CN105414746A - 一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法 - Google Patents

一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法 Download PDF

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Abstract

一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，它涉及一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法。本发明主要为了解决钛合金、碳素体不锈钢、马氏体不锈钢等热导率较低的材料，在采用基于激光增材制造的方法连接过程中由于热量得不到有效的散失，导致晶粒的尺寸长大、接头性能下降等问题。本发明通过设置冷却装置与激光焊及送粉器相结合，实现冷却过程。本发明可以有效散失焊接过程热积累，能细化晶粒；提高焊接效率；提高接头性能。针对焊接过程中有可能出现的氧化，采用液氮或惰性气体等冷却方式进行冷却的过程中，在起到冷却作用的同时，可以有效避免连接接头氧化。

Description

一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法
技术领域
本发明涉及一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接技术，属于材料加工工程领域。
背景技术
众所周知，在材料焊接过程中，尤其是焊接一些热传导率较低的材料时，如钛合金、碳素体不锈钢、马氏体不锈钢等，存在热量不容易散失的问题，尤其是如果采用熔焊如电弧焊接、电子束焊接、等离子焊接、激光焊接等方法时更容易出现这种问题，焊接过程中由于母材会经受非稳态剧烈加热，容易造成母材在连接过程中过度受热、变形、过烧等外观缺陷也会在材料内部造成热裂纹以及晶粒粗大等缺陷，从而对焊接连接的接头性能产生明显的影响。
同样，在我们提出的采用激光増材制造的方式进行材料连接过程中，因为激光增材制造技术是选择激光作为增材制造的热源，以数字模型文件为基础的先进制造技术，与传统的机械加工技术相比具有可选材料范围广，制作周期短，低成本等优势，但由于增材制造技术原理是逐层累加，一体成形，在加工过程中，热量的散失主要靠金属构件的基体向外传导，随着层数的累加，热量的积累，其金属构件基体内部的温度梯度逐渐减小，这会导致激光熔池的热量无法快速的扩散出去，对于需要较高冷却速率的金属材料如非晶态的金属构件，较高的冷却速率有利于避免形成晶态的金属构件；对于热膨胀系数较低的金属材料，增加冷却速度可以增加过冷度，而过冷度越大，形成的金属构件的晶粒越细小，构件的性能也就越优异。
综上可见，焊接过程与激光增材制造过程这两种过程都存在热量不容易散失的问题，在针对钛合金、碳素体不锈钢、马氏体不锈钢等热导率较低的材料采用基于激光增材制造的激光连接技术进行连接的过程中，因为连接过程中产生的热量得不到有效的散失，层与层之间的热量积累比较严重，导致晶粒尺寸的长大，会导致连接接头性能的下降。
目前关于激光熔覆、焊接等领域增大冷却速率的技术已有报道，专利申请号为“CN03119343.9”的“一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法”公开了一种适用于薄壁零件的局部高效冷却方法，解决了薄壁零件在加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿等问题，说明采用合适的冷却方式可以避免在激光焊接、熔覆等过程中出现的变形、过烧等问题，但该方法并不适用于我们所提出的基于激光增材制造的连接技术。
发明内容
本发明的目的是为了对钛合金、碳素体不锈钢、马氏体不锈钢等热导率较低的材料，在连接过程中由于热量得不到有效的散失，导致晶粒的尺寸长大、接头性能下降等问题，而提供了一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法。
本发明的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，它是按照以下步骤进行的：
采用冷却介质(液氮或惰性保护气体)冷却，以实现一种同步冷却辅助的基于激光增材制造连接技术。
一、将冷却装置与激光工作头连接，实现冷却装置与激光头的共同运动，且冷却装置与激光工作头之间的角度为0°～90°，相对位置为10mm～100mm；将冷却装置与激光工作头固定在机器人上，通过控制机器人的运动实现冷却装置与激光头的同步运动；
二、对待连接工件进行开坡口，坡口加工成V型坡口，并且在焊前对工件表面及坡口进行打磨处理，并用丙酮处理表面油污，将打磨后的待连接工件固定在焊接工装夹具上；安装同轴或旁轴送粉头；
三、通过导管将冷却进气喷嘴与气瓶连通，通过导管将出气喷嘴与抽气泵相连通，并通过在气瓶上安装专用流量计实现对进气喷嘴喷出的冷却气体的流量控制，通过抽气泵实现对冷却后气体吸出流量的控制；
四、设置工艺参数：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为400～10000W，扫描速度为5～40mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为2～20g/min，分层厚度为0.5～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为5～30L/min；冷却介质为液氮或惰性保护气体，冷却气体流量为0.1～20l/min；
五、开启激光工作头作用于待连接工件表面，同时开启冷却装置以及同轴或旁轴送粉器以填入粉末，实施整个连接过程。
本发明的冷却示意图如图1和2所示。
上述只简述本发明中采用的使用冷却气体进行同步冷却的方式，但本发明中冷却介质同样适用于采用冷却液，所以采用同种方式利用冷却液进行冷却的方法也应包含在本发明中。示意图1结构示意图只在激光头后面施加了一套冷却装置，但施加方式并不仅限于此，其它施加多套冷却装置的方式方法也应在包含在本发明中，如附图2所示。
本发明的方法连接原理是：利用增材制造的原理，采用激光沉积、逐层填充的方式形成一个类似于坡口形状的零件对母材进行直接连接，并且在连接过程中在激光头的后方或者两侧对连接部位进行冷却，以达到散失热量的目的，并加速熔池凝固的过程，促进晶粒的细化，提高接头的性能。其冷却方法采用液氮或者冷却液进行冷却，其激光器可以为半导体激光器、CO2激光器、YAG固体激光器或者光纤激光器等，采用同轴送粉或旁轴送粉。
在激光头后部或者其它部位安装一至多个冷却装置，其冷却装置为自行设计，通过冷却喷嘴向连接处喷洒冷却介质如冷却气体(液氮或惰性气体等)或冷却液，通过气体的传输或冷却液的作用将加工过程中产生的热量带走，可以实现对材料连接接头晶粒的生长产生影响，可以形成尺寸细小的晶粒，从而提高构件的性能，并且避免性能各向异性的产生。而且更为重要的是，采用本发明中一种同步冷却的激光增材制造连接方法，由于增材制造技术的特殊性，是以激光为热源对填充材料和母材加热熔化形成一层，然后层与层累积最终形成接头，添加同步冷却以后，可以有效得使热量迅速散失，从而形成层内部晶粒的细化，并最终得到性能优异的连接接头。
本发明包含以下有益效果：
1.与单独采用基于増材制造的连接技术相比，采用同步冷却辅助的基于増材制造的连接技术可以有效散失焊接过程热积累，能细化晶粒；
2.提高焊接效率。由于采用同步冷却之后，在激光沉积完上一层之后，可以迅速进行下一层的沉积，节省了冷却时间。
3.提高接头性能。由于接头晶粒细化，导致焊接接头力学性能提高；
4.针对焊接过程中有可能出现的氧化，采用液氮等冷却方式进行冷却的过程中，在起到冷却作用的同时，可以有效避免连接接头氧化。
附图说明
图1为本发明的同步冷却辅助的基于激光增材制造的系统示意图；
图2为本发明的同步冷却辅助的基于激光增材制造的使用系统示意图；
图3为实施例1基于激光增材制造的连接技术焊接后的焊缝横截面金相图；
