CN107283061A - 一种激光‑cmt焊接铝合金增材制造方法和成形系统 - Google Patents

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方学伟
张丽娟
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Abstract

本发明公开了一种激光‑CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统，本发明将激光和电弧作为复合热源，采用冷金属短路过渡的方式，实现对铝合金构件的增材制造成形。本发明中所提出的激光‑CMT焊接增材制造方法改善了激光增材制造铝合金构件过程中，要求激光功率大、成形困难的问题，传统电弧增材制造铝合金过程中，热量输入量大、变形严重、熔池容易溢出或熔塌的问题，以及CMT焊接增材制造铝合金过程中，容易出现未融合或夹渣等问题，针对铝合金构件的增材制造成形提出一种基于激光‑电弧复合热源原理的增材制造方法。

Description

一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种增材制造方法，尤其是一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统。
背景技术
铝合金具有高的比强度、比模量、和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀的性能，是各个工业部门广泛应用的重要的材料。传统减材加工方式对材料浪费严重，而且难以实现对复杂形面的成形，特别是在成形大型金属构件的情况下，更是成本高昂、浪费严重、制造周期长。计算机增材制造技术是一种基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的加工技术。相对于传统的材料切、削、磨等加工技术，增材制造是一种“自下而上”的制造方法，可以有效地缩短产品开发周期，提高产品质量，因此得到了迅速的发展。
目前较为成熟的激光增材制造方法并不适合对铝合金构件的成形，这主要是由于铝合金对激光具有极高的反射率对CO2激光器的放射率超过90％，对YAG激光器的反射率超过80％，而且自身又具有良好的导热性，从而造成铝合金增材制造过程中对激光的能量吸收不足。
电弧增材制造技术是目前金属增材技术中所使用的方法之一，因其具有成形零件致密度高、成本低、沉积效率高、成形设备简单成本低的特点，特别适合对中低复杂度的大型构件的增材制造成形。但在对铝合金构件的成形过程中，由于其能量作用面积大、能量密度较低，铝合金的导热性又极强，因此需要较高的能量输入，从而使得铝合金成形构件变形严重，热累积现象明显，从而降低了铝合金成形构件的尺寸精度和力学性能。而且在电弧增材制造的过程中以及斑点难以稳定易出现电弧漂移现象，也会对成形工件的质量产生影响。
CMT焊接方式是对传统熔化极气体保护焊中短路过渡方式的一种改进，传统的短路过渡方式是通过爆断方式实现熔滴过渡而CMT焊接方式是通过焊丝抽拉的机械方式实现熔滴过渡，熔滴过度过程中电流降至几乎为零，在增材制造成形过程中具有热输入量小、无飞溅、变形小、成形效率高、制造成本低的特点。但在多层焊接过程中容易出现未融合或夹渣等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统，其可以很好地解决增材制造方式中所存在的问题，实现快速高质量的铝合金增材制造。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提出一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，将激光和电弧作为复合热源，感应线圈作为预热装置，采用冷金属短路过渡的方式，实现对铝合金构件的增材制造成形。
进一步，具体包括以下步骤：
1)根据成形目标零件的材料要求选择相应的成形丝材，并选择相应的基板的材料类型和尺寸；
2)将三维CAD模型导入到工控机中进行处理，并生成运动轨迹和控制代码；
3)在选定的工艺参数下，进行铝合金构件主体成形之前先进行打底的成形，打底成形之后进入正式成形阶段；
4)在正式成形过程中，首先提前5s～15s启动电磁感应线圈进行预热，之后再启动复合热源，在完成第一道沉积之后暂停，待沉积层温度降至指定温度以下时，再开始下一层的成形时，将打印头水平旋转至与上一层成形结束点处激光-电弧连线方向的相反方向；进行单道沉积时，复合热源装置和感应线圈一同提高0.5mm～1.5mm后再开始下一层的沉积；多道沉积时，热源装置和感应线圈则侧移0.5mm～3mm后再沉积下一道，在本层沉积完成之后，热源装置提升0.5mm～1.5mm，进行下一层的成形；重复以上过程直至增材成形结束；
