一种多光束激光选区熔化加工方法及加工装置与流程

1.本发明涉及激光选区熔化加工技术领域，尤其涉及一种多光束激光选区熔化加工方法及加工装置。


背景技术：

2.在金属增材制造中，通常采用激光选区熔化技术，根据待加工构件的模型，利用高能激光束熔化处于松散状态的粉末薄层，通过逐点逐层熔凝堆积的方式，可制造出任意复杂形状、尺寸精度高、接近全致密的金属零件。
3.在现有技术中，常用的激光选区熔化技术包括：单光束选择性激光熔化(selective laser melting，slm)技术；或者，大尺寸多光束slm技术。
4.在将现有的激光选区熔化技术应用于金属增材制造中时，存在以下问题：由于单光束slm技术受偏振角影响较大，采用单光束slm技术得到的成形幅画较小；采用大尺寸多光束slm技术，在相邻分区之间设置一定宽度拼接区域，拼接区域成形由多光束共同完成，可能存在扫描方法不当，导致拼接区域成形出现缺陷，影响成形零件的整体性能。


技术实现要素：

5.本发明提供一种多光束激光选区熔化加工方法及加工装置，以实现通过多光束激光对扫描区域扫描，根据分割曲线分割拼接区域，对零件分层拼接区域进行扫描。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种多光束激光选区熔化加工方法，该方法包括：
7.将加工的基面划分为与激光头数量相同的扫描区域，相邻两个所述扫描区域包括一拼接区域；
8.设置分割曲线将所述拼接区域分割为两个子区域，两个所述子区域分别通过不同的所述激光头扫描；
9.根据待加工零件模型，对待加工零件进行分层；
10.控制所述激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描，且相邻两层对应的所述分割曲线的形状不同；
11.其中，所述分割曲线与所述拼接区域的边缘至少有一个交点。
12.可选的，在控制所述激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描时，任意相邻两层对应的所述分割曲线的形状不同。
13.可选的，同一所述激光头在对应的扫描区域内扫描时，对任意相邻两层扫描时光束的扫描线方向不同。
14.可选的，同一所述激光头在对应的扫描区域内扫描时，对任意两层扫描时光束的扫描线方向不同。
15.可选的，同一所述激光头在对应的扫描区域内扫描时，每扫描一层，光束的扫描线方向旋转相同的角度。
16.可选的，对同一层进行扫描时，所有所述激光头出射光束的扫描线方向相同。
17.可选的，所述激光头包括第一激光头和第二激光头，所述将加工的基面划分为与激光头数量相同的扫描区域包括：
18.将加工的基面划分为与所述第一激光头对应的第一扫描区域和与所述第二激光头对应的第二扫描区域。
19.可选的，所述第一扫描区域、所述第二扫描区域以及所述第一扫描区域和所述第二扫描区域相交叠的拼接区域的形状均为矩形。
20.可选的，所述分割曲线为以所述拼接区域的轴线为轴的正弦曲线，所述轴线垂直于所述第一扫描区域指向所述第二扫描区域的方向。
21.第二方面，本发明实施例还提供了一种多光束激光选区熔化加工装置，该装置包括：
22.基面划分模块，用于将加工的基面划分为与激光头数量相同的扫描区域，相邻两个所述扫描区域包括一拼接区域；
23.区域分割模块，用于设置分割曲线将所述拼接区域分割为两个子区域，两个所述子区域分别通过不同的所述激光头扫描；
24.零件分层模块，用于根据待加工零件模型，对待加工零件进行分层；
25.激光扫描模块，用于控制所述激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描，且任意相邻两层对应的所述分割曲线的形状不同；其中，所述分割曲线与所述拼接区域的边缘至少有一个交点。
26.本发明实施例提供的多光束激光选区熔化加工方法，通过将加工基面划分为与激光头数量相同扫描区域，设置分割曲线分割扫描区域的拼接区域，对加工零件分层，且使任意相邻两层对应的分割曲线形状不同，避免不同层的分割曲线交叠出现缺陷；控制激光头在对应区域内逐层扫描，解决了由于扫描方法不当导致拼接区域成形出现缺陷的问题，根据分割曲线分割拼接区域，采用多光束激光对扫描区域逐层扫描，实现对零件分层拼接区域的扫描，提高拼接区域加工的组织均匀性和力学性能。
