CN106903448B - 一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，该方法分别采用特征变量函数Ф(ФA、ФL、ФM)表征三种能量场的分配系数，特征变量函数E(EA、EL、EM)表征三种能量场的输入能量，其中ФA、ФL、ФM分别是电弧输入能量比例、激光输入能量比例、磁场输入能量比例，ФA+ФL＝1、ФM＝0或1；根据焊接能量场以及增材制造能量场的要求，选择电弧、激光、电弧‑激光、电弧‑磁场、激光‑磁场、电弧‑激光‑磁场多种能量场耦合方式之一进行；在所属制造工艺实施之前，通过对精度、效率、成本、质量等要求的评估，选择合理的能量场分配比，从而使生产过程最优化；本发明的三种物理场的耦合，实现了一种多领域、高精度、高效率、高质量的制造工艺。
Description
技术领域
本发明属于焊接和增材制造技术领域，尤其指代一种电弧、激光、磁场多场耦合制造工艺。
背景技术
电弧制造作为传统的制造工艺，其发展已经十分成熟。电弧制造具有高效率、较高质量、低成本、适用范围广等优点，仍是现代制造产业中的主流技术。近年来，在高效高质量制造的背景下，电弧制造存在的诸多问题限制了其在制造产业中的运用。例如电弧焊接生产中，电弧热输入量大，导致焊接热影响区较大；常规电弧焊接深宽比小，容易造成未焊透、未熔合等缺陷；焊缝晶粒粗大、焊后变形严重。电弧增材制造中，较大的热输入导致成形零件精度低、性能差，无法满足高端产业的生产。
激光制造是继力加工、火焰加工和电加工之后一种崭新的加工技术。它可以完善周到地解决不同材料的加工、成形和精炼等技术问题。从最小结构的计算机芯片到超大型飞机和舰船，激光制造都将是不可或缺的重要手段。自20世纪70年代大功率激光器件诞生以来，已形成了激光焊接、激光熔覆、激光表面处理、激光快速原型制造、金属零件激光直接成形等十几种应用工艺。与传统的加工方法相比，具有高能密聚焦、高精度、高质量和节能环保等突出优点，但是也存在些许局限性。例如激光器价格昂贵，激光制造成本较电弧制造要高得多；激光制造精度高，但是在加工大尺寸工件时效率低下。
为了解决激光制造成本高、能量利用率低、适用范围小等问题，提出了激光与电弧的复合，激光－电弧复合热源既综合了上述两种制造方法的优点，又相互弥补了各自的不足，还产生了额外的能量协同效应。例如采用参数合适的激光-电弧复合焊接，在较低的热输入条件下即可获得较大的焊缝深宽比。
磁控技术是近年来完善起来的一种技术，通过外加磁场来改变电弧和流体的受力状态，以控制其流体的流动，从而改善制造工艺的质量，拓宽制造工艺的使用区间，实现高质量的制造生产。
因此，目前焊接和增材制造技术领域存在单一制造工艺的不足，而针对于复杂构件的制造加工时，将上述的激光、电弧以及磁控技术相结合的技术应运而生。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，在工艺实施之前，通过对精度、效率、成本、质量等要求的评估，选择合理的能量场分配比，从而使生产过程最优化；通过电弧、激光、磁场三种物理场的耦合，实现了一种多领域、高精度、高效率、高质量的制造工艺。
本发明是这样实现的，一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，分别采用特征变量函数Ф(ФA、ФL、ФM)表征三种能量场的分配系数，特征变量函数E(EA、EL、EM)表征三种能量场的输入能量，其中ФA、ФL、ФM分别是电弧输入能量比例、激光输入能量比例、磁场输入能量比例，ФA+ФL＝1、ФM＝0或者1；根据焊接能量场以及增材制造能量场的要求，选择电弧、激光、电弧-激光、电弧-磁场、激光-磁场、电弧-激光-磁场多种能量场耦合方式其中之一进行，ФA、ФL、ФM取值均∈[0，1]；且E(EA、EL、EM)由具体工艺参数确定；总能量输入E＝ФAEA+ФLEL+ФMEM；ФA由效率和成本要求决定，要求高效率、低成本时，ФA取值大；ФL由精度和质量要求决定，要求高精度、高质量时，ФL取值大。
