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使用激光束进行预热
技术领域
[0001]本发明涉及采用激光束来预热加工件，更具体来说，涉及在激光制造过程中采用激光束来预热加工件。
背景技术
[0002]由于在现代飞机发动机等的运行中经受的高热量和应力，发动机元件通常由例如镍或钴或铁基超耐热合金等超耐热合金制成。但是，虽然这些超耐热合金可容忍飞机发动机的强运行环境，但它们非常难以制造。
[0003]一种制造和维修这类元件的已知方法称作激光净成形制造(LNSM)。在LNSM期间，激光用于加热和液化待沉积的材料的微粒(即超耐热合金微粒)。然后将液化材料导向并沉积在衬底上，以及以重复多遍来构造(build up)，直到该部件完成。LNSM优于传统铸造和焊接工艺的一个优点在于需要最小的附加处理，因为制造或维修的部件是近净成形。
[0004]但是，对于一些超耐热合金，LNSM的过程导致在衬底处或附近、在层的交接点处以及在所构建的部件内形成裂纹。这些裂纹导致部件不适合其预计用途。
[0005]在尝试防止产生裂纹时，现有技术制造和维修方法包括在制造过程中使用感应加热或SWET(高温超耐热合金焊接)加热。但是，这些方法成本高，因为它们要求昂贵的附加设备和专门的工作环境，以及使执行制造的工作人员面临极高温度的工作环境。
发明内容
[0006]在本发明的示范实施例中，激光沉积设备包括激光束发射系统，它发射将材料沉积到加工件上的沉积激光束以及控制加工件的至少一部分的温度的第二激光束。第二激光束在加工件处具有比沉积激光束在加工件处更大的截面面积。
[0007]一种使用本发明的实施例的示范方法包括使用激光束将材料沉积到加工件上以及使用第二激光束来控制加工件的至少一部分的温度。与所述沉积激光束相比，第二激光束在加工件的表面上覆盖更大的面积，并且控制步骤在沉积步骤之前、期间或之后进行。
附图说明
[0008]在思考附图中示意说明的本发明的说明性实施例时，将会更全面地了解本发明的优点、性质和各种其它特征，附图包括：
[0009]图1是本发明的示范实施例的图解表示；
[0010]图2是本发明的另一个示范实施例的图解表示；
[0011]图3是根据本发明的实施例、激光在加工件上的覆盖区的图解表示；以及
[0012]图4是根据本发明的实施例的控制系统的图解表示。
配件表

  项目号  元件  项目号  元件  100  沉积系统  101  沉积激光器  103  沉积束  105  分束器  107  输送喷嘴  109  加工件  111  工作台  113  加热激光器
  115  加热束  117  表面  200  沉积系统  201  单激光源  400  系统  401  计算机/CPU  403  温度传感器  405  用户输入  407  激光器功率  409  光束大小  411  距离D  413  喷嘴焦点  415  光束移动
具体实施方式
[0013]通过参照附图更详细地说明本发明，附图不以任何方式来限制本发明的范围。
[0014]图1和图2示出本发明的示范实施例的图解表示。如图1所示，沉积系统100包含沉积激光器101和加热激光器113。图2示出系统200，其中采用单激光源201来提供沉积激光和加热激光，下面更全面地进行论述。从附图中论述或呈现示范实施例的顺序将不会得出重要性。
[0015]还要注意，以下论述一般提到“加热激光器”，与“沉积激光器”加以区别。但是，作为“加热激光器”的表示不是要过度限制为要求“加热”。在本发明的各种实施例中，考虑“加热激光器”还可用于可控冷却/加热，以便实现加工件和/或所沉积的材料的预期冷却速率，或者导致对加工件进行热处理。
[0016]一般来说，本发明的各种实施例采用至少一个激光束发射装置，它发射照射到加工件上的激光束。采用激光束来在各个过程、如制造过程中控制加工件的温度或者控制加工件的温度变化的速率。在使用单激光源的一个实施例中，激光源用于沉积和可控加热/冷却(下文针对图2更全面论述)。在使用至少两个激光源的实施例(下文针对图1更全面论述)中，一个源用于沉积，而另一个源用于可控加热/冷却。在所述实施例的任一个以及其它实施例中，可控加热/冷却激光束可用于：(1)在沉积之前预热加工件，它帮助在沉积期间和/或之后使加工件与沉积材料之间的应力为最小，(2)工作在设计成向加工件呈现(present)散焦激光束的工作距离，以便使在发生沉积的位置附近的加工件的热梯度为最小，(3)在沉积过程期间和/或之后(即，在层的沉积期间和/或在层的沉积之后)的时间段中，使用散焦激光束来加热加工件和/或沉积材料，和/或(4)在沉积期间和/或之后提供沉积材料和/或加工件的可控加热(例如冷却速率)。
