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CN113751877A - 一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法 - Google Patents

一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法。先设置激光器的激光功率、电弧焊机的电弧电流、保护气体流量、激光电弧间距和激光束摆动模式；之后根据焊丝直径确定焊丝的送丝速度，固定基板，调整激光器的激光头与基板之间的距离，再将激光器与电弧焊机的焊枪固定，调整所有焊丝的送进角度；通过激光束的周期性摆动，吸引电弧做规律性震荡，增大熔池尺寸和流动性，有利于多个焊丝熔化后熔滴进入熔池，提升增材过程的稳定性；结合激光摆动‑电弧震荡的晶粒细化效果，显著提升增材效率的同时，提升了增材零件的力学性能和使役性能。

Description

一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法。
背景技术
随着航空工业的发展，构件逐渐趋向于轻量化、形状个性化和结构功能一体化，采用传统加工技术对航空复杂构件进行制造，其工序多、加工周期长且难以保证零件的加工精度和使役性能。增材制造技术(3D打印)的出现很好的解决了这一加工难题，采用增材制造技术可以对航空复杂构件由下而上进行叠层制造，可以极大的提高零件加工精度和成形效率；原料利用率接近百分之百，避免了材料浪费；打印后的零件仅需少量的表面处理就可以直接使用，对于航空工业小批量复杂零件的加工制造具有显著优势。
目前，金属增材制造技术主要包括以丝材为原料的熔丝增材制造技术和以粉末为原料的送粉、铺粉增材制造技术。其中，熔丝增材制造技术因为加工尺寸不受限制，打印效果好等优势在航空大型复杂构件的制造中具有广阔应用前景。根据热源的不同，熔丝增材制造技术主要分为激光熔丝、电弧熔丝和电子束熔丝三种。其中，激光熔丝和电弧熔丝因其高效、设备成本低、易于实现自动化等而被广泛应用。但是激光熔丝增材对装备精度要求较高，而电弧熔丝增材熔深较浅，焊接效率低下。
发明内容
本发明提供了一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，以提高增材制造效率、增材零件的力学性能和使役性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，所述方法包括：
设置初始参数；所述初始参数包括激光器的激光功率、电弧焊机的电弧电流、保护气体流量、激光电弧间距和激光束摆动模式；
根据不同的焊丝直径确定每根焊丝的送丝速度；
将打磨后的基板固定在工装夹具上，调整所述激光器的激光头与所述基板之间的距离，使离焦量在设定范围内；
按照所述激光电弧间距将所述激光器的激光头与所述电弧焊机的焊枪固定；
调整所有焊丝的送进角度，与激光束呈等角度环形分布；
按照所述电弧电流控制所述焊枪电弧起弧，起弧设定时间后按照所述激光功率控制所述激光器发出激光；
将多个焊丝按照所述送丝速度同步送入熔池，并按照所述保护气体流量加入保护气体后进行增材制造；所述熔池为因焊弧热而熔化成池状的母材部分；
利用焊接机器人控制所述激光器按所述摆动模式摆动，以使所述焊枪跟随所述激光器做周期性的震荡。
优选地，所述电弧焊机采用非熔化极惰性气体保护电弧焊TIG、熔化极惰性气体保护焊MIG或冷金属过渡CMT工艺进行增材制造。
优选地，根据所述基板的合金成分选择焊丝，根据焊丝材料种类选择保护气。
优选地，所述激光功率为2000～5000W，所述电弧电流为50～200A，所述激光电弧间距为2～5mm，所述保护气体流量为20～40L/min。
优选地，根据所述焊丝直径匹配送丝速度为0.5～8m/min；所述焊丝直径为0.8～2.4mm。
优选地，所述激光束摆动模式为一字形、8字形或O形。
优选地，所述基板为铝合金基板，基板尺寸为400mm x200mm x20mm。
优选地，所述激光器为光纤激光器。
优选地，构件打印完毕后，用线切割将所述基板与打印构件分离。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，通过激光束的周期性摆动，吸引电弧做规律性震荡，可显著增大熔池尺寸和流动性，有利于多个焊丝熔化后熔滴进入熔池，提升了增材过程的稳定性；再利用多个金属丝的同时送进，可通过金属丝类别选择和送丝速度变化可有效调控增材合金的化学成分，结合激光摆动-电弧震荡的晶粒细化效果，可在显著提升增材效率的同时，提升增材零件的力学性能和使役性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法流程图；
