四波长激光准六自由度激光增材制造异形永磁件 
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1 引言
海浪发电所需的永磁体常采用钕铁硼永磁体的异形永磁件,并使用传统激光增材制造(LAM)方法[1]制备,但该方法需要大型模具,且无法实现异形永磁件的结构和功能。随着海浪发电产品的发展,迫切需要在无大型模具条件下,通过LAM工艺高精度、高速度地制造高密度钕铁硼永磁体异形件材料。其核心技术是钕铁硼永磁体材料的LAM,实现钕铁硼永磁体制备的多样化与柔性化,并大幅度降低生产成本。
LAM技术是一种以激光为能量源的增材制造技术,激光具有能量密度高的特点,可实现难加工金属的制造[2]。LAM技术按照其成型原理可分为以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化(SLM)技术和以同步送粉为技术特征的激光金属直接成型(LMDF)技术。激光增材制造钕铁硼永磁体材料属于LMDF技术。LMDF技术是在快速成型技术的基础上结合同步送粉和激光熔覆技术发展起来的一项LAM技术。LMDF技术起源于美国Sandai国家实验室的激光近净成型(LENS)技术[3],该实验室针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等金属材料进行了大量的LMDF研究[4]。随后Kurz等[5]深入研究了激光快速成型工艺参数对成型过程的稳定性、成型零件的精度控制、材料的显微组织以及性能的影响。钟敏霖等[6]在激光快速成型同轴送粉系统的研制、熔覆高度检测及控制方面取得了不错的进展。黄卫东等[7]通过对单层涂覆的厚度、宽度、搭接率等主要参数进行精确控制,制造出了表面质量良好的成型件。张安峰等[8]研究了激光金属直接成型合金零件过程中不同工艺参数的影响,实现了工艺的优化。
目前,激光熔覆与增材的方法有:激光沉积法和激光熔覆增材成型法。其中,激光沉积方法是传统方法之一,它又分为激光化学气相沉积(LCVD)法与激光诱导液相反应沉积法。LCVD法是利用激光束加热诱导化学反应,沉积出所需要形状[9]。激光诱导液相反应沉积是由激光束直接辐照浸在液态化学介质中的基板,产生选择性指向性反应沉积,即直接诱导化学镀[10],包括激光预置晶种的复合化学镀法、激光直接照射选区的复合化学镀法,进而层层成型。但激光沉积方法只能实现形状相对简单的材料的制备,对于复杂的异形永磁件的制备则难以实现。激光熔覆增材成型[11]也是传统方法之一,它与LCVD法和激光诱导液相沉积法主要依赖于原子沉积过程不同,激光熔覆增材成型是将基材材料的固体粒子与粘结性树脂混合,并预置在基板上,激光加热后固态粒子沉积在基板上,可实现较快速度的沉积。这两种传统方法都基于激光头的X-Y轴二维移动与Z轴升降,激光头本体没有自由度,也就是激光束垂直不变,同时都配置单波长激光,其存在的问题是难以实现异形永磁件的成型以及多种元素的融合。
为了实现复杂三维形状的成型,采用四波长激光多管喷粉准六自由度数控运动的激光增材新结构[12]。采用四波长激光扫描系统,针对Nd-Fe-B稀土永磁体的Fe、Nd、B各个化学元素,调节其激光波长、脉宽与角度,实现Nd-Fe-B稀土永磁体的激光增材集成,其中Nd-Fe-B稀土永磁体中Fe、Nd、B的质量分数分别为63%、36%、1%;利用多管喷粉机将Nd-Fe-B稀土永磁体的Fe、Nd、B各个化学元素按比例喷出,集成增材,利用五自由度数控平台实现复杂异形的空间运动,配合四波长激光多管喷粉集成激光增材制备异形永磁件,该方法避免了激光对材料的过度损伤。同时,本文研究了LAM钕铁硼永磁体材料的工艺过程,实现了最小线宽和最大磁能积。