图4为实施例1基于激光增材制造的连接技术焊接后的焊缝区金相图；
图5为实施例2同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接技术焊接后的焊缝横截面金相图；
图6为实施例2同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接技术焊接后的焊缝区金相图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，它是按照以下步骤进行的：
采用冷却介质(液氮或惰性气体)冷却，以实现一种同步冷却辅助的基于激光增材制造连接技术。
一、将冷却装置2与激光工作头1连接，实现冷却装置与激光头的共同运动，且冷却装置2与激光工作头1之间的角度为0°～90°，相对位置为10mm～100mm；将冷却装置2与激光工作头1固定在机器人上，通过控制机器人的运动实现冷却装置与激光头的同步运动；
二、对待连接工件3进行开坡口，坡口加工成V型坡口，并且在焊前对工件表面及坡口进行打磨处理，并用丙酮处理表面油污，将打磨后的待连接工件固定在焊接工装夹具上；安装同轴或旁轴送粉头；
三、通过导管将冷却进气喷嘴5与气瓶连通，通过导管将出气喷嘴6与抽气泵相连通，并通过在气瓶上安装专用流量计实现对进气喷嘴5喷出的冷却气体的流量控制，通过抽气泵实现对冷却后气体吸出流量的控制；
四、设置工艺参数：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为400～10000W，扫描速度为5～40mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为2～20g/min，分层厚度为0.5～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为5～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.1～20l/min；
五、开启激光工作头1作用于待连接工件表面，同时同轴或旁轴送粉器以填入粉末，实施连接，在连接进行的过程中，开启位于激光头后方相应位置的冷却装置2。
结合图1和图2说明本实施方式同步冷却辅助的基于激光增材制造的系统，它包括激光工作头1、冷却装置2和待连接工件3；激光工作头1与冷却装置2通过支架连接，且激光工作头1与冷却装置2通过支架调节二者的相对位置及角度；所述的冷却装置2包括冷却进气喷嘴5与出气喷嘴6；激光工作头1位于冷却进气喷嘴5前端，冷却进气喷嘴5位于出气喷嘴6前端；冷却进气喷嘴5与出气喷嘴6固定于支架上，并且冷却进气喷嘴5与气瓶连通，出气喷嘴6与抽气泵相连通。
上述只简述本发明中采用的使用冷却气体进行同步冷却的方式，但本发明中冷却介质同样适用于采用冷却液，所以采用同种方式利用冷却液进行冷却的方法也应包含在本发明中。示意图1结构示意图只在激光头后面施加了一套冷却装置，但施加方式并不仅限于此，其它施加多套冷却装置的方式方法也应在包含在本发明中，如附图2所示。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：发射激光的激光器为半导体激光器、CO2激光器、YAG固体激光器或光纤激光器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～5mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为800～10000W，扫描速度为10～40mm/s，粉末直径为40～100μm，送粉速率为5～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为8～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.1～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为1000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为50～100μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.3～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为2000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.6～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为3000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为1～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为4000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为3～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为5000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为4～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为7000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为6～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为8000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为8～20l/min。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例采用一种基于激光增材制造的连接方法对1.0mm厚TC4钛合金接头进行连接：具体连接过程可参照具体实施方式一进行，只是焊接过程不施加同步冷却方法，其工艺参数如下：
激光光斑直径为2mm，离焦量为+5mm，激光功率为800W，扫描速度为5mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为2g/min，分层厚度为0.5mm，扫描间距为2mm，保护气为惰性气体，保护气流量为15L/min；
本实施例的焊缝横截面金相图如图3所示，图4为焊缝区的微观组织，从图4中可以看出焊缝区的晶粒尺寸较大，这主要是由于该方法在焊接的过程中产生的热量不容易散失，而且由于这种方法，后一层粉末沉积时会对前一层已经凝固的金属又加热一次，循环往复，这种过程会导致晶粒的尺寸不断长大，从而会导致接头的性能下降。
实施例2
本实施例采用同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法对1.0mm厚TC4钛合金接头进行连接，具体过程参照具体实施方式一进行，并对工艺参数进行如下设置：
激光光斑直径为2mm，离焦量为+5mm，激光功率为1000W，扫描速度为5mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为2g/min，分层厚度为0.5mm，扫描间距为2mm，保护气为惰性气体，保护气流量为15L/min；冷却介质为液氮，冷却气体流量为0.2l/min。
本实施例的冷却介质采用冷却液，可以有效的对焊接过程中的热量进行散失，焊缝横截面金相图如图5所示，图6为焊缝区的微观组织，从图6可以看出当采用本方法进行连接后，形成的焊缝微观组织晶粒明显要比图4中的晶粒细小，而且针对此两种接头进行力学性能测试后，采用本发明一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接技术的焊缝的性能要优于未采用同步冷却的焊缝的性能。