5)待构件整体冷却到室温之后，将铝合金构件取下进行热处理和减材加工。
进一步，在以上成形过程中选定的成形参数为：选取激光器功率为1.5kW以下可调；感应线圈中轴线与熔池中心距离50mm～15mm，焊接速度0.9m/min～3m/min，焊接电流90A～160A，送丝速度1.4～5m/min，两个保护气喷嘴的气体流量分别为20L/min～30L/min，激光离焦量-3mm～3mm，光丝间距-6mm～6mm，焊丝直径0.5mm～2mm，焊丝的伸出长度小于10mm。
进一步，上述激光与基板法线的夹角以非垂直方式安装，CMT焊接焊枪与基板的夹角为70°～90°。
进一步，上述基板尺寸要求成形工件完全位于基板固定点所型成的闭合曲面的内部，同时要求基板的厚度为20～100mm，并使用焊机卡具或螺栓固定。
进一步，在铝合金构件正式成形之前进行打底工艺，打底层的厚度为5～15层。
进一步，在成形过程中，始终保持激光-电弧连线与成形轨迹沉积点处的切线共线。
进一步，采取前后两个方向同时吹保护气的方式来进行保护。
本发明还提出一种激光-CMT焊接铝合金增材制造成形系统，其特征在于，包括工控机和成型平台，在成型平台上设有成形基板，在成形基板的上方两侧各设置有一个保护器喷嘴；在成形基板的正上方设置有复合热源装置，所述复合热源装置由激光器和CMT焊接焊枪组成；在成形基板的上方一侧设置有感应预热线圈；所述激光器和CMT焊接焊枪固定在同一卡具上面，通过卡具来控制复合热源装置结构和相对位置的关系，然后再将卡具安装在运动机构上面；在所述激光器的激光头与成形面采取非垂直的方式来进行安装，所述CMT焊接焊枪与成形面的夹角为70°～90°；所述工控机完成整个成形系统的控制以及数据分析预处理工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法改善了激光增材制造铝合金构件过程中，要求激光功率大、成形困难的问题，传统电弧增材制造铝合金过程中，热量输入量大、变形严重、熔池容易溢出或熔塌的问题，以及CMT焊接增材制造铝合金过程中，容易出现未融合或夹渣等问题，针对铝合金构件的增材制造成形，本发明综合了激光增材制造以及CMT焊接增材制造方法的优势，同时又弥补了各自的不足，激光的加入稳定了CMT焊接增材过程中的电弧稳定性。这是由于在一定的条件下，复合热源增材制造过程中，由激光产生的光致等离子体可以为电弧提供额外的带电粒子，从而使得电弧的路径限制在激光热的作用区域，减小了电弧漂移的范围从而提高了在增材制造过程中电弧的稳定性。从热量的角度来讲，激光能量的引入一方面虽然增加了能量的输入，避免了冷金属增材制造过程中出现的未融合的现象，同时提高了对熔池的搅拌作用避免了夹渣现象的出现，强烈对流的熔池对内部凝固组织也有一定的细化作用。感应线圈的前置加热的存在使得装置能够对预成型表面进行预热，在预热，可以提高铝合金增材制造过程中的层间结合性能。
进一步，冷金属过过渡增材制造过程中的电弧的存在提高了铝合金材料对激光能量的吸收率，避免了由于大功率激光器的使用所造成的成本的大幅提高，基于电弧的阴极清理机制，在沉积新材料之前对前层材料的表面的氧化膜进行清理提高成形性能，而且能够发挥电弧增材制造的高效性的特点，提高增材制造的成形效率和质量。
综上所述，本发明对铝合金构件增材制造的速度和质量的提升具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的示意图。
其中，1是成形平台，2是成形基板，3是感应预热线圈，4是保护气喷嘴，5是CMT焊接焊枪，6是激光器，光丝间距为d，感应线圈中轴线与熔池中心间距为L。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，所使用的热源是激光和电弧的复合热源，利用了激光与电弧的“协同效应”实现铝合金的高效、高质量的增材制造。
铝合金增材制造过程中要求铝合金要按照规定的轨迹进行沉积，因此需要将复合热源固定在一种运动机构上。在运动机构的选择方面上，可以选择数控机床或者是工业机器人上面，以实现固定轨迹的运动。
如图1所示，本发明的激光-CMT焊接铝合金增材制造成形系统，包括工控机和成型平台1，在成型平台1上设有成形基板2，在成形基板2的上方两侧各设置有一个保护器喷嘴4；在成形基板2的正上方设置有复合热源装置，所述复合热源装置由激光器6和CMT焊接焊枪5组成；在成形基板2的上方一侧设置有感应预热线圈3；所述激光器6和CMT焊接焊枪5固定在同一卡具上面，通过卡具来控制复合热源装置结构和相对位置的关系，然后再将卡具安装在运动机构上面；在所述激光器6的激光头与成形面采取非垂直的方式来进行安装，所述CMT焊接焊枪5与成形面的夹角为70°～90°；所述工控机完成整个成形系统的控制以及数据分析预处理工作。