2 整体结构研制
2.1 总体结构
四波长激光多管喷粉准六自由度数控运动的激光增材新结构如
2.2 四波长光纤激光扫描结构
四波长光纤激光扫描结构由四波长光纤激光器与4个光纤激光扫描器构成,其中四波长光纤激光器由465 nm光纤激光器Ⅰ、532 nm光纤激光器Ⅱ、1064 nm光纤激光器Ⅲ与1500 nm光纤激光器Ⅳ组成[13],四波长光纤激光器的4个波长输出端对应安装4个光纤激光扫描器,并在激光扫描器支座上安装红外探测器。
2.3 两转动三移动的五自由度数控工作台
五自由度工作台的两转动三移动是指绕X轴的旋转,绕Z轴的旋转以及X轴、Y轴、Z轴三个方向的水平移动。五自由度工作台可以实现空间任意位置的运动,在复杂异形永磁件的LAM中可以得到较好的应用。
2.4 多管喷粉的喷粉针管转换机构
多管喷粉的喷粉针管转换机构主要由换管机构与储存针管机构组成,设计有工作位与储存位,驱动电机驱动可存储多种粉料的喷粉针管,实现联动控制换粉与喷粉。
3 整机空间机构的自由度分析
四波长激光多管喷粉准六自由度数控运动的激光增材新结构,属于准线性空间闭环运动链,总体空间机构图如
刻软件卡控制激光与扫描,联动五轴数控软件控制工件姿态,实现六自由度空间运动成型,并联动控制喷粉部分与气体保护、辅助部分,实现复杂的异形磁铁的LAM。
单个波长的光纤激光扫描结构由两个转动副与一个移动副构成,系统并联安装了4个光纤激光扫描结构。光纤激光扫描结构的两个振镜为两个空间垂直的转动副,在线性空间中分别表示为(Pe,Ze)与(Pf,Zf)、(Pg,Zg)与(Ph,Zh)、(Pk,Zk)与(Pl,Zl)、(Pm,Zm)与(Pn,Zn),其中Pe、Pf、Pg、Ph、Pk、Pl、Pm、Pn为转动副向量,Ze、Zf、Zg、Zh、Zk、Zl、Zm、Zn为各自转动副向量的转动中心向量。激光束看作直线移动副,具有自适应功能,可以聚焦在加工点上,称为准直线移动副,在线性空间中分别表示为(Va,A)、(Vb,B)、(Vk,K)、(Vm,M),其中Va、Vb、Vk、Vm为激光束的移动副向量,A、B、K、M分别为4个不同激光束的空间方位向量。当加工件有陡壁凹坑时,需要工件的自身运动补偿,该系统可通过五自由度移动台的Z轴的插补对其进行补偿,即利用激光束准直线移动副的焦深段,设定激光束与Z轴的夹角变量为补偿因子,Z轴按补偿因子进行插补计算,可弥补激光束准直线移动副的不足。
五自由度工作台线性空间由三个直线移动副与两个转动副构成,Z轴移动滑台是一个直线移动副(Vs,S),蜗轮蜗杆垂直安装在Z轴移动副上,是一个转动副(Pd,Zd),蜗轮轴端法兰盘安装在X轴移动滑台,是一个直线移动副(Vt,T),Y轴移动滑台垂直安装在X轴移动滑台上,是一个直线移动副(Vr,R),Y轴移动滑块上安装在Z轴转动伺服电机上,是一个转动副(Pq,Zq)。其中Vs、Vt、Vr为三个水平方向的移动副向量,Pd、Pq为两个旋转方向的转动副向量,Zd、Zq为两个旋转轴的转动中心向量,T、R、S分别为X、Y、Z三个水平轴的直线向量。
首先建立四波长光纤激光扫描结构的线性空间,可表示为式中ξJ是线性空间总旋量[14],亦称总自由度,下标J是指四波长光纤激光扫描结构的自由度。∩是非机械并联的连接符,表示各个波长光纤激光扫描结构之间是控制连接的并联。
对ξJ线性空间的运动链进行方程参数化,得到奇次矩阵:
式中U|ξJ|是关于ξJ的李群函数[15]数量值,这个数量值为自由度数值的映射值,即为自由度值;ue、ug、uk、um分别为各自线性空间的李子群运动的自由向量;θa、θg、θk、θm分别为各自线性空间的李子群运动的关节变量。
其次建立两转动三移动的五自由度数控工作台的线性空间,可表示为
式中ξw是线性空间总旋量,亦称总自由度,下标w为两转动三移动的五自由度数控工作台结构的自由度。 “,”是机械并联的连接符,表示各个结构之间是机械连接的串联。
利用机械串联连接的特点,对ξw线性空间的运动链进行方程参数化,得到奇次矩阵:
式中U|ξw|是关于ξw的李群函数数量值,这个数量值为自由度数值的映射值,即为自由度值;uq、ut、ur、ud、us分别为各自线性空间的李子群运动的自由向量;θq、θt、θr、θd、θs分别为各自线性空间的李子群运动的关节变量。
经奇次矩阵[16]联立(2)式和(4)式,并代入参数数值,计算得
对(5)式进行数值化运算后,得线性空间的李子群运动的自由向量的数值分量,即系统结构的自由度数值为
式中数值5为两转动三移动的五自由度数控工作台的自由度数值, 2为扫描振镜的X-Y二维转动的自由度,1a为激光束的准一维移动自由度。数控工作台的X-Y二维移动的自由度与扫描振镜的X-Y二维转动的自由度均属于机械并联结构,机械并联结构的线性空间的自由度的数值合一;数控工作台的Z轴一维升降移动的自由度与激光束的准一维移动自由度1a属于准并联结构,其并联结构的线性空间的自由度的数值合一,即为1a'。因此,整体系统结构为机械二维并联结构与激光束准一维并联结构结合的准六自由度空间结构,该准六自由度并联空间结构可以完成异性永磁件的LAM。
4 激光增材工艺过程与分析
采用闭环控制四波长激光系统的输出,实现465 nm光纤激光器Ⅰ、532 nm光纤激光器Ⅱ、1064 nm光纤激光器Ⅲ与1500 nm光纤激光器Ⅳ4个激光器的切换式振荡。其中电气部分包括激光与扫描控制部分、喷粉控制部分、五轴工作台控制部分,气体保护与辅助部分控制,中心控制器部分。激光与扫描控制部分采用北京金橙子公司智能标刻软件卡,五轴工作台控制部分采用通用五轴数控软件。关于检测原理过程算法,系统中传感器只设置了熔化点的温度监测,并将此温度信号经模数(A/D)转换后接入智能标刻软件卡上,智能控制激光输出。
由于激光增材无切削力,故五轴工作台选用微纳米级的超精密直线滑台与转台组合,技术参数:系统总功率为6 kW;三轴超精密直线滑台行程为100 cm×100 cm×150 cm,分辨率为50 nm,重复性精度为2 μm;精密转台行程为360°,分辨率为0.0001°,精度为0.003°,跳动距离为4 μm,中孔直径为175 mm,重复性精度为0.5 μm;选用进口系列高速扫描振镜,其入光孔径为14 mm,动态特性跟踪误差为0.30 mm,阶跃响应时间为0.65~1.6 ms,定位速度为7000 mm·s-1,最大速度为7000 mm·s-1,定位精度为6 μm,重复定位精度为12 μm,最佳分辨率为1 μm。三轴超精密直线滑台与扫描振镜的配合,使系统运动与工件的增材成型达到更高精度。