进一步，对于焊接能量场的确定：
1)当要求高效率、低成本，对精度以及性能要求较小时，采用电弧焊接方法，取ФA＝1、ФL＝0、ФM＝0；
2)当要求高精度、高性能，对成本要求较小时，采用激光焊接方法，取ФA＝0、ФL＝1、ФM＝0；
3)当要求较高性能、高效率、高质量，成本适中，对精度要求较小时，采用电弧-激光复合焊接方法，ФA∈[0.5，1)、ФL∈(0，0.5]，即ФA从0.5-1取值、ФL从0-0.5取值；
4)当要求较高性能、高效率、高质量，成本适中，对精度要求较大时，采用电弧-激光复合焊接方法，ФA∈(0，0.5]、ФL∈[0.5，1)；即ФA从0-0.5取值、ФL从0.5-1取值；
5)当对焊接过程的稳定性、焊后焊缝表面形貌、焊缝力学性能、焊接缺陷有严格要求时，则将磁场耦合进焊接过程，加入磁场取ФM＝1；即当对精度和性能有严格要求时，先择磁控焊接方法，具体的有磁控电弧焊接、磁控激光焊接、磁控电弧-激光复合焊接，即在原有基础上，加入磁场取ФM＝1；
进一步，对于焊接工艺的实施：
针对电弧焊接方法，根据坡口大小选择是否填丝，选择合适的焊接电流、焊接速度、送丝速度的工艺参数；
针对激光焊接方法，选择合适的激光功率、光斑直接、离焦量、焊接速度的工艺参数；
对于电弧-激光焊接方法，根据坡口大小选择是否填丝，选择相匹配的工艺参数，规划焊接路径，对工件实施焊接。
进一步，对于增材制造能量场的确定：
1)当要求低成本、高效率，对冶金结合强度、堆积尺寸精度、表面质量、工件性能要求较小时，采用电弧增材制造取，ФA＝1、ФL＝0、ФM＝0；
2)当要求高冶金结合强度、高尺寸精度、高表面质量时，采用激光增材制造，取ФA＝0、ФL＝1、ФM＝0；
3)当要求高效率、较高表面质量、高冶金结合强度、较高性能，对堆积尺寸精度要求较小时，采用电弧-激光复合增材制造，ФA∈[0.5，1)、ФL∈(0，0.5]；即ФA从0.5-1取值、ФL从0-0.5取值；
4)当要求高效率、较高表面质量、高冶金结合强度、较高性能，对堆积尺寸精度要求较高时，采用电弧-激光复合增材制造，ФA∈(0，0.5]、ФL∈[0.5，1)；即ФA从0-0.5取值、ФL从0.5-1取值；
5)当对工件表面粗糙度、冶金结合强度、力学性能、尺寸精度有严格要求时，则将磁场耦合进增材制造过程，加入磁场取ФM＝1；即当对精精度、表面球化率、熔覆稀释率以及性能有严格要求时，选择磁控增材制造方法，具体的有磁控电弧增材、磁控激光增材、磁控电弧-激光复合增材，即在原有基础上，加入磁场取ФM＝1。
进一步，对于增材制造工艺的实施，将送粉系统开启：
对于电弧增材制造，选择合适的电流、扫描速度、送粉速度的工艺参数；
对于激光增材制造，选择合适的激光功率、光斑直径、离焦量、扫描速度、送粉速的工艺参数；
对于电弧-激光复合增材制造，选择相匹配的工艺参数。
进一步，所述的工艺方法的具体实施为：
对于焊接：选择电弧焊接时，执行电弧系统(1)和送丝系统(3)；选择激光焊接时，执行激光系统(5)；选择电弧-激光焊接时，执行电弧系统(1)、激光(5)系统、送丝系统(3)；
对于增材制造：选择电弧增材制造时，执行电弧系统(1)、送丝系统(3)或送粉系统(4)；选择激光增材制造时，执行激光系统(5)和送粉系统(4)；选择电弧-激光复合增材制造时，执行电弧系统(1)、激光系统(5)、送丝系统(3)或者送粉系统(4)；
当需要磁场对工艺过程进行控制时，额外执行交流磁场系统(2)，所述的交流磁场与电弧、激光同轴，即施加纵向交流磁场。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)通过对精度、效率、成本、质量等要求的评估，选择合理的能量场分配比，在实现成本最低化前提条件下，通过不同能量场之间的配比，从而使生产过程最优化，得到了高质量、高精度、高效率的制造方法；通过电弧、激光、磁场三种物理场的耦合，实现了一种多领域、高精度、高效率、高质量的制造工艺。
(2)本发明解决了单一制造方法的使用范围局限性，多能量场的转换，适用于复杂构件的制造加工。
