CN107414301A - 一种钢及铝合金激光增材制造的导丝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种钢及铝合金激光增材制造的导丝装置及方法，该导装置包括：一同时进行吹保护气和送丝的尖嘴送丝嘴；该尖嘴送丝嘴前端为导电咀及控制保护气流向的锥形送丝嘴帽，其中，导电咀从锥形送丝嘴帽中伸出；尖嘴送丝嘴后端为固定结构连接保护气管；所述的固定结构上连接用于调节送丝角度的调节机构。本发明的导丝装置及其方法，通过控制保护气流向，同时缩短了焊丝伸长，使保护气吹出即高密度聚集在待保护区域附近，减小了保护气从送丝嘴吹出到待保护区域的流动距离，降低了保护气在流向待保护区域的过程中逸散到空气中的流量，极大的排除了制造过程中空气的影响，使制造过程得到了良好的保护，避免了工件被氧化，提高了成形质量。

Description

一种钢及铝合金激光增材制造的导丝装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体为一种钢及铝合金激光增材制造的导丝装置及方法。
背景技术
如今，增材制造技术成为国内外研究热点。该技术具有高效、快速、柔性的特点，如节约材料，无需或需少量后续加工，实现“近净成形”；无需大型锻压设备和模具、专用夹具；可以制造形状复杂、难加工材料；个性化设计，柔性化生产；缩短了从设计到制造的时间，降低制造成本和风险；可以用于零件的修复等。该技术是一种全新的短周期、低成本的制造技术，在航空、航天和生物医学等领域具有重要的应用前景。增材制造技术分为送粉式和送丝式两种，送粉式增材制造的金属粉末利用率极低，只有20％～30％的利用率，同时粉末由于难以控制不仅对人体有害还会造成对环境的污染，缺点十分明显。而送丝式增材制造则具有材料利用率高的优点，同时不会造成粉末污染问题，并且成本较低，具有良好的工业发展前景。在丝基增材制造技术中，电弧增材制造技术已发展的相对完善，然而由于电弧增材制造技术的特性所导致的缺陷也是无可避免的。其中，TIG熔丝式增材制造方法受限于钨极的承载能力，不能够采用较大电流成形，从而使成形效率较低；熔化极气体保护焊成形则由于热输入较大，电弧的稳定性较差，过程难以控制，从而导致熔塌等成形问题，降低了成形精度；电子束送丝成形方法虽然成形质量较高，但是由于需要真空环境，对于设备及工艺条件的要求较为苛刻。因此，丝基激光增材制造方法，由于激光的高能量密度，具有较小的热影响区等优点，并且激光熔丝增材制造行走轨迹灵活，成形精度相对较高，对于不锈钢、铝合金的一般零部件制造具有不可比拟的优势。
目前，针对于丝基激光增材制造工艺研究相对较少，丝基激光增材制造面临的主要问题在于丝基激光增材制造成形过程比较复杂，对成形稳定性要求很高。其成形过程的稳定性受到许多因素的影响，有光丝对中性、丝材端部与沉积层位置关系、送丝角度、丝材送入方向和扫描方向夹角、离焦量等。在增材制造过程中，随着激光头的运动，光丝对中性、丝材端部与沉积层位置关系、送丝角度、丝材送入方向极易发生偏差。而由于激光在焦点附近能量集中，当光丝对中性、丝材端部与沉积层位置关系、送丝角度、丝材送入方向发生偏差后，激光对丝材的热输入会大大降低，导致丝材无法熔化，激光增材制造过程就会无法继续进行。除此之外，在激光增材制造过程中，侧吹保护气的摆放位置不佳、流量控制不好也会对零件成形质量有重要影响：出气口太近、保护气流量太大则影响熔滴下落，降低热输入，成形不好；出气口太远、保护气流量太小则保护效果不好，容易发生氧化。而目前，普通的导丝装置无法保证光丝对中性、丝材端部与沉积层位置关系保持稳定，丝基激光增材制造的工艺尚不成熟。因此，不锈钢、铝合金零件的丝基激光增材制造需要一种导丝装置及工艺方法来保证成形过程稳定，使激光增材制造过程可以顺利进行。
发明内容
针对上述不锈钢、铝合金丝基激光增材制造中成形无法保持稳定的问题，本发明提供钢及铝合金激光增材制造的导丝装置及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种钢及铝合金激光增材制造的导丝装置，该装置包括：一同时进行吹保护气和送丝的尖嘴送丝嘴；该尖嘴送丝嘴前端为导电咀及控制保护气流向的锥形送丝嘴帽，其中，导电咀从锥形送丝嘴帽中伸出；尖嘴送丝嘴后端为固定结构连接保护气管；所述的固定结构上连接用于调节送丝角度的调节机构。
进一步的，所述的伸出的导电咀长度L与送丝角度α、焊丝的曲率k、保护气口距离光丝交汇点的长度l之间满足如下关系：
进一步的，固定结构为固定块，固定块中嵌有送丝管且连通保护气管。
进一步的，调节机构中装有减缓丝材触碰到熔池底部产生的反作用力的缓冲弹簧。
进一步的，送丝嘴材料使用耐高温的钨。
一种钢及铝合金激光增材制造的导丝方法，包括如下步骤：
(1)将不锈钢与铝合金或钛合金基板进行预处理，去油、打磨；
(2)将基板固定在工作台上，并将不锈钢与铝合金焊丝安装到送丝机构中；