[0017]要注意，即使本发明可通过上述多种方式来使用，但是，以下与图1至图4有关的论述将不会在这些各种方法的每个的上下文中，因为熟练的技术人员会了解如何在所公开的方法的每个中使用本发明。以下详细论述只针对本发明的实施例的示范应用。还要注意，虽然以下论述主要集中于制造，但是本发明也可用于维修元件。
[0018]现在来看图1，它针对二激光器实施例，沉积激光器101是用于LNSM的任何已知或常用激光器。激光器101发射沉积束103，沉积束103经过可以包含或者可以不包含例如透镜等(未示出)光学元件的粉末输送喷嘴107(powder delivery nozzle)，并且被引导来影响(impact on)所制造或维修的加工件109的沉积表面117。粉末输送喷嘴107中包含的构造和光学元件是本领域的技术人员已知的，并因此本文对其构造不作详细论述。喷嘴107可包含例如透镜等的各种光学元件/组件，各种光学元件/组件引导(或者以其它方式)光束来聚焦到表面117上。加工件109在制造或维修期间可搁置在钳桌(work bench)/工作台111上。在本发明的实施例中，在LNSM过程中沉积到表面117上的金属粉末(未示出)经由粉末输送喷嘴107来输送。
[0019]金属粉末可以是任何形状和大小，但在本发明的实施例中为150微米以下的球形粉末。在沉积期间，沉积束103加热用于沉积的金属粉末和表面117，从而构造加工件109。由于熟练的技术人员熟悉LNSM过程，所以本文中对有关这个过程的细节不作详细论述。在沉积期间，喷嘴107定位在表面117之上的某个距离D。在本发明的实施例中，在沉积期间，距离D是粉末输送喷嘴107的标称工作距离。在另一个实施例中，距离D基于系统100的设计和操作参数来选择，以便确保正确沉积。
[0020]在图1所示的实施例中，加热激光器113发射加热束115，加热束115也被引导通过粉末输送喷嘴107来照射(impinge)表面117。在图1所示的实施例中，加热激光器113在其一开始没有与沉积激光器101同轴。但是，加热激光器113通过喷嘴107并且当它照射表面117时与沉积激光器101的路径同轴。使用分束器105或类似光学装置将加热束115引导通过喷嘴107，以便确保加热束115被引导通过喷嘴并且被引导到表面117上，以及与通过喷嘴107的沉积激光器101的路径同轴。
[0021]在本发明的实施例中，加热束115在其从加热激光器发射时具有比沉积束103更大的截面。这确保加工件109的沉积表面117上较大的激光覆盖区。在备选实施例中，加热束115在其从加热激光器113发射时可具有与沉积激光器103相同或者比它更小的直径。在这种实施例中，对于光学装置与加工件表面之间的给定距离D，例如透镜、反射镜等已知的光学装置(未示出)可用于增加表面117上的加热束113的覆盖区。本领域的技术人员完全熟悉增加加工件上的激光束的截面或覆盖区的部件和方法，因此本文将不会论述所有可能的实施例。
[0022]在本发明的实施例中，加热激光器113所需的功率与沉积激光器101的不同。在本发明的实施例中，加热激光器113发射加热束115，它保持加工件109的加工温度。在本发明的实施例中，加工温度高于800摄氏度。在本发明的实施例中，加热束115的截面使得表面117的面积的至少大约50％由加热束115照射。在另一个实施例中，表面117的面积的大约100％由光束115覆盖。
