CN105834428B - 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法 - Google Patents

一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105834428B
CN105834428B CN201610369621.6A CN201610369621A CN105834428B CN 105834428 B CN105834428 B CN 105834428B CN 201610369621 A CN201610369621 A CN 201610369621A CN 105834428 B CN105834428 B CN 105834428B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
micro
powder
arc
plasma arc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610369621.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105834428A (zh
Inventor
罗怡
韩静韬
谢小健
朱亮
陈东
郭继钊
李正
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Technology
Original Assignee
Chongqing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Technology filed Critical Chongqing University of Technology
Priority to CN201610369621.6A priority Critical patent/CN105834428B/zh
Publication of CN105834428A publication Critical patent/CN105834428A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105834428B publication Critical patent/CN105834428B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Abstract

本发明公开了一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法,该方法借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉,借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量。利用微束等离子弧优良的电弧稳定性和挺直性,提高粉末材料的送粉精度,利用微束等离子弧能量作用集中的特性,提高粉末的熔化率和沉积率,以及提高粉末材料和成形区域对激光热源能量的热吸收率。其微束等离子弧主弧电流为30A~50A,脉冲激光束脉冲峰值功率为4kW~10kW,通过调整激光束与微束等离子弧载粉流的相对位置关系、束斑重合度以及微束等离子弧和激光束的输出能量,实现金属材料和结构的三维快速成形制造,具有成形效率高、精度高、变形小、技术适应性强等优点。