(3)设置激光功率及离焦量，设置送丝速度及激光扫描速度；
(4)调节导丝装置以控制送丝嘴位置、送丝角度，调节焊丝伸长量，保证焊丝端部刚好接触到基板表面，并且处于激光光斑中心位置；
(5)接通保护气，调节保护气流量；
(6)进行第一层增材制造，测量第一层在增材方向上成形高度；
(7)将所测高度设置为增材制造方向的每层偏移量，逐层进行增材制造，直至零件制
造完成。
进一步的，步骤(3)中，离焦量为正离焦16～23mm；当丝材为不锈钢时，送丝速度为10m/min～14m/min，扫描速度为7mm/s～9mm/s，激光功率为2KW～3KW；当丝材为铝合金时，送丝速度为8m/min～10m/min，扫描速度为4mm/s～8mm/s，激光功率为2KW～4KW。
进一步的，步骤(4)中，送丝角度为焊丝轴线与水平线的夹角；焊丝伸长量为焊丝伸出导电咀的距离；送丝嘴位置调节到距离基板4mm至14mm高度的范围内，送丝角度为55°～70°，焊丝伸长量为5mm～15mm。
进一步的，保护气从送丝嘴后部围绕焊丝逸出，通过外围锥形送丝嘴帽控制保护气流向，使保护气聚集在焊丝嘴外5mm至15mm范围内；保护气为纯氩保护气，保护气流量为15L/min～25L/min。
进一步的，步骤(8)中，每增材制造一层，冷却2分钟再进行下一层增材制造。
与现有技术相比，本发明的优点有：
1.本发明所述导丝装置及方法，使焊丝伸长量极大的缩短了，焊丝从送丝嘴伸出后即伸入到待熔区域，焊丝笔直的沿着送丝嘴导向伸出，不会发生偏离，提高了增材制造过程中的送丝稳定性，避免了受热不均匀、热输入不足的情况，提高了成形精度。
2.本发明所述导丝装置及方法，控制了保护气流向，缩短了焊丝伸长的同时，使保护气吹出即高密度聚集在待保护区域附近，减小了保护气从送丝嘴吹出到待保护区域的流动距离，降低了保护气在流向待保护区域的过程中逸散到空气中的流量，极大的排除了制造过程中空气的影响，使制造过程得到了良好的保护，避免了工件被氧化，提高了成形质量。
3.本发明所述导丝装置及方法，整合了侧吹保护气与送丝过程，使保护气沿送丝嘴外围吹出，提高了保护效果同时降低了所需保护气流量，节省资源的同时也降低了保护气压力对增材制造成形稳定性的影响。
4.本发明所述导丝装置及方法采用大离焦量，使焊丝在熔化过程中各部分受热均匀不会发生气化，同时也降低了飞溅，提高了表面成形效果。
5.本发明所述导丝装置的角度调节机构装有缓冲弹簧，因为在增材制造焊丝行走过程中，一些轻微的扰动或者待增材表面不平整都会造成热输入不足，丝材此时会触碰到熔池底部，并产生反作用力，所以缓冲弹簧可以有效抵消反作用力，进行角度的微调，防止丝材脱离设定好的增材路线。
6.本发明所述导丝装置及方法便捷高效，应用前景广泛，极大地提高不锈钢、铝合金零件的材料利用率，缩短了制造周期，降低了制造成本。
7.本发明采用的激光增材制造设备是以万瓦光纤激光器为核心，辅以送丝装置和机械手。激光增材制造设备整体自动化水平高，操作步骤简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明导丝装置的三维示意图。
图2为实施例一增材制造完成的不锈钢零件示意图。
图3为实施例一增材制造的不锈钢零件的微观组织图。
图4为实施例二增材制造完成的铝合金零件示意图。
图5为实施例二增材制造的铝合金零件的微观组织图。
其中，1表示不锈钢或铝合金焊丝，2表示导电咀，3表示锥形送丝嘴帽，4表示保护气管，5表示调节送丝角度和送丝嘴位置的调节机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详述：
实施例一
参考附图1，首先将316L不锈钢基板进行预处理，用无水乙醇清洗去油，然后用砂轮机打磨。然后用夹具将基板固定在工作台上。将316L不锈钢焊丝1安装到送丝机构中。将激光功率设置为3KW，调节激光头使离焦量达到+23mm。设置送丝速度为12m/min，激光扫描速度为8mm/s。使用调节机构5，将送丝角度α调节为55°，焊丝伸长量为15mm，根据公式
和316L不锈钢焊丝1的曲率k设置导电咀2的伸出长度L，此时焊丝1端部刚好接触到基板，并且在激光光斑中心。将保护气管4接通纯氩保护气，保护气流量调节为20L/min。进行第一层增材制造，测量第一层在增材方向上成形高度，并将此高度值设置为增材制造方向的每层偏移量，逐层进行增材制造，每层增材制造完冷却2分钟再进行下一层，直至零件制造完成。采用本实施例的方法，零件成形精度高、成形过程稳定易控制、成形效果良好，无氧化现象。将零件沿增材制造方向切割，进行力学性能测试。经过抗拉强度测试，该零件的抗拉强度在391MPa以上，力学性能出色。该不锈钢零件如图2、及微观组织图3所示。可以看出图2中不锈钢零件沉积层成形效果良好，层与层之间清晰可见，焊道表面平直均匀。图3中可以看到在温度梯度上生长的枝晶。
实施例二