(3)本发明克服了单一制造方法存在的不足，优势互补，为提高制造工件的综合性能提供了技术保障。
附图说明
图1为本发明一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法的电弧、激光、磁场多场耦合系统示意图；
图2为本发明一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法实施例1中焊接工件示意图；
图3为本发明一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法实施例2中增材制造工件示意图；
其中，1-电弧系统，2-交流磁场系统，3-送丝系统，4-送粉系统，5-激光系统。
具体实施方式
本发明提供一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
(1)对制造工艺要求进行精度、效率、成本及质量等的评估。
(2)首先，分别采用特征变量函数Ф(ФA、ФL、ФM)表征三种能量场的分配系数，特征变量函数E(EA、EL、EM)表征三种能量场的输入能量，其中ФA、ФL、ФM分别是电弧输入能量比例、激光输入能量比例、磁场输入能量比例，ФA+ФL＝1、ФM＝0/1，ФA、ФL、ФM取值均在0-1之间；且E(EA、EL、EM)由具体工艺参数确定。除此之外，ФA由效率和成本要求决定，要求高效率、低成本时，ФA取值大；ФL由精度和质量要求决定，要求高精度、高质量时，ФL取值大。则总能量输入E＝ФAEA+ФLEL+ФMEM。
(3)能量场的确定：
对于焊接，当要求高效率、低成本，对性能要求较小时，取ФA＝1、ФL＝0、ФM＝0，选择电弧焊接方法；当要求较高性能，对成本和效率要求较小时，取ФA＝0、ФL＝1、ФM＝0，选择激光焊接方法；当要求高效率、适中成本、对性能有一定要求时，综合两种方法，选择电弧-激光复合焊接方法，且对精度、质量要求较高时，ФA从0-0.5取值、ФL从0.5-1取值，反之，当要求较高性能、高效率、高质量，成本适中，对精度要求较小时，ФA从0.5-1取值、ФL从0-0.5取值；当对精度和性能有严格要求时，先择磁控焊接方法，具体的有磁控电弧焊接、磁控激光焊接、磁控电弧-激光复合焊接，即在原有基础上，加入磁场取ФM＝1。
对于增材制造，当要求高效率、低成本，对精度、表面球化率、熔覆稀释率以及性能要求较小时，取ФA＝1、ФL＝0、ФM＝0，选择电弧增材制造；当要求高精度、低表面球化率、低熔覆稀释率以及较高性能，对成本和效率要求较小时，取ФA＝0、ФL＝1、ФM＝0，选择激光增材制造；当要求高效率、适中成本、对精度、表面球化率、熔覆稀释率以及性能有一定要求，对堆积尺寸精度要求较大时，，选择电弧-激光复合增材制造，ФA从0-0.5取值、ФL从0.5-1取值，反之，对堆积尺寸精度要求较小时，ФA从0.5-1取值、ФL从0-0.5取值；当对精精度、表面球化率、熔覆稀释率以及性能有严格要求时，选择磁控增材制造方法，具体的有磁控电弧增材、磁控激光增材、磁控电弧-激光复合增材，即在原有基础上，加入磁场取ФM＝1；
对于磁场的选择：对于焊接而言，当对焊接过程的稳定性、焊后焊缝表面形貌、焊缝力学性能、焊接缺陷有严格要求时，则将磁场耦合进焊接过程；对于增材制造而言，当对工件表面粗糙度、冶金结合强度、力学性能、尺寸精度有严格要求时，则将磁场耦合进增材制造过程，加入磁场取ФM＝1。
(4)工艺的实施：
对于焊接工艺的实施：完成焊前准备工作，针对电弧焊接方法，根据坡口大小选择是否填丝，选择合适的焊接电流、焊接速度、送丝速度等工艺参数；针对激光焊接方法，选择合适的激光功率、光斑直接、离焦量、焊接速度等工艺参数；对于电弧-激光焊接方法，根据坡口大小选择是否填丝，选择相匹配的工艺参数，规划焊接路径，对工件实施焊接。
对于增材制造工艺的实施：将送粉系统开启，对于电弧增材制造，选择合适的电流、扫描速度、送粉速度等工艺参数；对于激光增材制造，选择合适的激光功率、光斑直径、离焦量、扫描速度、送粉速度等工艺参数；对于电弧-激光复合增材制造，选择相匹配的工艺参数。