[0023]在本发明的示范实施例中，加热束115围绕表面117移动/平移，以便实现对表面117的比较均匀加热。在这个实施例中，使光束115或加工件109的任一个或两者移动。此外，移动可手动控制或者经由计算机控制系统来控制。考虑光束115的移动可通过任何通常已知的方法或部件来实现。例如，在一个实施例中，可使喷嘴107移动，但在另一个实施例中，喷嘴107保持固定，而已知光学器件用于使光束115围绕表面117移动或平移。本发明并不局限于这个方面。在本发明的备选实施例中，加热束115在加热和/或可控冷却过程中在表面117之上保持固定。当然，就加热束115配置成与沉积束103同轴而言，加热束相对于喷嘴107和沉积束103路径是固定的，但是就喷嘴107和/或沉积束103可移动或者被移动而言，加热束115的路径相应地移动。
[0024]要注意，以上论述主要针对本发明的实施例，其中加热束115在与沉积束103不同的时间发射。但是，本发明并不局限于这个方面。具体来说，在本发明的另一个实施例中，加热束115和沉积束103同时发射。在这种实施例中，加热束115用于在沉积期间保持加工件上的预期温度。
[0025]在本发明的另一个示范实施例中，加热激光器113没有与沉积激光器101的路径的任何部分同轴，并因此使用光学装置的单独编组。例如，考虑加热激光器113被导向并通过独立的光学结构，该光学结构将加热激光器113引导到表面117上，而无需与沉积激光器101同轴。因此，可采用独立的光学设备或结构，而不采用喷嘴107的光学元件。
[0026]在附加实施例中，加热激光器113的激光器功率手动控制或者经由计算机控制系统来控制，以便调整光束115的功率和/或加工件109的表面117处的温度。在一个实施例中，加工件109的表面温度采用光学高温计、闸流管、热电偶或者其它温度测量装置来测量，并且这个温度读数用于控制表面117处的温度。在本发明的示范实施例中，表面117的温度通过以下步骤的任一个或者组合来调整：(1)增加或减小加热激光器113的功率输出，和/或(2)增加或减小表面117上的加热束115的覆盖区(因而增加或减小每个单位面积的功率、即能流温度(fluence temperature))。
[0027]在本发明的实施例中，加热激光器113和加热束115用于确保在制造期间使加工件109中的裂纹为最小。但是，使用激光器而不使用SWET盒或感应加热。因此，本发明允许通常用于控制沉积激光器101和LNSM过程的相同计算机控制系统也来控制加热过程和激光器113。本发明还提供操作人员具有提供加工件109的更大控制和局部化加热、因而提供对于加热过程的更大控制的能力。可实现这个方面，而无需使操作人员或其它元件面临SWET盒装置等中通常经受的高热环境。
[0028]现在来看图2，它针对单激光器配置，单激光器201用于沉积和加热步骤。要注意，如图1所使用的相似标识号用于图2中的许多元件，并且对应于图1中的相同元件，以便简化以下论述。
[0029]在图2的实施例中，单激光器201用于发射沉积束103和加热束115。除使用单激光源以外，使用这个实施例的过程和方法与以上对于图1所述相似。
[0030]在这个实施例中，在沉积步骤中，激光器201发射沉积束103，该沉积束103经过粉末输送喷嘴107并且照射在表面117上。在沉积过程中使喷嘴107保持距离D。
[0031]在加热步骤中，激光器201发射加热束115(虚线所示)，加热束115照射并加热表面117。如图所示，在这个实施例中，加热束115还经过喷嘴107。但是，对于加热步骤，距离“D”被改变。
[0032]在图2所示的实施例中，加热束115在其从激光器201发射时具有比沉积束103更大的截面。光束115截面经由喷嘴107保持或改变，以便产生预期加热。同样，是喷嘴107内的光学结构和/或元件可引起光束115的截面改变。这可通过移动喷嘴107或者其中设置的例如透镜等光学元件来实现。由于同一个激光器201用于沉积和加热，因此，在所示实施例中，加热步骤要求激光器201工作在较高功率输出。具体来说，由于表面117上的覆盖区增加，所以激光器201的功率/输出必须增加，以便确保在表面117取得所需能流。
[0033]现在论述使用本发明的实施例的示范方法。
[0034]在本发明的实施例中，加热束115可用于在LNSM过程开始之前加热工作台111的表面或者加工件所在的任何衬底。备选地，感应加热可用于加热工作台111。一旦工作台111处于预期温度(无论是否加热)，LNSM过程通过开始加工件109的材料的激光沉积来开始。在图1所示的实施例中，这通过使用沉积激光器101、沉积束103和粉末输送喷嘴107来实现。在沉积期间，使光束103或者工作台111移动，以便当产生表面117时允许沉积比较均匀。光束103和/或加工件109的移动手动控制或者经由计算机可控过程来控制，以便实现沉积过程。
