CN108188581B - 一种送丝式激光增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种送丝式激光增材制造方法及应用该方法的系统，其中将焊丝和激光束以一定角度布置于基板的法线两侧，激光束作用于焊丝上，产生深熔小孔，焊丝以深熔模式吸收激光能量加热熔化，并过渡到基板表面形成熔覆层；穿过丝材后的激光束辐照基板表面，以热导模式对基板表面进行预热。本发明能够提高送丝式激光增材制造的成形效率，其利用深熔模式加热熔化焊丝，焊丝熔化速率大大提高；以热导模式加热熔化工件，可有效避免小孔型气孔等缺陷的产生。

Description

一种送丝式激光增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种送丝式增材制造方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

激光增材制造作为一种低能耗、短流程、成形与组织性能控制一体化的先进制造技术，自上个世纪八十年代发展以来，已经逐渐实现了激光快速原型制造和激光直接增材制造。激光增材制造改变了传统金属零件特别是高性能、构型复杂零件的成形加工模式。由于其一次成形材料利用率高，制造周期短，成形件性能优良等特点，被广泛应用于航空航天、船舶等领域。

激光增材制造根据金属材料成形时的不同状态，可以将其分为两类，一类是以选区激光熔化为代表，在金属粉末沉积前预先铺粉；一类是以金属直接沉积为代表，在金属材料沉积过程中将材料实时送入熔池。

选区激光熔化(SLM)是利用高能量的激光束，按照预定的扫描路径扫描预先铺覆好的金属粉末，将其完全熔化再经冷却凝固后成形的一种技术。SLM技术相比于传统加工，最大优势是可成形复杂形状的零部件，其次是快速小批量制造一定体积范围内零件，但其制造成本与加工时间成正比关系，因此在成型较大零件时，由于加工时间的增长会使其加工成本大大增加。同时选区激光熔化技术对加工条件要求较为苛刻，其加工过程中需要在真空室中完成，限制了其在实际生产应用上的发展。

相比选区激光熔化，激光熔化沉积的方式主要有两种，一种是同步送粉式，一种是送丝式。送粉式激光增材制造过程中，以金属粉末为原材料，采用高能量的激光作为能量源，按照预定的加工路径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固和逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造。此方法成形件致密性良好，但是由于激光与粉末的相互作用，造成激光能量的衰减，因此成形过程中能量有效利用率低。同时送出的粉末不能完全进入熔池成形，造成送粉式增材制造沉积效率较低。例如W.Syed等人研究了不同的工艺参数对316L不锈钢粉末沉积效率的影响，粉末沉积效率随着功率的增大而增大，平均沉积效率约为0.21kg/(h·kw)。(W.Syed，Pinkerton A J,Li L.A comparative study of wirefeeding and powder feeding in direct diode laser deposition for rapidprototyping[J].Applied surface science,2005,247(1):268-276.)。而对于送丝式增材制造，在合适的工艺条件下，送丝式增材制造的熔覆效率几乎可达100％，能够大大提高材料的利用率，但是金属丝材对激光的吸收率受多种因素的影响，影响因素较为复杂。此外，由于丝材的反射作用，使激光作用在丝材上并使其熔化的能量大大减少，导致沉积效率较低。申发明等通过采用316L不锈钢焊丝在不锈钢工件上成形，研究不同工艺参数对激光增材制造成形的影响，沉积效率约为0.27kg/(h·kw)。(申发明.不锈钢丝基激光增材制造成形工艺研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.)

如何实现高效激光增材制造，提高能量利用率与成形效率是当前需要解决的一个难点。因此，本领域需要研究一种新的利用激光深熔焊的原理，提高成形效率的激光增材制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高送丝式激光增材制造成形效率的方法，解决送丝过程中激光能量反射率较高、成形效率较低等问题。