附图说明
27.图1为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法的流程图；
28.图2为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的基面划分示意图；
29.图3为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的一种曲线分割示意图；
30.图4为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的另一种曲线分割示意图；
31.图5为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的扫描线扫描方向示意图；
32.图6为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的另一种扫描线扫描方向示意图；
33.图7为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法的流程图；
34.图8为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的基面划分示
意图；
35.图9为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的曲线分割示意图；
36.图10为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的另一种曲线分割示意图；
37.图11为本发明实施例三提供的一种多光束激光选区熔化加工装置的结构示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
39.实施例一
40.图1为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法的流程图，本实施例可适用于大尺寸零件激光增材制造中对零件的加工，该方法可以由本发明实施例中的多光束激光选区熔化加工装置来执行，该装置可以采用软件和/或功能模块的方式来实现，该方法具体包括如下步骤：
41.s110、将加工的基面划分为与激光头数量相同的扫描区域，相邻两个扫描区域包括一拼接区域。
42.其中，基面指需要进行激光扫描加工的区域，扫描区域指激光头可以扫描到的区域，将加工的基面划分为与激光头数量相同的扫描区域是指，划分的扫描区域数量与激光头数量相同且一一对应，即言，一个激光头对应一个扫描区域。拼接区域指扫描区域中重叠的区域，相邻两个扫描区域包括一拼接区域是指，任意相邻两个扫描区域存在一个重叠区域。
43.示例性地，图2为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的基面划分示意图，示例性地示出了一种基面划分的具体实施方式，而非对该方法的限定。
44.参考图2所示，区域afol为加工基面，示例性地，以激光头数量为4为例，将加工基面区域afol划分为与激光头数量相同的四个扫描区域，分别为：区域abcd、区域efgh、区域ijkl和区域mnop。其中区域abcd与区域efgh的拼接区域为区域ebch，区域ijkl和区域mnop的拼接区域为区域mjkp，区域abcd与区域ijkl的拼接区域为区域ijcd，区域efgh与区域mnop的拼接区域为区域mngh，即相邻两个扫描区域包括一拼接区域。
45.s120、设置分割曲线将拼接区域分割为两个子区域，两个子区域分别通过不同的激光头扫描。
46.其中，分割曲线用于将拼接区域划分为两个子区域，可以是任意形状的曲线。拼接区域为扫描区域的重叠部分，由于每个激光头对应一个扫描区域，因此，需要将拼接区域划分为两个子区域，通过不同的激光头对两个子区域进行扫描。
47.示例性地，图3为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的曲线分割示意图，示例性地示出了一种曲线分割的具体实施方式，而非对该方法的限定。
48.参考图3所示，在图2的基础上，示例性地示出了一种曲线分割的方式，由图3可知，区域afol存在四个拼接区域，分别为：区域ebch、区域mjkp、区域ijcd和区域mngh，其中区域