参考附图1，首先将6061铝合金基板进行预处理，用无水乙醇清洗去油，然后用夹具将基板固定在工作台上。将4043铝合金焊丝1安装到送丝机构中。将激光功率设置为4KW，调节激光头使离焦量达到+16mm。设置送丝速度为9m/min，激光扫描速度为6mm/s。使用调节机构5，将送丝角度调节为55°，焊丝伸长量为12mm，根据公式
和4043铝合金焊丝1的曲率k设置导电咀2的伸出长度L，此时焊丝1端部刚好接触到基板，并且在激光光斑中心。将保护气管4接通纯氩保护气，保护气流量调节为20L/min。进行第一层增材制造，测量第一层在增材方向上成形高度，并将此高度值设置为增材制造方向的每层偏移量，逐层进行增材制造，每层增材制造完成后冷却2分钟再进行下一层，直至零件制造完成。采用本实施例的方法，零件成形精度高、成形过程稳定易控制、成形效果良好，无氧化现象。将零件沿增材制造方向切割，进行力学性能测试。经过抗拉强度测试，该零件切割后各段的抗拉强度在147MPa以上，强度稳定性好。该铝合金零件如图4、及微观组织如图5所示。可以看出图4的铝合金零件成形质量高，保护效果好，沉积层平直均匀。图5中可以看到排列整齐、方向一致的柱状晶微观结构，在枝晶间隙存在大量的Al-Si共晶相。

Claims (10)

1.一种钢及铝合金激光增材制造的导丝装置，其特征在于，该装置包括：一同时进行吹保护气和送丝的尖嘴送丝嘴；该尖嘴送丝嘴前端为导电咀及控制保护气流向的锥形送丝嘴帽，其中，导电咀从锥形送丝嘴帽中伸出；尖嘴送丝嘴后端为固定结构连接保护气管；所述的固定结构上连接用于调节送丝角度的调节机构。
2.根据权利要求1所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝装置，其特征在于，所述的伸出的导电咀长度L与送丝角度α、焊丝的曲率k、保护气口距离光丝交汇点的长度l之间满足如下关系：
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3.根据权利要求1所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝装置，其特征在于，所述的固定结构为固定块，固定块中嵌有送丝管且连通保护气管。
4.根据权利要求1所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝装置，其特征在于，调节机构中装有减缓丝材触碰到熔池底部产生的反作用力的缓冲弹簧。
5.根据权利要求1所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝装置，其特征在于，送丝嘴材料使用耐高温的钨。
6.一种钢及铝合金激光增材制造的导丝方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将不锈钢与铝合金或钛合金基板进行预处理，去油、打磨；
(2)将基板固定在工作台上，并将不锈钢与铝合金焊丝安装到送丝机构中；
(3)设置激光功率及离焦量，设置送丝速度及激光扫描速度；
(4)调节导丝装置以控制送丝嘴位置、送丝角度，调节焊丝伸长量，保证焊丝端部刚好接触到基板表面，并且处于激光光斑中心位置；
(5)接通保护气，调节保护气流量；
(6)进行第一层增材制造，测量第一层在增材方向上成形高度；
(7)将所测高度设置为增材制造方向的每层偏移量，逐层进行增材制造，直至零件制造完成。
7.根据权利要求6所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝方法，其特征在于，步骤(3)中，离焦量为正离焦16～23mm；当丝材为不锈钢时，送丝速度为10m/min～14m/min，扫描速度为7mm/s～9mm/s，激光功率为2KW～3KW；当丝材为铝合金时，送丝速度为8m/min～10m/min，扫描速度为4mm/s～8mm/s，激光功率为2KW～4KW。
8.根据权利要求6所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝方法，其特征在于，步骤(4)中，送丝角度为焊丝轴线与水平线的夹角；焊丝伸长量为焊丝伸出导电咀的距离；送丝嘴位置调节到距离基板4mm至14mm高度的范围内，送丝角度为55°～70°，焊丝伸长量为5mm～15mm。
9.根据权利要求6所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝方法，其特征在于，保护气从送丝嘴后部围绕焊丝逸出，通过外围锥形送丝嘴帽控制保护气流向，使保护气聚集在焊丝嘴外5mm至15mm范围内；保护气为纯氩保护气，保护气流量为15L/min～25L/min。
10.根据权利要求6所述的钢及铝合金激光增材制造的导丝方法，其特征在于，步骤(8)中，每增材制造一层，冷却2分钟再进行下一层增材制造。
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