一种电磁场辅助激光增材制造的装置

摘要

本发明是一种电磁场辅助激光增材制造的装置，该装置包括激光头(1)，由基底(10)、绝缘散热层(9)、磁场发生装置(11)、水冷装置(12)构成的制造基座，交流电源(8)，纵向磁场生成器，直流电源(6)，控制器(7)；其中，制造基座从上到下分为4层，最上层为基底，基底的下方为绝缘散热层，用于控制基底的温度并防止基底与磁场发生装置连通，绝缘散热层(9)的下方为磁场发生装置；磁场发生装置与控制器相连并受控于控制器，控制器与交流电源相连，由交流电源向控制器供电；磁场发生装置中设有多个生磁棒(13)，磁场发生装置下方设有水冷装置(12)，用于保持制造基底处于适当的温度范围内。

权利要求

1.一种电磁场辅助激光增材制造的装置，其特征在于该装置包括激光头(1)，由基底(10)、绝缘散热层(9)、磁场发生装置(11)、水冷装置(12)构成的制造基座，交流电源(8)，纵向磁场生成器，直流电源(6)，控制器(7)；

其中，制造基座从上到下分为4层，最上层为基底(10)，基底(10)的下方为绝缘散热层(9)，用于控制基底(10)的温度并防止基底(10)与磁场发生装置(11)连通，绝缘散热层(9)的下方为磁场发生装置(11)；磁场发生装置(11)与控制器(7)相连并受控于控制器(7)，控制器(7)与交流电源(8)相连，由交流电源(8)向控制器(7)供电；磁场发生装置(11)中设有多个生磁棒(13)，磁场发生装置(11)下方设有水冷装置(12)，用于保持制造基底处于适当的温度范围内；

纵向磁场生成器包含空心轴电机(17)，磁杆(18)，磁杆(18)与控制器(7)相连，控制器(7)控制磁杆(18)中的生磁棒产生环形磁场(19)；

将混粉室(2)与直流电源(6)的正极相连，基底(10)与直流电源(6)的负极相连。

说明书

一种电磁场辅助激光增材制造的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及激光增材制造领域，特指一种通过外加电磁场来改善增材制造内部质量的装置，它通过产生交变磁场以及静电场配合激光增材制造参数获得良好的增材制造质量。

背景技术

[0002] 现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，高性能难加工金属大型关键构件制造技术被公认为是重大高端装备制造业的基础和核心关键技术。增材制造技术有望为国防及工业重大装备中大型难加工金属构件的制造提供一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径。从1992年起，基于同轴送粉激光熔化沉积的致密金属零件激光增材制造技术在世界范围内引起了人们的高度关注，国内外众多大学及研究院所在钛合金、镍基高温合金、超高强度钢、不锈钢、难熔合金等高性能金属材料的激光增材制造工艺、装备、组织及性能研究等方面取得了大量研究成果。

[0003] 激光增材制造技术作为一项新的制造技术，其增材制造件中存在一些缺陷：如层间及道间局部未熔合、气隙、卷入性和析出性气孔、微细陶瓷夹杂物、内部特殊裂纹等。由于未能有效解决增材制造过程中“内部质量”的控制问题而一直未能实现承力关键构件的激光增材制造关键技术的突破。

发明内容

[0004] 技术问题：基于以上不足，基于激光增材制造技术的现状，本发明提出一种电磁场辅助激光增材制造的装置。该装置能够有效减少制造过程中零件内部产生的气孔，微裂纹，同时能够细化组织晶粒，得到性能优异的零件。

[0005] 技术方案：本发明的一种电磁场辅助激光增材制造的装置，在激光作用区域的熔池内部形成交变磁场，在熔池内部形成一定的电磁振荡搅拌作用，防止枝晶形成，改善层与层之间的结合状态，形成细小的晶粒。同时在激光头与增材制造基底之间形成正电场，引导粉末均匀的沉积在基体上，保证制造质量。

[0006] 本发明的一种电磁场辅助激光增材制造的装置包括激光头，由基底、绝缘散热层、磁场发生装置、水冷装置构成的制造基座，交流电源，纵向磁场生成器，直流电源，控制器；

[0007] 其中，制造基座从上到下分为4层，最上层为基底，基底的下方为绝缘散热层，用于控制基底的温度并防止基底与磁场发生装置连通，绝缘散热层的下方为磁场发生装置；磁场发生装置与控制器相连并受控于控制器，控制器与交流电源相连，由交流电源向控制器供电；磁场发生装置中设有多个生磁棒，磁场发生装置下方设有水冷装置，用于保持制造基底处于适当的温度范围内；