mjch为拼接区域的重叠部分，由于每个激光头对应一个扫描区域，因此，需要通过设置分割曲线将拼接区域划分为两个子区域，进一步的将拼接区域的重叠部分即区域mjch也划分成多个子区域，分别对应不同的激光头。其中，分割曲线bqjh将区域ebch划分为两个子区域，分割曲线jhsp将区域mjkp划分为两个子区域，分割曲线itmc将区域ijcd划分为两个子区域，分割曲线mcrg将区域mngh划分为两个子区域，四条分割曲线将区域mjch划分为a、b、c和d四个子区域，分别对应四个激光头。即言，拼接区域与拼接区域的重叠部分均被划分成子区域，子区域分别对应不同的激光头。
49.s130、根据待加工零件模型，对待加工零件进行分层。
50.其中，待加工零件模型指需要进行激光扫描加工的零件的模型，该模型可根据实际需要进行设置，对此不作限制。对待加工零件进行分层指按照多光束激光选区熔化加工工艺需求的层厚参数对待加工零件的模型进行切片分层。
51.s140、控制激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描，且相邻两层对应的分割曲线的形状不同，其中，分割曲线与拼接区域的边缘至少有一个交点。
52.在本步骤中，激光选区熔化加工时，选用激光作为能量源，按照切片模型中规划好的路径在粉末上进行逐层扫描，扫描过的粉末通过熔化、凝固从而达到结合的效果，最终获得模型所设计的零件，即言，激光选区熔化加工是逐层进行的。每个激光头对应一个扫描区域，激光头分别在对应的扫描区域内逐层进行扫描。
53.其中，分割曲线用于划分拼接区域，使划分得到的子区域分别被激光头扫描，相邻两层对应的分割曲线的形状不同指的是在激光选区熔化加工逐层扫描时，相邻两层的分割曲线和划分的子区域都不同，这样设置的好处是，即使在加工过程中，在分割线的某一位置出现缺陷，由于相邻两层对应的分割曲线不同，则在下一层加工时，可以避免在相同位置处再次产生缺陷，降低缺陷相叠加的概率。分割曲线划分拼接区域时，分割曲线与拼接区域的边缘存在交点，并至少有一个交点。
54.示例性地，图4为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的另一种曲线分割示意图，示例性地示出了一种曲线分割的具体实施方式，而非对该方法的限定。
55.参考图4所示，区域abcd为加工基面，以激光头数量为2为例，将加工基面区域abcd划分为与激光头数量相同的两个扫描区域，分别为：区域afgd和区域ebch，其中，区域efgh为相邻两个扫描区域的拼接区域。曲线fijklh为拼接区域的分割曲线，区域efijklh为划分的第一个子区域，区域fijklhg为划分的第二个子区域，点f、i、j、k、l和h为分割曲线与拼接区域的边缘的交点。在进行激光选区熔化加工，分割曲线在上一层和下一层均与本层的分割曲线fijklh形状不同。
56.本发明实施例提供的多光束激光选区熔化加工方法，通过将加工基面划分为与激光头数量相同的扫描区域，保证相邻两个扫描区域包括一拼接区域，设置分割曲线将拼接区域分割为两个子区域，通过不同的激光头分别扫描两个子区域，对待加工零件进行分层，且使相邻两层对应的分割曲线形状不同，避免不同层的分割曲线交叠出现缺陷；控制激光头分别在对应的扫描区域内进行逐层扫描，保证分割曲线与拼接区域的边缘至少有一个交点，实现了对零件分层拼接区域的扫描，提高拼接区域加工的组织均匀性和力学性能。
57.可选的，在控制激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描时，任意相邻两层对应
的分割曲线的形状不同。
58.其中，任意相邻两层对应的分割曲线形状不同表示相邻两层的分割曲线不发生重叠，对每一层设置不同形状的分割曲线可以提高被加工拼接区域的组织均匀性，有效避免拼接区域出现拼接缺陷。本实施例中，不相邻两层的分割曲线可以相同也可以不同，例如分割曲线的设置可以每隔多个膜层重复循环一次。进一步的，在另一实施例中，还可以设置所有层的分割曲线不发生重叠，具体实施时可以根据实际情况设计。
59.可选的，同一激光头在对应的扫描区域内扫描时，对任意相邻两层扫描时光束的扫描线方向不同。