Description

一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及激光三维快速成形制造方法,适用于以同步送粉形式实现不锈钢、铝 合金、钛合金等金属材料的激光三维快速成形制造。
背景技术
[0002]三维快速成形制造(3D打印)技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合 发展的先进制造技术,是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术,是大批量制造 模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间,这一技术已取得了飞速 发展,在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件三 维快速成形制造的技术基础是焊接/连接,近2〇年来,国内外三维快速成形制造实现了两大 突破:其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造 发展;其二是把高能束流热源(电子束、激光束)的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/ 制造信息技术深度融合,实现了金属结构订制式无模制造,形成了新的产业发展方向。
[0003] 三维快速成形制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、 钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造,在航空航天、医疗等领域,产品开 发阶段,计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前,三维快速成形制造技术是 传统大批量制造技术的一个补充,相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属 构件的三维快速成形制造应用于产品研发,还存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不 能令人满意等问题。其工艺与装备研发也尚不充分,尚未进入大规模工业应用。
[0004] 相对于常用于焊接制造的TIG、MIG、MAG等自由电弧,微束等离子弧具有能量作用 集中、电弧稳定且挺直性好、能量消耗小、制造质量重复精度高等优点,将其作为载粉热源 将有非常突出的优势。脉冲激光热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特 点,可以实现高效率和高重复精度成形制造。这两种热源的结合用于三维快速成形制造,为 实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造精度带来了新的可能。
发明内容
[0005]本发明针对金属材料结构件的成形制造,提供一种基于微弧载粉的激光三维快速 成形制造方法。该方法能够实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料结构的三维快速成形制 造。
[GG06]本发明采取以下技术方案:
[0007] —种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法,该方法借助微束等离子弧良好 的挺直性和稳定性,实现对粉末的载流和同步送粉,并提供辅热作用实现粉末流预熔和提 高材料对激光热源能量的热吸收率;借助脉冲激光热源提供金属材料结构成形所需要的主 要能量,所述制造方法的步骤如下:
[0008] (1)调整脉冲激光出射方向,使其与铅垂面成0°〜10°夹角;
[0009] (2)调整微束等离子焊枪,使微束等离子弧出射粉末流方向与激光束成15°〜30° 夹角。
[0010] (3)校准激光出射头与微束等离子弧枪相对位置,使出射激光束与出射微束等离 子弧位于同一平面,且以工作台前进方向为参照,微束等离子弧枪在前,激光出射头在后。 [0011] ⑷安装基板,并可靠装夹,水平固定。
[0012] 零件三维建模、分层切片,生成成形制造程序。
[0013] (6)使微束等离子弧的引燃弧工作,校准激光出射头与微束等离子枪相对位置,使 激光束在基板平面的束斑与微束等离子弧束斑重合;重合度判断原则为:使激光束处于上 聚焦位置,产生的激光束斑与微束等离子弧束斑重合度不低于60%。
[0014] (7)引弧使微束等离子弧的主弧开始工作,同时启动送粉器,使送粉喷嘴喷射粉末 流;微束等离子弧主弧电流范围为30A〜5〇A,且为连续输出的直流电弧电流。产生微束等离 子弧的电源为直流电源,电极接法为钨极为阴极接电源负极,基板为阳极接电源正极。
[0015] ⑻激光器工作,出射激光束,成形制造过程开始;激光束为脉冲激光束,脉冲峰值 功率范围为4kW〜10kW,额定激光功率不超过600W。
[0016] ⑼制造过程结束时,先关停激光束出射,再停止送粉,并熄灭微束等离子弧,延迟 停止保护气,结束全部制造流程。
[0017] 本发明借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉,借助脉冲激光热源提供 金属结构成形所需要的主要能量。其创新在于利用微束等离子弧优良的电弧稳定性和挺直 性,提高粉末材料的送粉精度,利用微束等离子弧能量作用集中的特性,提高粉末的熔化率 和沉积率,以及提高粉末材料和成形区域对激光热源能量的热吸收率,从而充分发挥激光 三维快速成形的技术优势,能够实现常用金属结构的高效成形制造。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0019] (1)激光热源和微束等离子弧热源能量密度大,热输入低,热变形小,容易实现高 重复精度制造;
[0020] (2)微束等离子弧具有优良的电弧稳定性和挺直性,送粉精度高,粉末熔化率、沉 积率高;
[0021] (3)适应性强,适合多种金属材料和结构的三维快速成形制造;
[0022] ⑷能量消耗低,成形效率高,且可以实现较高的成形精度,后期机械加工量小。
附图说明
[0023]图1是微弧载粉激光三维快速成形制造系统组成示意图。
[0024]图中,1激光器、2微束等离子弧电源、3光学系统、4激光出射头、5气瓶、6送粉器、7 微束等离子弧枪、8激光束、9微弧载粉流、10基板、11前进方向、12成形件。
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。
[0026]参见图1,实现本发明方法的微弧载粉激光三维快速成形制造系统包括激光器1、 微束等离子弧电源2、光学系统3、激光出射头4、气瓶5、送粉器6、微束等离子弧枪7。激光器1 发出的技术激光经光学系统3后由激光出射头4出射。微束等离子弧电源2为微束等离子弧 枪7提供主弧电流,为直流电源,提供连续输出的直流电弧电流。气瓶5提供保护气氛,送粉 器6用于喷射粉末流。
[0027] 实施例1:
[0028] 本例采用的基板为厚度4mm的304不锈钢板,粉末材料选用粒度200〜300目的奥氏 体不锈钢粉末。所使用的钨极为铈钨电极,电极接法为钨极为阴极接电源负极,基板为阳极 接电源正极。微束等离子弧主弧电流为35A,脉冲激光峰值功率为5.5kW,脉冲宽度为5ms,离 焦量为4mm。调整激光出射头4,使激光束与铅垂面夹角为5°,设定工作台前进速度为12mm/ s。微束等离子弧和激光使用的保护气体和工作气体均为纯氩气,且保护气体流量为15L/ min,送粉器6的送粉量为20g/min。校正激光出射头4与微束等离子弧枪7相对位置,使微束 等离子弧出射方向与激光束成25°夹角,且以工作台前进方向11为参照,使微束等离子枪7 在前,激光出射头4在后。安装固定基板,完成成形零件的三维建模、分层切片,并生成制造 程序。引燃微束等离子弧引燃弧,校准激光出射头4与微束等离子枪7相对位置,使激光束8 在基板10平面的束斑与微束等离子弧束斑重合。引燃主弧,启动送粉器6喷射粉末流,形成 微弧载粉流9,同时出射激光束8,开始成形制造,使工作台按照编程预设轨迹分层运动。成 形制造过程结束后,关停激光束出射,再停止送粉器送粉,并熄灭微束等离子弧,延迟停止 保护气,结束全部制造流程,得到成型件12。
[0029] 实施例2:
[0030] 本例采用的基板为厚度4mm的6061铝合金板,粉末材料选用粒度200〜300目的 AlSi系铝合金粉末。所使用的钨极为铈钨电极,电极接法为钨极为阴极接电源负极,基板为 阳极接电源正极。微束等离子弧主弧电流为40A,脉冲激光峰值功率为5.5kW,脉冲宽度为 4.5ms,离焦量为4.5mm。激光束与铅垂面夹角为5°,微束等离子弧出射方向与激光束成25° 夹角。设定工作台前进速度为lOmm/s。微束等离子弧和激光使用的保护气体和工作气体均 为纯氩气,且保护气体流量为20L/min,送粉量为15g/min。校正激光出射头4与微束等离子 弧枪7相对位置,且以工作台前进方向11为参照,使微束等离子枪7在前,激光出射头4在后。 安装固定基板,完成成形零件的三维建模、分层切片,并生成制造程序。引燃微束等离子弧 引燃弧,校准激光出射头与微束等离子枪相对位置,使激光束8在基板10平面的束斑与微束 等离子弧束斑重合。引燃主弧,启动送粉器6喷射粉末流,形成微弧载粉流9,同时出射激光 束8,开始成形制造,使工作台按照编程预设轨迹分层运动。成形制造过程结束后,关停激光 束出射,再停止送粉器送粉,并熄灭微束等离子弧,延迟停止保护气,结束全部制造流程,得 到成型件12。

Claims (3)

