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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