以上在激光器6的安装方面，由于铝合金对激光的反射率极高，当激光头垂直于工件表面工作时，反射回的激光透过聚焦镜，反噬光纤，容易被烧毁，因此为减小反射光对激光器和外光路光学元件的损害，在安装过程中要求激光头与成形面采取非垂直的方式来进行安装。同时为尽量减小成形路径对成形效果的影响，CMT焊接焊枪5与成形面具有一定夹角。
由工控机来完成整个成形系统的控制以及数据分析预处理工作。在开始成形之前，先将三维CAD模型导入到工控机中进行切片处理得到相应的成形轨迹，并生成相应的运动控制代码用来控制运动机构进行成形。并且通过工控机来实现对激光器起停和功率，送丝速度，电弧电流，保护气流量以及温度测量的集成控制。
在增材制造的过程中，影响激光-CMT焊接铝合金增材制造方法的工艺参数主要包括：激光器6功率、焊接速度、焊接电流、激光焦点位置、光丝间距d、放置方向和感应线圈中轴线和熔池中心的距离L。其中激光焦点的位置，当激光的焦点在成形表面之上时为正离焦量，激光焦点在成形表面之下时为负离焦量，激光焦点位于成形表面上时为零离焦量。光丝间距d指的是激光轴线与成形表面的交点和CMT焊接焊枪在成形表面上的过渡点之间的距离。沿着扫描方向，当激光在前时为激光前置方式复合，当激光在后时为激光后置复合，当采用前置方式时，其光丝间距为正值，当采用后置方式时，其光丝间距为负值。
根据所要成形铝合金构件的材料要求选取相应的铝合金成形丝材，丝材可以选用现有牌号的铝合金丝材，也可以根据需要使用自制的丝材。在选择好丝材之后，选择相应的基板的材料类型和尺寸要求。使用焊接卡具或者是螺栓固定的方法使得成形基板2与成形平台1之间形成可靠连接。在成形基板2的尺寸方面要求，成形工件完全位于基板固定点所型成的闭合曲面的内部，同时要求基板的厚度为20～100mm，这样可以有效避免由于成形过程中的热量输入不均匀而引起的成形基板的热变形对成形精度的不利影响。
将三维CAD模型导入到工控机中进行切片处理得到相应的成形轨迹，并生成相应的运动控制代码控制运动机构进行成形。在正式成形所需要的铝合金构件的之前需要首先进行5～15层的打底，在完成构件的打底之后才可以开始成形铝合金构件的主体。这主要是由于，在底层的成形阶段温度场还处于不稳定的状态，成形各层之间的散热条件是不相同会造成成形性能的不一致，使得成形构件的质量大打折扣，另外，在选择的基板材料和成形的铝合金材料不一致的情况下，还会出现材料的稀释问问题，因此在成形构件主体之前需要进行5～15层的打底成形。
在成形工艺参数方面，选取激光器6功率为1.5kW以下可调，激光器6可以选用CO2激光器/光纤激光器或者是固态激光器，工作方式可以是连续工作方式也可以是脉冲工作方式。感应线圈3中轴线与熔池中心距离50mm～150mm，感应线圈3的预热作用可以显著提高铝合金增材制造构件的层间结合性能，并且能够显著减少气孔和裂纹等缺陷的产生，在成形过程中，首先提前5s～15s启动电磁感应线圈3进行预热，之后再启动复合热源5和6。选定焊接速度0.9m/min～3m/min，焊接电流90A～160A，送丝速度1.4m/min～5m/min，保护气4流量20L/min～30L/min，激光离焦量-3mm～3mm，光丝间距d-6mm～6mm，焊丝直径0.5mm～2mm。为保证焊丝的指向性，要求焊丝的伸出长度小于10mm。激光与基板法线的夹角以非垂直方式安装，CMT焊接焊枪与基板的夹角为70°～90°。
在上面选定的参数下逐道进行增材制造成形。在打印成型的沉积过程中，成形阶段先进行第一道的沉积，在沉积过程中始终保持激光-电弧连线与成形轨迹沉积点处的切线共线，并且在成形过程中通过红外摄像机来实时监测成形过程中温度场的情况。
在完成第一道沉积之后机器暂停，根据红外摄像机实时采集到的温度信息，等待沉积层温度降至指定温度以下时，将打印头水平旋转至与上一层成形结束点处激光-电弧连线方向的相反方向准备进行下一道的成形。在进行单道沉积的情况下，在进行下一道成形的时候，复合热源5、6和感应线圈3的位置先要相对于成形基板2提升一定的高度，提升的高度为0.5mm～1.5mm，然后再开始下一层的沉积。如果是采用的是多道成型的方法，复合热源5、6和感应线圈3的位置向要垂直于成形方向平移一定的距离，平移的距离为0.5mm～3mm，然后再进行相邻道次的成形，在一层全部路径扫描完成后，复合热源5、6和感应线圈3的位置提升0.5mm～1.5mm的高度，再进行下一层的成形。整个成形过程不断重复前述过程直至成形过程结束。