[0008] 纵向磁场生成器包含空心轴电机，磁杆，磁杆与控制器相连，控制器控制磁杆中的生磁棒产生环形磁场。

[0009] 所述的激光头内设有混粉室，混粉室及基底分别接直流电源的一个电极。

[0010] 本发明的实施方式为：

[0011] 首先将激光增材制造的扫描路径，激光参数输入控制器中，控制器根据制造参数控制磁场发生装置中不同位置的生磁棒，控制器不断改变生磁棒中的电流方向，产生方向不断变化的高频磁场，控制器使交变磁场变化频率高于激光频率确保熔池充分振荡，当材料生长到一定厚度时，通过控制激活生磁棒的个数与位置产生不同高度的磁场，对不同位置的熔池进行振荡搅拌如图2所示。

[0012] 在激光增材制造的同时，打开直流电源，使混粉室和基底带电，在激光头和基底之间形成垂直于基底表面的纵向电场，使粉末能够均匀的进行沉积。

[0013] 当材料增长到一定高度时，则使用纵向磁场生成器在沉积区域生成环形磁场，控制器控制磁杆中的生磁棒生成交变的磁场对熔池进行振荡搅拌。空心轴电机带动磁杆绕激光头旋转，对不同位置的熔池进行振荡搅拌。

[0014] 有益效果：本发明的优点在于：

[0015] 1.本发明提出以高频磁场对激光增材制造过程中形成的熔池进行搅拌，可保证材料组织的均匀性，能够得到晶粒更加细小的激光增材制造零件，提高零件的性能。

[0016] 2.本发明提出了采用静电场加速激光增材制造粉末沉积的方法，通过电场可加速粉末沉积速度，提高粉末沉积的均匀性和粉末利用率，提高增材制造件的内部质量提高。

[0017] 3.采用高频磁场搅拌能够加快熔池中的气孔等夹杂物的上浮速度，从而大幅减少增材制造件中的气孔等缺陷，提高激光增材制造件的内部质量。

附图说明

[0018] 图1是本发明装置的结构图；

[0019] 图2是本发明磁场调控示意图；

[0020] 图3是环形磁场示意图。

[0021] 其中有：激光头1，混粉室2，粉末引导管3，粉末4，熔池5，直流电源6，控制器7，交流电源8，绝缘散热层9，基底10，磁场发生装置11，水冷装置12，生磁棒13，材料14，磁场15，粉末喷嘴16，空心轴电机17，磁杆18，环形磁场19。具体实施例

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0023] 以下实施例用来说明本发明，但不是限制本发明。下面结合附图详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。

[0024] 本发明的电磁场辅助激光增材制造的装置，包括激光头1，制造基座，交流电源8，纵向磁场生成器，直流电源6，控制器7，制造基座包含基底10、绝缘散热层9、磁场发生装置11、水冷装置12。制造基座从上到下分为4层，最上层为基底10，基底10的下方为绝缘散热层
9，用于控制基底10的温度并防止基底10与磁场发生装置11连通。绝缘散热层9的下方为磁场发生装置11，磁场发生装置11与控制器7相连，控制器7与交流电源8相连，磁场发生装置
11中设有多个生磁棒13，控制器7控制生磁棒13产生磁场15，交流电源8向控制器7和磁场发生装置11供电。磁场发生装置11下方设有水冷装置12，用于保持制造基底处于适当的温度范围内。

[0025] 激光头1内设有混粉室2，混粉室2及基底10分别与直流电源6的两极相连。

[0026] 纵向磁场生成器包含空心轴电机17，磁杆18，磁杆18与控制器7相连，控制器7控制磁杆18中的生磁棒13产生环形磁场19。

[0027] 具体实施例1：

[0028] 将混粉室2与直流电源6的正极相连，基底10与直流电源6的负极相连。形成从上到下垂直于基底10的电场。

[0029] 将激光增材制造参数输入控制器中，控制器7根据将激光增材制造参数控制磁场发生装置11中不同位置的生磁棒13，控制器7不断改变生磁棒中的电流方向，产生方向不断变化的高频磁场15。以生磁棒a和生磁棒b为例，控制器7调控生磁棒a和生磁棒b中的电流形成高度较低的交变磁场，如图1所示，控制器7调控生磁棒c和生磁棒d中的电流形成高度较高的交变磁场，如图2所示。控制器7使交变磁场变化频率高于激光频率确保熔池充分振荡。

[0030] 打开激光器，激光辐照在基底10上，同时粉末喷嘴16喷出粉末4在激光的作用下形成熔池5，沉积在基底10的表面，在磁场和电场的共同作用下，粉末4均匀的沉积在基底表面。

[0031] 当材料14增长到一定高度时，则使用纵向磁场生成器在沉积区域生成环形磁场19，控制器7控制磁杆18中的生磁棒13生成交变的磁场对熔池5进行振荡搅拌。空心轴电机
17带动磁杆18绕激光头旋转，对不同位置的熔池5进行振荡搅拌。电磁场辅助激光直至增材制造完毕。