60.示例性地，图5为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的扫描线扫描方向示意图，选取一个激光头对应的扫描区域，示例性地示出了一种扫描方向的具体实施方式，而非对该方法的限定。
61.参考图5所示，图中填充线表示激光头光束扫描线的扫描方向。
62.示例性地，图6为本发明实施例一提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的另一种扫描线扫描方向示意图，选取一个激光头对应的扫描区域，示例性地示出了一种扫描方向的具体实施方式，而非对该方法的限定。
63.参考图6所示，图中填充线表示激光头光束扫描线的扫描方向。
64.图5与图6分别表示激光头对相邻两层扫描时光束的扫描线方向，图5与图6中填充线表示的激光头光束扫描线的扫描方向不同，即言，同一激光头在对应的扫描区域内扫描时，对相邻两层扫描时光束的扫描线方向不同。
65.可选的，同一激光头在对应的扫描区域内扫描时，对任意两层扫描时光束的扫描线方向不同。
66.其中，在某些实施例中，例如零件结构简单，分层的层数较少时，可以设置任意两层扫描时光束的扫描线方向不同，即所有层的扫描线方向不同。当层数较多时，扫描线方面旋转到一定时候后可能某一层的扫描方向与之前的某一层会重合，只需保证任意相邻两层扫描方向不重合即可。
67.可选的，同一激光头在对应的扫描区域内扫描时，每扫描一层，光束的扫描线方向旋转相同的角度，再进行下一层的扫描。
68.示例性地，激光头在扫描时采用振镜扫描系统，振镜扫描系统包括扫描镜、场镜以及控制电机等，其中，扫描镜用于反射激光光束，场镜用于聚焦激光光束，控制电机用于控制扫描镜。激光光束入射到扫描镜上，用控制电机控制扫描镜的反射角度，从而达到激光光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在待加工材料上按所需的要求运动。即言，可以通过控制扫描镜的反射角度来控制激光头光束的扫描线方向，示例性地，扫描第一层时，可将扫描线的角度旋转5度，扫描第二层时，可将扫描线的角度旋转10度，扫描第三层时，可将扫描线的角度旋转15度，即言，每扫描一层，扫描线旋转角度增加5度。在其他实施例中，每扫描一层，也可以随机旋转一个扫描线的角度，具体实施时可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。
69.可选的，对同一层进行扫描时，所有激光头出射光束的扫描线方向相同。
70.具体地，对同一层进行扫描时，每个激光头对应一个扫描区域，每个激光头对扫描区域扫描时，激光头出射光束的扫描线方向相同，可选的，每个激光头在每一层扫描时，激
光头光束的扫描线方向可旋转相同的角度，保证所有激光头出射光束的扫描线方向相同。
71.实施例二
72.图7为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法的流程图，本实施例在上述各实施例的基础上，示例性地示出了一种多光束激光选区熔化加工方法的具体实施方式，而非对该方法的限定。
73.参考图7所示，该方法具体包括如下步骤：
74.s210、将加工的基面划分为与第一激光头对应的第一扫描区域和与第二激光头对应的第二扫描区域。
75.具体地，本实施例中，激光头包括第一激光头和第二激光头，每个激光头扫描对应一个扫描区域，根据激光头数量将待加工区域划分为第一扫描区域和第二扫描区域。
76.示例性地，图8为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的基面划分示意图，示例性地示出了一种基面划分的具体实施方式，而非对该方法的限定。
77.参考图8所示，区域abcd为加工基面，以激光头数量为2为例，将加工基面区域abcd划分为与激光头数量相同的两个扫描区域，分别为：区域afgd和区域ebch，其中，区域afgd为对应第一激光头的第一扫描区域，区域ebch为对应第二激光头的第二扫描区域。示例性的，第一扫描区域afgd的形状与第二区域ebch的形状均为矩形，其中区域efgh为第一扫描区域afgd和第二扫描区域ebch相交叠的拼接区域，区域efgh的形状也为矩形。