(5)工艺方法的具体实施
如图1所示，对于焊接，选择电弧焊接时，执行电弧系统1和送丝系统3；选择激光焊接时，执行激光系统5；选择电弧-激光焊接时，执行电弧系统1、激光5系统、送丝系统3。对于增材制造，选择电弧增材制造时，执行电弧系统1、送丝系统3或送粉系统4；选择激光增材制造时，执行激光系统5和送粉系统4；选择电弧-激光复合增材制造时，执行电弧系统1、激光系统5、送丝系统3或者送粉系统4。当需要磁场对工艺过程进行控制时，额外执行交流磁场系统2；其中交流磁场与电弧、激光同轴，即施加纵向交流磁场。
具体的实施方式如下：
实施例1
实施例1为一个焊接工件，具体是存在异种材料焊接与T型焊缝。如图2所示，其中图2区域Ⅰ开有较大坡口，且非工件功能区域，材料为钢。如图2区域Ⅱ所示，该区域为工件的中间部分，其特征在于与钢板连接性能良好，材料为铝。如图2区域Ⅲ所示，其特征在于为T型焊缝。要焊接上述工件，其具体方法如下：
焊接工艺方法选择：对于图2区域Ⅰ，由于坡口较大，采用激光焊接效率低、成本高，与现实情况不符，且该区域焊接对精度要求较低，为了提高效率降低成本，选择电弧焊接方法。对于图2区域Ⅱ，属于异种材料焊接，由于铝板为功能区域，要求焊缝力学性能良好，焊接热影响区范围要求较小，传统电弧焊难以满足这一要求，故选择激光焊接方法。对于图2区域Ⅲ，属于T型焊缝，为了保证功能区域较小的焊接变形以及较好的力学性能，同时该区域待加工区域较长，为了保证效率，选择电弧-激光复合焊接方法，即ФA＝0.5，ФL＝0.5。
焊接工艺的实施：对于区域，采用电弧焊接方法，执行电弧系统和送丝系统，确定工艺参数。对于图2区域Ⅱ，采用激光焊接方法，执行激光系统，确定工艺参数。对于图2区域Ⅲ，采用电弧-激光复合焊接方法，即ФA＝0.5，ФL＝0.5，执行电弧系统、激光系统、送丝系统，确定工艺参数，完成整个焊接过程。
实施例2
本实施例2为一个增材制造工件，其特征在于工件构造复杂，尺寸精度从下到上变化较大。如图3所示，其中图3区域Ⅰ所示，该区域为工件的基座，其特征在于具有足够大的壁厚和尺寸，保证整个工件应用时的稳定性。如图3区域Ⅱ所示，该区域为工件的中间部分，其特征在于具有较好的力学性能，壁厚和尺寸从下到上呈现递减趋势，保证工件的使用性能以及从下到上尺寸的平滑过渡。如图3区域Ⅲ所示，是整个工件的工作区，其特征在于壁厚和尺寸较小，精度高，具有优良的力学性能。要制造如上所述工件，具体方法如下：
增材制造工艺方法的选择：对于图3区域Ⅰ，其作用只是保证工件应用时的稳定性，对精度要求较低，为了提高效率降低成本，选择电弧增材制造方法。对于图3区域Ⅱ，要求具有较好的力学性能，电弧增材制造无法满足，再者该区域壁厚和尺寸较大，激光增材制造效率低下、成本高，综合两者，选择电弧-激光复合增材制造方法，即ФA＝0.5，ФL＝0.5，满足性能的同时，提高效率，降低成本。对于图3区域Ⅲ，作为整个工件的工作区，对精度、性能具有较高要求，此时电弧和电弧-激光增材方法已不适用，因此选择激光增材方法，同时为了确保该区域优良的力学性能，降低制造工件废弃率，在激光增材时耦合磁场，采用磁场对激光增材过程进行优化，减少激光增材过程中出现的缺陷。
增材制造工艺方法的实施：对于图3区域Ⅰ，采用电弧增材制造，执行电弧系统和送丝系统，确定工艺参数；对于图3区域Ⅱ，采用电弧-激光复合增材制造，即ФA＝0.5，ФL＝0.5，执行电弧系统、激光系统和送丝系统，确定工艺参数；对于图3区域Ⅲ，采用磁控激光增材制造，执行激光系统、交流磁场系统和送粉系统，确定工艺参数，完成整个增材制造过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，其特征在于，该方法分别采用特征变量函数Ф(ФA、ФL、ФM)表征三种能量场的分配系数，特征变量函数E(EA、EL、EM)表征三种能量场的输入能量，其中ФA、ФL、ФM分别是电弧输入能量比例、激光输入能量比例、磁场输入能量比例，ФA+ФL＝1、ФM＝0或1；根据焊接能量场以及增材制造能量场的要求，选择电弧、激光、电弧-激光、电弧-磁场、激光-磁场、电弧-激光-磁场多种能量场耦合方式中之一进行，ФA、ФL、ФM取值均∈[0，1]；且E(EA、EL、EM)由具体工艺参数确定；总能量输入E＝ФAEA+ФLEL+ФMEM；