1. 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法,该方法借助微束等离子弧实现对 粉末的载流和同步送粉,借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量,所述制 造方法的步骤如下: ’ (1) 调整脉冲激光出射方向,使其与铅垂面成0°〜10。夹角; (2) 调整微束等离子焊枪,使微束等离子弧出射粉末流方向与激光束成i5。〜3〇。夹 角; (3) 校准激光出射头与微束等离子焊枪相对位置,使出射激光束与出射微束等离子弧 位于同一平面,且以工作台前进方向为参照,微束等离子焊枪在前,激光出射头在后; (4) 安装基板,并可靠装夹,水平固定; (5) 零件三维建模、分层切片,生成成形制造程序; (6) 使微束等离子弧的引燃弧工作,校准激光出射头与微束等离子焊枪相对位置,使激 光束在基板平面的束斑与微束等离子弧束斑重合; (7) 引弧使微束等离子弧的主弧开始工作,同时启动送粉器,使送粉喷嘴喷射粉末流; 所述微束等离子弧主弧电流范围为30A〜50A,且为连续输出的直流电弧电流; (8) 激光器工作,出射激光束,成形制造过程开始;所述激光束为脉冲激光束,脉冲峰值 功率范围为4kW〜101cW,额定激光功率不超过600W; (9) 制造过程结束时,先关停激光束出射,再停止送粉,并熄灭微束等离子弧,延迟停止 保护气,结束全部制造流程。
2. 根据权利要求1所述的基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法,其特征在于, 所述步骤(6)激光束斑与微束等离子弧束斑的重合度判断原则为:使激光束处于上聚焦位 置,产生的激光束斑与微束等离子弧束斑重合度不低于60%。
3. 根据权利要求1所述的基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法,其特征在于, 产生微束等离子弧的电源为直流电源,电极接法为钨极为阴极接电源负极,基板为阳极接 电源正极。
CN201610369621.6A 2016-05-30 2016-05-30 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法 Active CN105834428B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610369621.6A CN105834428B (zh) 2016-05-30 2016-05-30 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610369621.6A CN105834428B (zh) 2016-05-30 2016-05-30 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105834428A CN105834428A (zh) 2016-08-10
CN105834428B true CN105834428B (zh) 2017-10-31

Family

ID=56594994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610369621.6A Active CN105834428B (zh) 2016-05-30 2016-05-30 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105834428B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106702306B (zh) * 2016-11-17 2019-03-22 北京交通大学 一种TiC增强高温合金基高温耐磨复合材料及制备方法
CN107042350B (zh) * 2017-02-22 2019-01-29 重庆理工大学 一种应用于电弧三维快速成形制造的熔滴沉积率检测方法
WO2018156458A1 (en) * 2017-02-24 2018-08-30 Essentium Materials, Llc Atmospheric plasma conduction pathway for the application of electromagentic energy to 3d printed parts
CN109590468B (zh) * 2018-12-07 2021-07-23 湖南大学 激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法
CN109676138B (zh) * 2019-02-26 2021-04-20 重庆理工大学 一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法
CN109773187B (zh) * 2019-02-26 2020-11-27 重庆理工大学 一种基于激光超声的双光束激光快速成形制造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03107447A (en) * 1989-09-20 1991-05-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Plasma thermal spraying method
RU2178350C2 (ru) * 2000-01-18 2002-01-20 Республиканский инженерно-технический центр порошковой металлургии с НИИ проблем порошковой технологии и покрытий Способ получения металлофуллерита
CN100457331C (zh) * 2005-12-28 2009-02-04 华中科技大学 零件与模具的无模直接制造方法
DE102009051551A1 (de) * 2009-10-31 2011-05-05 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine
CN104801712B (zh) * 2015-04-22 2017-03-01 华南理工大学 一种激光与微束等离子复合3d打印设备与方法
CN104815985B (zh) * 2015-04-22 2018-01-05 华南理工大学 一种微束等离子3d打印设备与方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105834428A (zh) 2016-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105834428B (zh) 一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法
CN105772945B (zh) 一种基于协同脉冲激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法
US11213920B2 (en) Method and arrangement for building metallic objects by solid freeform fabrication
CN105945430B (zh) 一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法
CN101947695B (zh) 一种高强铝合金激光-mig复合焊接方法
CN104923785B (zh) 一种镁合金管状结构件电弧3d打印方法
CN105935828B (zh) 一种基于脉冲电流强制熔滴过渡的电弧三维快速成形制造方法
CN105414764A (zh) 一种tig电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法
CN108453388B (zh) 一种t型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法及焊接装置
CN109759710B (zh) 一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法
CN104289806A (zh) 一种薄壁铝合金电子束焊接方法
WO2019141115A1 (zh) 基于小孔效应的激光增材制造方法和系统
CN104999181A (zh) 一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法
Emmelmann et al. Development of plasma-laser-hybrid welding process
CN204221180U (zh) 小型内孔用粉末等离子熔覆焊炬
Wang et al. Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V
CN110170723B (zh) 一种双热源同步送丝、送粉的焊接方法
CN104985326A (zh) 一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法
CN109202291B (zh) 一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法
Brückner et al. Innovations in laser cladding and direct metal deposition
CN109759709A (zh) 一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法
Gu et al. Effect of laser on droplet transfer and welding process stability in hybrid laser+ double arc welding
CN109926695A (zh) 一种机器人用单机同嘴双填丝非熔化极电弧增材制造方法与装置
CN107790886B (zh) 脉动负压式激光增强ktig和mig复合焊接装置及方法
CN107498177A (zh) 一种非熔透激光焊接方法与系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant