭接区域2被分成3×5个网格3，其中，第一排5个网格3从左到右依次分配给第一激光器（以多条斜线的图案表示）、第二激光器（以多个方格的图案表示）、第一激光器、第二激光器和第一激光器，第二排5个网格3从左到右依次分配给第二激光器、第一激光器、第二激光器、第一激光器和第一激光器，以此类推。总之，第一激光器和第二激光器以这样的方式分配给各个网格，即，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器。
如图3所示，在为各个网格分配好激光器之后，设计激光器在每个网格中的扫描路径，其中，用带箭头的实线表示第一激光器在网格中的扫描路径及方向，用带箭头的虚线表示第二激光器在网格中的扫描路径及方向。整体上，将网格所分配到的激光器在网格内的扫描路径设置为之字形，其中，相邻两个网格的扫描路径的夹角在45°至135°之间，优选地在75°至105°之间。此外，扫描路径还可以被进一步设计为在网格内的起点与该扫描路径在相邻网格内的终点相对。
另一方面，如果搭接区域2由多个层叠的层材料组成的话，可以在每个层之间采用分层交错扫描方式，即在每一层的扫描路径与相邻的层相比顺时针或逆时针旋转一定角度，该角度优选地为2°至5°。这可以减少未熔合缺陷及搭接区域中棋盘格交界处的残余应力，减少变形开裂。扫描路径之间的道间距为光斑直径的1-1.5倍，保证一定的重熔面积，减少未熔合、熔合不良缺陷发生的几率。
（第一实施例）
图4和5分别示出了根据本发明的第一实施例的多激光选区熔融搭接方法中对区域进行分配和对扫描路径进行设计的示意图。
根据本发明的第一实施例涉及双激光器针对SLM设备成形Ti-6Al-4V零件时在搭接区域的分配和扫描方案。搭接区域2在第一激光器的第一成形区域11和第二激光器的第二成形区域12之间。由于上述零件在搭接区域2的局部工况应力为材料X-Y方向抗拉强度的50%，单个正方形网格边长被设计为0.5mm。分配后的网格以3×6、即三行六列的方式布置。以X的下标数字代表该网格处于第几列，以Y的下标数字代表该网格处于第几行。
如图4所示，X2Y1、X1Y2、X3Y2、X2Y3、X1Y4、X3Y4、X2Y5、X1Y6、X3Y6这九个网格被分配给第一激光器（以多个方格的图案表示），X1Y1、X3Y1、X2Y2、X1Y3、X3Y3、X2Y4、X1Y5、X3Y5、X2Y6这九个网格被分配给第二激光器（以多条斜线的图案表示）。由此可见，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器。
图5示出了为各个网格31、32、33和34所设计的扫描路径，可以看到，带箭头的实线表示第一激光器的扫描路径和方向，带箭头的虚线表示第二激光器的扫描路径和方向，其中，第二激光器在第一网格31中的扫描路径与第一激光器在第二网格32中的扫描路径形成135°的夹角，第一激光器在第二网格32中的扫描路径与第二激光器在第三网格33中的扫描路径形成135°的夹角，第二激光器在第三网格33中的扫描路径与第一激光器在第四网格34中的扫描路径形成45°的夹角，第一激光器在第四网格34中的扫描路径与第二激光器在第一网格31中的扫描路径形成45°的夹角。
此外，搭接区域层与层之间顺时针旋转2°，扫描路径之间的道间距为光斑直径的1倍。
（第二实施例）
图6和7分别示出了根据本发明的第二实施例的多激光选区熔融搭接方法中对区域进行分配和对扫描路径进行设计的示意图。
根据本发明的第二实施例涉及四个激光器针对SLM设备成形AlMgScZr零件时在搭接区域的分配和扫描方案。搭接区域2在第一激光器的第一成形区域11、第二激光器的第二成形区域12、第三激光器的第三成形区域13和第四激光器的第四成形区域14之间。由于上述零件在搭接区域2的局部工况应力为材料X-Y方向抗拉强度的60%，单个正方形网格边长被设计为0.6mm。分配后的网格以3×3、即三行三列的方式布置。以X的下标数字代表该网格处于第几列，以Y的下标数字代表该网格处于第几行。
如图6所示，X1Y1、X3Y2、X2Y3这三个网格被分配给第一激光器（以多个方格的图案表示），X3Y1、X1Y2这两个网格被分配给第二激光器（以多条斜线的图案表示），X3Y3、X2Y1这二个网格被分配给第三激光器（以多个菱形的图案表示），X1Y3、X2Y2这两个网格被分配给第四激光器（以多个砖头形的图案表示）。由此可见，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器。
图7示出了为各个网格31、32、33、34、35、36、37、38和39所设计的扫描路径，可以看到，带箭头的实线表示第一激光器的扫描路径和方向，带箭头的点划线表示第二激光器的扫描路径和方向，带箭头的虚线表示第三激光器的扫描路径和方向，带箭头的双点划线表示第四激光器的扫描路径和方向，其中，第二激光器在第一网格31中的扫描路径与第三激光器在第二网格32中的扫描路径形成135°的夹角，第三激光器在第二网格32中的扫描路径与第一激光器在第三网格33中的扫描路径形成135°的夹角，第一激光器在第三网格33中的扫描路径与第二激光器在第四网格34中的扫描路径形成135°的夹角，第二激光器在第四网格34中的扫描路径与第四激光器在第五网格35中的扫描路径形成135°的夹角，第四激光器在第五网格35中的扫描路径与第一激光器在第六网格36中的扫描路径形成90°的夹角，第一激光器在第六网格36中的扫描路径与第三激光器在第七网格37中的扫描路径形成90°的夹角，第三激光器在第七网格37中的扫描路径与第一激光器在第八网格38中的扫描路径形成135°的夹角，第一激光器在第八网格38中的扫描路径与第四激光器在第九网格39中的扫描路径形成45°的夹角。