对于焊接能量场的确定：
1)当要求高效率、低成本，对精度以及性能要求较小时，采用电弧焊接方法，取ФA＝1、ФL＝0、ФM＝0；
2)当要求高精度、高性能，对成本要求较小时，采用激光焊接方法，取ФA＝0、ФL＝1、ФM＝0；
3)当要求较高性能、高效率、高质量，成本适中，对精度要求较小时，采用电弧-激光复合焊接方法，ФA∈[0.5，1)、ФL∈(0，0.5]；
4)当要求较高性能、高效率、高质量，成本适中，对精度要求较大时，采用电弧-激光复合焊接方法，ФA∈(0，0.5]、ФL∈[0.5，1)；
5)当对焊接过程的稳定性、焊后焊缝表面形貌、焊缝力学性能、焊接缺陷有严格要求时，则将磁场耦合进焊接过程，加入磁场取ФM＝1；
对于增材制造能量场的确定：
1)当要求低成本、高效率，对冶金结合强度、堆积尺寸精度、表面质量、工件性能要求较小时，采用电弧增材制造取，ФA＝1、ФL＝0、ФM＝0；
2)当要求高冶金结合强度、高尺寸精度、高表面质量时，采用激光增材制造，取ФA＝0、ФL＝1、ФM＝0；
3)当要求高效率、较高表面质量、高冶金结合强度、较高性能，对堆积尺寸精度要求较小时，采用电弧-激光复合增材制造，ФA∈[0.5，1)、ФL∈(0，0.5]；
4)当要求高效率、较高表面质量、高冶金结合强度、较高性能，对堆积尺寸精度要求较高时，采用电弧-激光复合增材制造，ФA∈(0，0.5]、ФL∈[0.5，1)；
5)当对工件表面粗糙度、冶金结合强度、力学性能、尺寸精度有严格要求时，则将磁场耦合进增材制造过程，加入磁场取ФM＝1；
对于磁场的选择：对于焊接而言，当对焊接过程的稳定性、焊后焊缝表面形貌、焊缝力学性能、焊接缺陷有严格要求时，则将磁场耦合进焊接过程；对于增材制造而言，当对工件表面粗糙度、冶金结合强度、力学性能、尺寸精度有严格要求时，则将磁场耦合进增材制造过程，加入磁场取ФM＝1。
2.根据权利要求1所述的一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，其特征在于，对于焊接工艺的实施：
针对电弧焊接方法，根据坡口大小选择是否填丝，选择合适的焊接电流、焊接速度、送丝速度的工艺参数；
针对激光焊接方法，选择合适的激光功率、光斑直接、离焦量、焊接速度的工艺参数；
对于电弧-激光焊接方法，根据坡口大小选择是否填丝，选择相匹配的工艺参数，规划焊接路径，对工件实施焊接。
3.根据权利要求1所述的一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，其特征在于，对于增材制造工艺的实施，将送粉系统开启：
对于电弧增材制造，选择相匹配的电流、扫描速度、送粉速度的工艺参数；
对于激光增材制造，选择相匹配的激光功率、光斑直径、离焦量、扫描速度、送粉速的工艺参数；
对于电弧-激光复合增材制造，选择相匹配的工艺参数。
4.根据权利要求1所述的一种电弧、激光、磁场多能量场耦合制造工艺方法，其特征在于，所述的工艺方法的具体实施为：
对于焊接：选择电弧焊接时，执行电弧系统(1)和送丝系统(3)；选择激光焊接时，执行激光系统(5)；选择电弧-激光焊接时，执行电弧系统(1)、激光系统(5) 、送丝系统(3)；
对于增材制造：选择电弧增材制造时，执行电弧系统(1)、送丝系统(3)或送粉系统(4)；选择激光增材制造时，执行激光系统(5)和送粉系统(4)；选择电弧-激光复合增材制造时，执行电弧系统(1)、激光系统(5)、送丝系统(3)或者送粉系统(4)；
当需要磁场对工艺过程进行控制时，额外执行交流磁场系统(2)，所述的交流磁场与电弧、激光同轴，即施加纵向交流磁场。
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