本发明的技术方案如下。

一方面，本发明提供了一种送丝式激光增材制造方法，包括：

将焊丝和激光束以一定角度布置与基板的法线两侧；

将激光束的光斑作用于焊丝上距基板一定距离的位置，产生深熔小孔，焊丝以深熔模式吸收大部分激光能量加热熔化，并过渡到基板表面在第一位置形成熔池和熔覆层；

穿过焊丝后的激光束辐照基板表面的第二位置，以热导模式对基板的第二位置进行预热。

优选地，所述方法采用前置送丝方式，焊丝、激光束和基板的法线在同一个平面上；所述焊丝与所述法线之间具有第一角度，所述激光束与所述法线之间具有第二角度。

优选地，所述焊丝与所述法线之间的第一角度为5°～30°。

优选地，所述激光束与所述法线之间的第二角度为15°～45°。

优选地，所述光斑作用在焊丝上的位置距离工件表面1～5mm。

另一方面，本发明还提供了一种送丝式激光增材制造系统，包括：

基板，其具有适于增材制造的表面；

焊丝和激光束，其以一定角度布置与基板的法线两侧；

所述激光束作用于焊丝上，能够产生深熔小孔，由此焊丝以深熔模式吸收激光束的能量，并过渡到该基板上在第一位置形成熔池和熔覆层；穿过焊丝后的激光束辐照基板的表面的第二位置，以热导模式对基板的第二位置进行预热。

优选地，所述系统采用前置送丝方式，所述焊丝、激光束和基板的法线在同一个平面上；所述焊丝与所述法线之间具有第一角度，所述激光束与所述法线之间具有第二角度。

优选地，所述焊丝与所述法线之间的第一角度为5°～30°。

优选地，所述激光束与所述法线之间的第二角度为15°～45°。

优选地，所述光斑作用在焊丝上的位置距离工件表面1～5mm。

凭借以上的技术方案，本发明能够获得以下有益效果。

采用深熔模式加热熔化焊丝，焊丝熔化速率大大提高，进而大大提高成形效率。

以热导模式加热熔化工件，可有效避免小孔型气孔等缺陷的产生。

附图说明

图1是送丝式激光增材制造方法示意图。

图2是实施例1成形工件横截面OM图。

图3是实施例2成形工件横截面OM图。

图中各个附图标记的含义：1.基板，2.熔覆层，3.熔池，4.深熔小孔，5.激光束，6.导丝嘴，7.焊丝，8.预热区。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述，共提供两个实施例，但本发明不限于以下实施例。

如图1所示，其示出的是以根据本发明的送丝式增材制造方法的系统。其中的系统被示出为包括基板1，焊丝7和激光束5以一定角度布置与法线两侧。激光束5作用于焊丝7上，产生深熔小孔4，由此焊丝7以深熔模式吸收激光束5的能量，并过渡到该基板1上形成熔池3和熔覆层2。穿过焊丝7后的激光束5辐照基板1的表面，以热导模式对工件进行预热。

系统中的基板1是实施增材制造的工件表面，其可以选用任何适用的金属材料。

系统中的焊丝7从导丝嘴6送出，其可以采用任何适用的方式对导丝嘴6的运动过程及焊丝7的送丝速度进行控制，诸如使用专用或通用的控制系统(图中未示出)。

系统中的焊丝7可以选用与基板1的材料相适应的材料。在一可选的实施方式中，焊丝7可以选用与基板1相同的材料，以形成与基板1相同材料的熔覆层2。

系统中的激光束5可以由任何适用的激光器产生，并通过光纤等导光系统传导到基板1上方，通过光学聚焦系统在设定的位置产生一光斑。激光束5的功率、聚焦位置等参数可以使用相关的控制装置(图中未示出)控制激光器、导光系统、光学聚焦系统进行设置。其参数的设置应当使得在焊丝7的需要的位置产生所需的加热效果。

系统中的焊丝7和激光束5采用前置送丝方式布置，即焊丝7布置在法线的沿着系统扫描方向的前方，激光束5布置在法线的另一侧。焊丝7与法线之间具有第一角度，激光束5与法线之间具有第二角度。焊丝7和激光束5可以共用同一套三维移动部件，或者分别配备一套三维移动部件，从而使得焊丝7和激光束5按照预定的轨迹运动，以在基板1的表面形成具有预定形状的熔覆层2。

在一优选的实施方式中，焊丝7与法线之间的第一角度为5°～30°。在一优选的实施方式中，激光束5与法线之间的第二角度为15°～45°。激光束5聚焦的光斑作用在焊丝上的光斑位置距离基板1～5mm。

此处所述的“深熔模式”是指激光以较大的功率对焊丝进行加热，焊丝吸收激光的热量后深度熔化，从而在焊丝上形成一深熔小孔，进而激光的光束能够通过该深熔小孔穿过焊丝。

此处所述的“热导模式”是指激光以较小的功率对基板表面进行加热，基板表面吸收激光的热量后仅在有限深度内熔化，并通过热传导的形式向激光照射位置周围，以及基板内部传递热量。