此外，搭接区域层与层之间顺时针旋转3°，扫描路径之间的道间距为光斑直径的1.3倍。
（第三实施例）
图8和9分别示出了根据本发明的第三实施例的多激光选区熔融搭接方法中对区域进行分配和对扫描路径进行设计的示意图。
根据本发明的第一实施例涉及双激光器针对SLM设备成形AlSi10Mg零件时在搭接区域的分配和扫描方案。待打印零件在第一激光器的第一成形区域11和第二激光器的第二成形区域12之间的激光搭接区域2内形成不规则图案。由于上述零件在激光搭接区域2的局部工况应力为材料X-Y方向抗拉强度的50%，单个完整正方形网格边长被设计为0.5mm。分配后的网格以3×5、即三行五列的方式布置，且部分网格具有不规则的面积。以X的下标数字代表该网格处于第几列，以Y的下标数字代表该网格处于第几行。
如图8所示，X2Y1、X1Y2、X3Y2、X2Y3、X1Y4、X3Y4、X2Y5这七个网格被分配给第一激光器（以多个方格的图案表示），X1Y1、X3Y1、X2Y2、X1Y3、X3Y3、X2Y4、X1Y5、X3Y5这八个网格被分配给第二激光器（以多条斜线的图案表示）。由此可见，所有网格中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器。
图9示出了为各个网格31、32、33和34所设计的扫描路径，可以看到，带箭头的实线表示第一激光器的扫描路径和方向，带箭头的虚线表示第二激光器的扫描路径和方向，其中，第二激光器在第一网格31中的扫描路径与第一激光器在第二网格32中的扫描路径形成135°的夹角，第一激光器在第二网格32中的扫描路径与第二激光器在第三网格33中的扫描路径形成135°的夹角，第二激光器在第三网格33中的扫描路径与第一激光器在第四网格34中的扫描路径形成45°的夹角，第一激光器在第四网格34中的扫描路径与第二激光器在第一网格31中的扫描路径形成45°的夹角。
此外，搭接区域层与层之间逆时针旋转5°，扫描路径之间的道间距为光斑直径的1.5倍。
虽然以上结合了若干较佳实施例和附图对根据本发明的多激光选区熔融搭接方法的步骤以及技术效果进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种多激光选区熔融搭接方法，包括以下步骤：
（i）提供两个或两个以上激光器；
（ii）确定待打印零件处于激光搭接区域（2）内的部分及所述激光搭接区域（2）的宽度，其中，根据所述待打印零件的尺寸和/或所述激光搭接区域（2）中的应力大小确定所述激光搭接区域（2）的宽度，并且所述激光搭接区域（2）的宽度为2～20mm，并且所述激光搭接区域（2）的宽度与所述待打印零件的尺寸和/或所述激光搭接区域（2）中的应力大小成正比关系；
（iii）根据待打印零件的实际使用工况和受力特点，明确所述激光搭接区域（2）中的应力方向和/或应力大小，将所述待打印零件处于所述激光搭接区域（2）内的部分划分为两个或两个以上网格（3），其中，所述网格（3）的平行线方向与所述应力方向成30～60度夹角，所述网格（3）的面积为0.04～1mm2，所述网格（3）的单个面积与所述激光搭接区域（2）中的应力大小成正比关系，所述网格（3）的数量与所述激光搭接区域（2）中的应力大小成反比关系；
（iv）将所述网格（3）以如下方式分配给所述激光器，即，所有网格（3）中的任意一个网格所分配的激光器不同于与该网格相邻的网格所分配的激光器；以及
（v）将所述网格（3）所分配到的激光器在所述网格（3）内的扫描路径设置为之字形，即激光束在网格内来回往返移动，且每次移动与之前的移动均偏移一定角度的行进路线，所述网格（3）中相邻的两个网格的扫描路径夹角在45°至135°之间。
2.如权利要求1所述的多激光选区熔融搭接方法，其特征在于，所述网格（3）的平行线方向与所述应力方向成45度夹角。
3.如权利要求1所述的多激光选区熔融搭接方法，其特征在于，所述网格（3）中相邻的两个网格的扫描路径夹角在75°至105°之间。
4.如权利要求1所述的多激光选区熔融搭接方法，其特征在于，在步骤（v）中，所述扫描路径在所述网格（3）内的起点与所述扫描路径在所述网格（3）的相邻网格内的终点相对。
5.如权利要求1所述的多激光选区熔融搭接方法，其特征在于，在步骤（v）中，所述激光搭接区域（2）采用分层交错扫描方式，其中每一层的扫描路径顺时针或逆时针转动预定角度，其中所述预定角度为2°至5°。
6.如权利要求1所述的多激光选区熔融搭接方法，其特征在于，在步骤（v）中，所述网格（3）内扫描路径之间的道间距为光斑直径的1-1.5倍。
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