[0035]在沉积过程和/或可控加热中，惰性气体、如氩和氮穿过(pass across)沉积表面117。在本发明的实施例中，惰性气体在激光预热和可控加热步骤中还通过(pass over)表面117。
[0036]在使用沉积激光器101和光束103的许多激光沉积步骤之后，沉积过程停止，然后加热过程使用加热激光器113和光束115开始。在本发明的实施例中，加热步骤在加工件109上的各层的沉积之后进行。在备选实施例中，多个层在加热步骤之前沉积到加工件109。在示范实施例中，加热步骤可以每次十(10)个沉积层(the heating stepcan be every ten layers of deposition)。在加热步骤之前所沉积的沉积层的准确数量确定为确保避免裂纹以及发生充分加热以便保持加工件109的预期结构完整性。
[0037]在备选实施例中，加热束115在沉积步骤中发射，以便帮助保持正确的加工件温度。在另一个实施例中，光束115用于在沉积之前预热加工件，以便帮助使加工件与待沉积材料之间的应力为最小。在又一个实施例中，光束115用于帮助保持和/或控制加工件的冷却速率/可控加热速率，以便确保实现正确的制造。当然，考虑本发明的实施例以及使用本发明的方法包括使用本发明在LNSM过程中执行上述使用的一个、全部或者某种组合。
[0038]在加热步骤中，加热激光器113发射加热束，该加热束通过喷嘴107被引导到表面。在备选实施例中，加热束115通过与沉积光束103不同的光学路径来引导。
[0039]在本发明的实施例中，在加热束115离开加热激光器113时，加热束115具有大于沉积束103的截面。加热束115使用例如分束器105等光学装置以及喷嘴107内的光学元件或设备引导到表面。在实施例中，加热束115在照射到表面117之前被引导通过喷嘴107。
[0040]加热步骤中的距离D保持为沉积步骤中所使用的相同距离D。在另一个实施例中，增加或减小距离D，以便在表面117上提供必需的加热激光115覆盖区。在实施例中，加热束115的截面面积具有至少为表面117的面积的大约50％的大小。
[0041]在本发明的实施例中，加热束115保持为固定，而在另一个实施例中，加热束115相对表面117移动(通过实际移动光束或者通过移动加工件109或者它们两者)。光束115的移动可通过移动喷嘴107和/或移动喷嘴107内的光学元件设备(例如透镜等)来完成。
[0042]在本发明的示范实施例中，加热束115保持在确保加工件109的材料的加工温度被保持的功率。为了实现这个方面，用户可将材料类型和/或所需温度设定输入计算机控制系统(未示出)，它将保持预期温度。在另一个实施例中，表面117的温度经由温度测量装置(热电偶、高温计等)来测量，以及控制系统用于调整各种参数，以便确保温度被保持。
[0043]在本发明的实施例中，激光器的功率保持为恒定，以及加热束115聚焦或散焦到表面117，以便分别增加或减小光束115的覆盖区面积内以及附近的表面117的温度。这可通过移动喷嘴107和/或它的内部光学器件或者通过其它同样适合的光学部件和方法来完成。在另一个实施例中，增加或减小加热激光器113的功率，以便改变加热束115的能流和能级。通过增加激光能量密度(1aser fluence)，表面117的温度增加，而通过减小能量密度，温度降低。温度及关联调整可手动和/或经由计算机控制系统来控制。
[0044]以上论述主要集中于在LNSM过程的加热步骤中使用加热激光器113。但是，本发明并不局限于这个方面，因为本发明可在该过程的其它方面使用加热激光器113。例如，加热激光器113可在预热过程期间、在沉积开始之前或者在沉积材料的控制冷却/加热期间使用。本领域的技术人员会理解如何在激光沉积过程的这些及其它方面采用本发明的各种实施例。
[0045]例如，在本发明的另一个实施例中，系统用于执行加工件和材料的热处理。即，本发明可用于在LNSM过程之前、之后或期间来提供可控加热，以便实现待沉积的材料和/或加工件的热处理。