图2为激光诱导电弧震荡的多丝同步增材修复示意图；
图3为电弧增材与多丝同步增材铝合金零件微观组织对比图；
图4为激光增材与多丝同步增材铝合金零件气孔缺陷对比图。
符号说明：
1-保护气，2-激光头，3-焊丝，4-电弧，5-基板，6-熔池，7-打印零件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，所述方法包括：
S1：设置激光器的激光功率、电弧焊机的电弧电流、保护气体流量、激光电弧间距和激光束摆动模式。
S2：根据不同的焊丝直径确定每根焊丝的送丝速度。
S3：将打磨后的基板固定在工装夹具上，调整所述激光器的激光头与所述基板之间的距离，使离焦量在设定范围内。
S4：按照所述激光电弧间距将所述激光器的激光头与所述电弧焊机的焊枪固定。
S5：调整所有焊丝的送进角度，与激光束呈等角度环形分布。
S6：按照所述电弧电流控制所述焊枪电弧起弧，起弧设定时间后按照所述激光功率控制所述激光器发出激光。
S7：将多个焊丝按照所述送丝速度同步送入熔池，并按照所述保护气体流量加入保护气后进行增材制造。
S8：利用焊接机器人控制所述激光器按所述摆动模式摆动，以使所述焊枪跟随所述激光器做周期性的震荡。
具体地，所述电弧焊机采用非熔化极惰性气体保护电弧焊TIG、熔化极惰性气体保护焊MIG或冷金属过渡CMT工艺进行增材制造，其中CMT焊接最佳，因为其熔滴过渡更加稳定。
具体地，所述离焦量在-5～+5mm。
具体地，根据所述基板的合金成分选择焊丝，根据焊丝材料种类选择保护气，铝合金采用Ar保护，不锈钢采用N2保护，钛合金和高温合金采用Ar或He保护。
具体地，所述激光功率为2000～5000W，所述电弧电流为50～200A，所述激光电弧间距为2～5mm，所述保护气体流量为20～40L/min。
具体地，根据所述焊丝直径匹配送丝速度为0.5～8m/min；所述焊丝直径为0.8～2.4mm。
具体地，所述激光束摆动模式为一字形、8字形或O形。
具体地，构件打印完毕后，用线切割将所述基板与打印构件分离。
实施例2
如图2所示，采用实施例1中的方法可以对打印零件进行增材修复。
设置激光器的激光功率、电弧焊机的电弧电流、保护气体流量、激光电弧间距和激光束摆动模式。
根据不同的焊丝直径确定每根焊丝的送丝速度。
将打磨后的基板5固定在工装夹具上，将需要修复的打印零件7放置在基板5上，调整激光头2与基板5之间的距离，使离焦量在设定范围内。
按照所述激光电弧间距将所述激光头2与所述电弧焊机的焊枪固定。
调整所有焊丝3的送进角度，与激光束呈等角度环形分布。
按照所述电弧电流控制所述焊枪电弧起弧4，起弧设定时间后按照所述激光功率控制所述激光器发出激光。
将多个焊丝按照所述送丝速度同步送入熔池6，并按照所述保护气体流量加入保护气1后进行增材制造。
利用焊接机器人控制所述激光器按所述摆动模式摆动，以使所述焊枪跟随所述激光器做周期性的震荡。
周期性震荡如图2(b)所示。
本方法通常用于对磨损的零件进行修复，如航空叶片的修复。
实施例3
采用实施例1中的方法对6061铝合金基板进行增材。
步骤一:将打磨后的6061铝合金基板固定在工装夹具上，基板尺寸为400mmx200mm x20mm，调整激光头与基板距离，使离焦量为+2mm。
步骤二:选用ER5556、ER5087和ER4047焊丝，焊丝直径1.2mm，利用特制夹具将激光头与焊枪固定，并调整焊丝送进角度与激光束呈等角度环形分布。
步骤三:设置工艺参数，包括激光功率设置为3000W，电弧电流设置为100A左右，激光电弧间距设置为3mm，选择Ar气作为保护气，流量设置为30L/min，送丝速度分别设置为2m/min、2m/min和0.5m/min。
步骤四:调整激光束摆动模式为8字形模式。
步骤五:焊接机器人根据工艺参数控制焊接，首先电弧起弧，然后电弧稳定2s后控制激光器发出激光并开始送丝，控制激光头和焊枪共同运动完成增材制造过程。
实施例4
采用实施例1中的方法对TC4钛合金基板进行增材。
步骤一:将打磨后的TC4钛合金基板固定在工装夹具上，基板尺寸为400mm x200mmx12mm，调整激光头与基板距离，使离焦量为-1mm。
步骤二:选用ER1100、ERTi-1和SA14047焊丝，焊丝直径1.0mm，利用特制夹具将激光头与焊枪固定，并调整焊丝送进角度与激光束呈等角度环形分布。
步骤三:设置工艺参数，包括激光功率设置为4000W，电弧电流设置为120A，激光电弧间距设置为4mm，选择Ar气作为保护气，流量设置为25L/min，送丝速度分别设置为1m/min、1m/min和2m/min。