下面结合两个具体的实施例对本发明的送丝式激光增材制造方法及系统做进一步的说明。

实施例1：本实例的实施方式的基本原理参见附图1，在此不再重复说明。本实例中采用IPG公司YLS—6000光纤激光器。焊丝为316L不锈钢材料，焊丝直径为1.2mm，使用200mm聚焦镜，采用前置送丝，激光束、工件法线在同一平面上。调节焊丝与工件法线夹角为15°，激光束与工件法线夹角为30°，光斑作用在焊丝上的位置距离工件表面2mm，保护气体为Ar气体，气体流量为20L/min。工艺参数为：激光功率3kw，送丝速度3m/min，扫描速度为1.5m/min。实施例1成形工件横截面OM图如附图2所示，本发明实例成形状态良好，金属沉积效率为0.49kg/(h·kw)，约为传统激光增材制造的2倍。

实施例2：本实例的实施方式的基本原理参见附图1，在此不再重复说明。本实例中采用IPG公司YLS—6000光纤激光器。焊丝为316L不锈钢材料，焊丝直径为1.2mm，使用200mm聚焦镜，采用前置送丝，激光束、工件法线在同一平面上。调节焊丝与工件法线夹角为30°，激光束与工件法线夹角为30°，光斑作用在焊丝上的位置距离工件表面2mm，保护气体为Ar气体，气体流量为20L/min。工艺参数为：激光功率3kw，送丝速度4m/min，扫描速度为1.5m/min。实施例2成形工件横截面OM图如附图3所示，本发明实例成形状态良好，金属沉积效率为0.72kg/(h·kw)，约为传统激光增材制造的3倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域技术人员能理解，本发明并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，本发明还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种送丝式激光增材制造方法，包括：

将焊丝(7)和激光束(5)以一定角度布置于基板(1)的法线两侧；

将激光束(5)聚焦的光斑作用于焊丝(7)上距基板(1)一定距离的位置，产生深熔小孔(4)，焊丝以深熔模式吸收大部分激光能量加热熔化，并过渡到基板表面在第一位置形成熔池(3)和熔覆层(2)；

通过所述深熔小孔(4)穿过焊丝(7)后的激光束(5)辐照基板(1)表面的第二位置，以热导模式对基板的第二位置进行预热。

2.根据权利要求1所述的送丝式激光增材制造方法，其特征在于，所述方法采用前置送丝方式，焊丝(7)、激光束(5)和基板(1)的法线在同一个平面上；所述焊丝(7)与所述法线之间具有第一角度，所述激光束(5)与所述法线之间具有第二角度。

3.根据权利要求2所述的送丝式激光增材制造方法，其特征在于，所述焊丝(7)与所述法线之间的第一角度为5°～30°。

4.根据权利要求2所述的送丝式激光增材制造方法，其特征在于，所述激光束(5)与所述法线之间的第二角度为15°～45°。

5.根据权利要求1所述的送丝式激光增材制造方法，其特征在于，所述光斑作用在焊丝(7)上的位置距离工件表面1～5mm。

6.一种送丝式激光增材制造系统，包括：

基板(1)，其具有适于增材制造的表面；

焊丝(7)和激光束(5)，其以一定角度布置于基板(1)的法线两侧；

所述激光束(5)聚焦的光斑作用于焊丝(7)上，能够产生深熔小孔(4)，由此焊丝(7)以深熔模式吸收激光束(5)的能量，并过渡到该基板(1)上在第一位置形成熔池(3)和熔覆层(2)；

通过所述深熔小孔(4)穿过焊丝(7)后的激光束(5)辐照基板(1)的表面的第二位置，以热导模式对基板(1)的第二位置进行预热。

7.根据权利要求6所述的送丝式激光增材制造系统，其特征在于，所述系统采用前置送丝方式，所述焊丝(7)、激光束(5)和基板(1)的法线在同一个平面上；所述焊丝(7)与所述法线之间具有第一角度，所述激光束(5)与所述法线之间具有第二角度。

8.根据权利要求7所述的送丝式激光增材制造系统，其特征在于，所述焊丝(7)与所述法线之间的第一角度为5°～30°。

9.根据权利要求7所述的送丝式激光增材制造系统，其特征在于，所述激光束(5)与所述法线之间的第二角度为15°～45°。

10.根据权利要求6所述的送丝式激光增材制造系统，其特征在于，所述光斑作用在焊丝(7)上的位置距离工件表面1～5mm。