[0046]图3示出根据本发明的实施例构建的加工件109的表面117。如图所示，沉积束103的表面面积明显小于加热束115。加热束115具有接触面积(即覆盖区)，它足够大到确保表面117的正确加热，以及实现预期结构完整性要求之内的加工件109的制造。在本发明的实施例中，加热束115的接触面积至少为加工件109的表面117的面积的大约50％。在另一个实施例中，表面覆盖大约为100％。
[0047]如图3所示，示出圆形激光束103/115和表面117。但是，本发明并不局限于这个方面，因为加工件109或表面117的形状可以采取任何配置或形状。此外，对于激光束103/115的截面的形状，本发明不受局限。
[0048]在本发明的另一个实施例中，加热束115的覆盖区(即面积)使用聚焦透镜或类似光学装置(未示出)来控制，根据需要增加或减小。在实施例中，聚焦透镜和粉末输送喷嘴107可处于同一个外壳中。考虑在本发明的各种操作应用期间使用改变加热激光115的覆盖区，包括例如预热和可控冷却。
[0049]现在来看图4，示出根据本发明的示范实施例的控制系统400的简化图解表示。要注意，本发明并不局限于所示系统，而是考虑可进行变更，同时仍然实现本发明的有益效果。还要注意，所示系统400仅针对本发明的加热方面，而相同或不同的控制系统可用于执行本发明的LNSM方面。
[0050]系统400由计算机/CPU 401等来控制。计算机/CPU 401接收来自任何通常已知或常用的用户接口装置的用户输入405。用户输入405可包括用户输入的预期温度或功率设定。此外，用户输入405可包括被沉积或加热的材料，以及计算机/CPU 401可从查找表等检索所需设定等。其它输入从读取表面117的温度的温度传感器403(闸流管、热电偶等)提供给计算机/CPU 401。基于来自用户输入405和温度传感器403的任一个或两者的信息，计算机/CPU 401控制系统400的各个元件，以便确保在表面117上保持所需温度。
[0051]考虑加热过程在用户的命令(使用用户输入405)开始，或者在固定数量的沉积周期之后由计算机/CPU 401自动控制开始。
[0052]如图4所示，计算机/CPU 401控制激光器功率407、光束大小409、距离“D”411、喷嘴焦点413和光束移动415。这个实施例当然是示范性的，并且考虑，在本发明的其它实施例中，只有一个上述参数或者上述参数的组合由计算机/CPU 401来控制，以便保持预期温度。
[0053]控制光束大小409可包括改变来自始发激光器或者通过激光器与表面117之间的各种光学装置的光束大小，如前面所述。例如，这可通过使用已知的光学装置、喷嘴107以及设置在其中的光学元件和/或喷嘴107外部的光学元件来实现。改变光束大小还可包括改变表面117相对发射激光器的距离。
[0054]改变距离“D”不局限于移动喷嘴107，因为也可移动钳桌/工作台111。
[0055]改变喷嘴焦点413可包括改变喷嘴107与表面之间的距离和/或改变喷嘴107内的光学元件的取向、位置或焦点，以便实现光束的预期变化。
[0056]光束移动415包括移动加热束115相对表面117的覆盖区，并且可能受移动光束115、喷嘴107、喷嘴的内部光学元件(未示出)和/或表面117影响。
[0057]在沉积过程之后使用本发明的实施例来加热加工件的上下文中描述了上述控制系统。当然，相同的系统400可用于控制本发明的各种实施例的使用的所有方面。此外，考虑独立控制系统可用于执行不同功能。例如，在其中光束115还用于提供可控冷却的实施例中，可使用独立控制系统(采用相同或不同的传感器)来实现加工件和/或沉积材料的冷却速率的控制。也就是说，当控制加工件的冷却速率时，控制系统可使用来自传感器的数据来控制加热激光器的功率和/或强度，以便确保所需冷却速率被保持。此外，可改变各种其它变量、如距离“D”以便实现所需控制。本领域的技术人员能够充分开发和采用控制系统来实现采用和使用本发明的各种实施例的众多方法。
[0058]要注意，虽然以上具体针对飞机元件制造应用来论述本发明，但是，本发明并不局限于此，而是可用于使用LNSM或类似制造技术的任何制造应用。
[0059]虽然按照各种具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员会知道，在权利要求书的精神和范围之内，可经过修改来实施本发明。