Claims (10)

1.一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将冷却装置与激光工作头连接，实现冷却装置与激光头的共同运动，且冷却装置与激光工作头之间的角度为0°～90°，相对位置为10mm～100mm；将冷却装置与激光工作头固定在机器人上，通过控制机器人的运动实现冷却装置与激光头的同步运动；
二、对待连接工件开坡口，坡口加工成V型坡口，并且在焊前对工件表面及坡口进行打磨处理，并用丙酮处理表面油污，将打磨后的待连接工件固定在焊接工装夹具上；安装同轴或旁轴送粉头；并将激光工作头置于冷却装置前，共同作用于V型坡口处；
三、通过导管将冷却进气喷嘴与气瓶连通，通过导管将出气喷嘴与抽气泵相连通，并通过在气瓶上安装流量计实现对进气喷嘴喷出的冷却气体的流量控制，通过抽气泵实现对冷却后气体吸出流量的控制；
四、设置工艺参数：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为400～10000W，扫描速度为5～40mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为2～20g/min，分层厚度为0.5～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为5～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.1～20l/min；
五、开启激光工作头作用于待连接工件表面，同时开启冷却装置以及同轴或旁轴送粉器以填入粉末，实施整个连接过程。
2.根据权利要求1所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于发射激光的激光器为半导体激光器、CO2激光器、YAG固体激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～5mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为800～10000W，扫描速度为10～40mm/s，粉末直径为40～100μm，送粉速率为5～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为8～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.3～20l/min。
4.根据权利要求3所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为1000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为50～100μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为0.6～20l/min。
5.根据权利要求4所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为2000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为1～20l/min。
6.根据权利要求5所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为3000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为3～20l/min。
7.根据权利要求6所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为4000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为4～20l/min。
8.根据权利要求7所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为5000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为5～20l/min。
9.根据权利要求8所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为7000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为6～20l/min。
10.根据权利要求9所述的一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法，其特征在于步骤四的工艺参数为：激光光斑直径为1～4mm，离焦量为-5～+5mm，激光功率为8000～10000W，扫描速度为20～40mm/s，粉末直径为60～100μm，送粉速率为15～20g/min，分层厚度为1～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min；冷却介质为液氮或惰性气体，冷却气体流量为8～20l/min。
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