步骤四:调整激光束摆动模式为O字形模式。
步骤五:焊接机器人根据工艺参数控制焊接，首先电弧起弧，然后电弧稳定2s后控制激光器发出激光并开始送丝，控制激光头和焊枪共同运动完成增材制造过程。
对比电弧增材、激光增材与实施例1中的多丝同步增材制造方法，本方法可以达到以下的好：。
图3中(a)为采用电弧增材制造的微观组织图，图3中(b)为采用实施例1中的方法增材制造的微观组织图。对比3中(a)与(b)的铝合金零件微观组织，可以发现，采用本方法合金晶粒尺寸细化非常明显，通过细晶强化作用可显著提升构件力学性能。
图4中(a)为采用激光增材制造的气孔缺陷图，图4中(b)为采用实施例1中的方法增材制造的气孔缺陷图。对比图4中(a)与(b)的铝合金零件气孔缺陷，可以发现，采用本方法合金内部基本无气孔缺陷。
表1力学性能对比表
实施方法 拉伸性能(件1) 拉伸性能(件2) 拉伸性能(件3)
激光-电弧 321MPa 309MPa 313MPa
电弧 240MPa 241MPa 227MPa
激光 251MPa 243MPa 239MPa
根据表1可知，采用激光-电弧焊接方法(即本申请激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法)可以使材料的拉伸性能更强。
本实施例公开了一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，通过激光束的周期性摆动，吸引电弧做规律性震荡，可显著增大熔池尺寸和流动性，有利于多个焊丝熔化后熔滴进入熔池，提升了增材过程的稳定性；再利用多个金属丝的同时送进，可通过金属丝类别选择和送丝速度变化可有效调控增材合金的化学成分，结合激光摆动-电弧震荡的晶粒细化效果，可在显著提升增材效率的同时，提升打印零件的力学性能和使役性能。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：
设置初始参数；所述初始参数包括激光器的激光功率、电弧焊机的电弧电流、保护气体流量、激光电弧间距和激光束摆动模式；
根据不同的焊丝直径确定每根焊丝的送丝速度；
将打磨后的基板固定在工装夹具上，调整所述激光器的激光头头与所述基板之间的距离，使离焦量在设定范围内；
按照所述激光电弧间距将所述激光器的激光头头与所述电弧焊机的焊枪固定；
调整所有焊丝的送进角度，与激光束呈等角度环形分布；
按照所述电弧电流控制所述焊枪电弧起弧，起弧设定时间后按照所述激光功率控制所述激光器发出激光；
将多个焊丝按照所述送丝速度同步送入熔池，并按照所述保护气体流量加入保护气体后进行增材制造；所述熔池为因焊弧热而熔化成池状的母材部分；
利用焊接机器人控制所述激光器按所述摆动模式摆动，以使所述焊枪跟随所述激光器做周期性的震荡。
2.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，所述电弧焊机采用非熔化极惰性气体保护电弧焊TIG、熔化极惰性气体保护焊MIG或冷金属过渡CMT工艺进行增材制造。
3.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，根据所述基板的合金成分选择焊丝，根据焊丝材料种类选择保护气。
4.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，所述激光功率为2000～5000W，所述电弧电流为50～200A，所述激光电弧间距为2～5mm，所述保护气体流量为20～40L/min。
5.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，根据所述焊丝直径匹配送丝速度为0.5～8m/min；所述焊丝直径为0.8～2.4mm。
6.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，所述激光束摆动模式为一字形、8字形或O形。
7.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，所述基板为铝合金基板，基板尺寸为400mm x 200mm x 20mm。
8.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
9.根据权利要求1所述的激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法，其特征在于，构件打印完毕后，用线切割将所述基板与打印构件分离。
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