成形结束之后，待整个成形构件完全冷却至室温之后，将成形基板2连带工件从成形平台1上取下，在进行必要的热处理之后，将成形的铝合金构件从成形基板上面切下，之后进行必要的减材加工提高成形工件的精度。
综上所述，当激光和电弧共同作为热源进行焊接的时候，焊接过程会同时具备激光和电弧焊接过程中的特点，利用两种焊接方式的优点来弥补单独热源成形过程中的不足，产生“协同效应”。将这种复合焊接的方式应用在增材制造过程中，同样可以起到将激光增材方式的优点和电弧增材制造的方式的优点相结合的作用。

Claims (9)

1.一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，将激光和电弧作为复合热源，感应线圈作为预热装置，采用冷金属短路过渡的方式，实现对铝合金构件的增材制造成形。
2.根据权利要求1所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据成形目标零件的材料要求选择相应的成形丝材，并选择相应的基板的材料类型和尺寸；
2)将三维CAD模型导入到工控机中进行处理，并生成运动轨迹和控制代码；
3)在选定的工艺参数下，进行铝合金构件主体成形之前先进行打底的成形，打底成形之后进入正式成形阶段；
4)在正式成形过程中，首先提前5s～15s启动电磁感应线圈进行预热，之后再启动复合热源，在完成第一道沉积之后暂停，待沉积层温度降至指定温度以下时，再开始下一层的成形时，将打印头水平旋转至与上一层成形结束点处激光-电弧连线方向的相反方向；进行单道沉积时，复合热源装置和感应线圈一同提高0.5mm～1.5mm后再开始下一层的沉积；多道沉积时，热源装置和感应线圈则侧移0.5mm～3mm后再沉积下一道，在本层沉积完成之后，热源装置提升0.5mm～1.5mm，进行下一层的成形；重复以上过程直至增材成形结束；
5)待构件整体冷却到室温之后，将铝合金构件取下进行热处理和减材加工。
3.根据权利要求2所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，在成形过程中选定的成形参数为：选取激光器功率为1.5kW以下可调；感应线圈中轴线与熔池中心距离50mm～15mm，焊接速度0.9m/min～3m/min，焊接电流90A～160A，送丝速度1.4～5m/min，两个保护气喷嘴的气体流量分别为20L/min～30L/min，激光离焦量-3mm～3mm，光丝间距-6mm～6mm，焊丝直径0.5mm～2mm，焊丝的伸出长度小于10mm。
4.根据权利要求2所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，激光与基板法线的夹角以非垂直方式安装，CMT焊接焊枪与基板的夹角为70°～90°。
5.根据权利要求2所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，所述基板尺寸要求成形工件完全位于基板固定点所型成的闭合曲面的内部，同时要求基板的厚度为20～100mm，并使用焊机卡具或螺栓固定。
6.根据权利要求2所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，在铝合金构件正式成形之前进行打底工艺，打底层的厚度为5～15层。
7.根据权利要求2所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，在成形过程中，始终保持激光-电弧连线与成形轨迹沉积点处的切线共线。
8.根据权利要求2所述的激光-CMT焊接铝合金增材制造方法，其特征在于，采取前后两个方向同时吹保护气的方式来进行保护。
9.一种激光-CMT焊接铝合金增材制造成形系统，其特征在于，包括工控机和成型平台(1)，在成型平台(1)上设有成形基板(2)，在成形基板(2)的上方两侧各设置有一个保护器喷嘴(4)；在成形基板(2)的正上方设置有复合热源装置，所述复合热源装置由激光器(6)和CMT焊接焊枪(5)组成；在成形基板(2)的上方一侧设置有感应预热线圈(3)；所述激光器(6)和CMT焊接焊枪(5)固定在同一卡具上面，通过卡具来控制复合热源装置结构和相对位置的关系，然后再将卡具安装在运动机构上面；在所述激光器(6)的激光头与成形面采取非垂直的方式来进行安装，所述CMT焊接焊枪(5)与成形面的夹角为70°～90°；所述工控机完成整个成形系统的控制以及数据分析预处理工作。
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