78.s220、设置分割曲线将拼接区域分割为两个子区域，两个子区域分别通过不同的激光头扫描，其中分割曲线为以拼接区域的轴线为轴的正弦曲线，轴线垂直于第一扫描区域指向第二扫描区域的方向。
79.其中，第一扫描区域为第一激光头对应的扫描区域，第二扫描区域为第二激光头对应的扫描区域。
80.示例性地，图9为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的曲线分割示意图，示例性地示出了一种曲线分割的具体实施方式，而非对该方法的限定。
81.参考图9所示，区域abcd为加工基面，以激光头数量为2为例，将加工基面区域abcd划分为与激光头数量相同的两个扫描区域，分别为：对应第一激光头的第一扫描区域afgd和对应第二激光头的第二扫描区域ebch，区域efgh为拼接区域，曲线ijklmn为将拼接区域划分为两个子区域的分割曲线，形状为正弦曲线，分割曲线ijklmn的轴线为in，箭头指向的方向表示第一扫描区域指向第二扫描区域的方向，曲线ijklmn的轴线为in垂直于箭头指向的方向。
82.s230、根据待加工零件模型，对待加工零件进行分层。
83.s240、控制激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描，且任意相邻两层对应的分割曲线的形状不同，其中，分割曲线与拼接区域的边缘至少有一个交点。
84.示例性地，图10为本发明实施例二提供的一种多光束激光选区熔化加工方法中的另一种曲线分割示意图，在图9的基础上，示例性地示出了另一种曲线分割的具体实施方式，而非对该方法的限定。
85.参考图10所示，分割曲线ijklmnopqr将拼接区域efgh划分为两个子区域，分割曲线形状为正弦曲线，参考图9所示，图10中的分割曲线ijklmnopqr与图9中的分割曲线ijklmn形状不同，可选的，图9中的分割曲线ijklmn表示扫描第一层时的分割曲线，图10中
的分割曲线ijklmnopqr表示扫描第二层时的分割曲线，即言，激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描时，相邻两层对应的分割曲线的形状不同。
86.可选的，可以将分割曲线ijklmn设置为其中a表示正弦曲线的振幅，ω表示正弦曲线的角速度用于控制正弦曲线的周期，表示正弦曲线的初相，反映在正弦曲线上为图像的移动。通过改变ω或者的值可以改变分割曲线的周期和位置，通过改变a的值可以改变分割曲线的幅度，以与拼接区域的宽度相匹配。分割曲线ijklmnopqr可通过改变分割曲线ijklmn的ω或者的值得到。分割曲线ijklmnopqr与拼接区域efgh边缘的交点i、j、k、l、m、n、o、p、q和r，即分割曲线与拼接区域的边缘至少有一个交点。
87.本发明实施例二提供的多光束激光选区熔化加工方法，通过将加工的基面划分为与第一激光头对应的第一扫描区域和与第二激光头对应的第二扫描区域，通过设置以拼接区域的轴线为轴的正弦曲线作为分割曲线，且任意相邻两层的分割曲线形状不同，将拼接区域分割为两个子区域，控制两个激光头分别对对应的区域逐层扫描，实现了对零件分层拼接区域的扫描，提高拼接区域加工的组织均匀性和力学性能。
88.实施例三
89.图11为本发明实施例三提供的一种多光束激光选区熔化加工装置的结构示意图，该装置包括：基面划分模块101、区域分割模块102、零件分层模块103和激光扫描模块104。
90.其中，基面划分模块101，用于将加工的基面划分为与激光头数量相同的扫描区域，相邻两个扫描区域包括一拼接区域。
91.区域分割模块102，用于设置分割曲线将拼接区域分割为两个子区域，两个子区域分别通过不同的激光头扫描。
92.零件分层模块103，用于根据待加工零件模型，对待加工零件进行分层。
93.激光扫描模块104，用于控制激光头分别在对应的扫描区域内逐层扫描，且相邻两层对应的分割曲线的形状不同；其中，分割曲线与拼接区域的边缘至少有一个交点。
94.本发明实施例所提供的用于多光束激光选区熔化加工的多光束激光选区熔化加工装置可执行本发明任意实施例所提供的多光束激光选区熔化加工方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
95.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。