利用多管喷粉机构喷涂定量的激光增材成分,Nd-Fe-B稀土永磁体属于三元稀土属间化合物[17],它的稀土相组织为主相Nd2Fe14B和少量富Nd相、少量富B相。在异性永磁件Fe基材料上,由多管喷粉机构的喷粉针管喷涂定量的主相Nd2Fe14B,再由换管机构换喷粉针管,喷涂定量的富Nd相,再换管喷涂定量定的富B相。其中粉末粒径尺寸为43~100 μm。在氮气的条件下进行喷涂以抑制粉末氧化,采用局部加压的方法抑制汽化。
利用四波长激光束选择辐照,在喷涂过程中适时发射适当波长的激光束,进行激光增材固化。在激光增材过程中,将Nd、Fe、B钕铁硼材料粉料与粘结性树脂混合后喷涂在Fe基钕铁硼永磁体原始坯料上,利用四波长激光束选择辐照,使钕铁硼材料按比例还原。固态粘结性树脂受到激光作用后,不会燃烧或汽化,若控制不好会有气孔产生,可以通过在氮气环境下操作并加压解决。
由五自由度数控运动配合激光束扫描,实现准六自由度并联空间结构运转,实现异形永磁件的空间成型和钕铁硼异性永磁件的LAM。系统还进一步对激光增材工艺过程进行了优化,以达到更好的永磁铁激光增材效果。LAM所得的异形永磁件的化学成分Fe、Nd、B的质量分数分别为63%、36%、1%,该永磁铁的熔点为1170 ℃,密度为7.4 g·cm-3,硬度为600,最大磁能积为199~389 kJ·m3。
通过四波长激光束选择辐照控制参数,防止激光损伤激光增材的表面组织。具体制备工艺、控制环节如下。预热机体到1000~2000 ℃,增材室预抽真空后充氮气,压强保持在0.2~0.4 MPa,预制各种填料粉末加入喷粉管,预制的基底件置入夹具上,预置激光功率为1000 W,实际激光功率为700~1100 W,光斑直径为0.1~2.0 mm,送粉速率为5~90 g·min-1,同步送粉,同时氩气保护,氩气流量为100~350 L·min-1,LAM工艺温度高于熔点(1170 ℃)的5%~15%,异性永磁体的激光增材速度达2.5 mm·s-1,成型宽度的精度达20 μm,最小宽度低于80 μm。通过控制梯度选择激光波长与功率参数,实施钕铁硼材料粉料合理分解,速度小于等于5 mm·s-1,温度保持在850 ℃,保温约10 min,获得了线宽为3~20 mm、线间距为6~50 mm的永磁体磁条,居里温度为310 K,使用温度为100 ℃,最大成型速度为100 mm·s-1,形成了光亮异形永磁体,永磁体增材层厚度精度可达30 μm,磁能积为474 kJ·m3,剩磁强度为1.36 T,矫顽力为1029.6 A·m-1。采用自动送粉LAM成型,成型气氛为氮气,每层厚度为37~108 μm,这使得永磁体各项性能指标均得到提高[11] ,LAM技术可以在无大型模具条件下柔性制备线宽很窄的钕铁硼永磁体,且对环境损害极小[18]。
利用异形永磁件的四激光多管喷粉准六自由度的激光增材新结构成型的实物图如
5 结论
采用四波长激光多管喷粉六自由度数控运动的激光增材新结构,实现了整体结构为机械两轴并联结构与激光束准一维并联结构结合的准六自由度空间结构。利用该准六自由度并联空间结构可以很好地完成异性永磁件的空间成型,制件的永磁体成型精度可达20 μm,最小宽度低于80 μm,成型速度为100 mm·s-1,磁能积为474 kJ·m3,剩磁强度为1.36 T,矫顽力为1029.6 A·m-1,永磁体性能指标均有所提高,具有磁能积高、组织致密、线宽窄等优点。利用该激光增材新结构,无需特殊模具,即可制备对称与非对称的线式、螺旋式、片式等各种钕铁硼异形永磁体,实现大规模钕铁硼异形永磁体材料的LAM。
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