CN108161229A - 一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法,属于增材制造领域。针对现有的铝合金激光填丝增材制造和电弧增材制造中存在的问题,如铝合金对激光的反射率高、电弧不稳定导致成形质量较差、热输入大导致成形件组织粗大等,本发明提出采用激光‑TIG复合热源,激光与电弧的相互作用,一方面可减小热输入,成形件组织细化、强度提高;另一方面激光可稳定电弧,使得多层多道成形过程中电弧更加稳定,优化搭接效果。本发明通过调整相邻焊道间电弧电流、层间电弧电流,降低连续成形过程中的热输入,得到的成形件外形尺寸稳定、晶粒细化,且相比控制层间温度及层间停留时间,成形效率显著提高。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域,涉及一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法。
背景技术
铝合金是航空航天、交通运输等领域的重要轻质材料,随着轻量化制造的发展,铝合金结构的结构轻量化、性能复杂化成为一大发展趋势。增材制造是一种“自下而上”逐层累积的制造技术,制造灵活性高,用于增材制造的原材料有粉末和丝材两种。因丝材具有种类广泛、成本低廉、利用率高等优点,填丝式增材制造成为增材制造技术中的重要分支。
中国专利CN 106392270 A公开了一种电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法,本发明采用电弧为热源熔化铝合金丝材,可大幅降低生产成本、缩短生产周期,但电弧作为热源时热输入大,成形件变形大且晶粒粗大,强度随热输入的增大而降低。
中国专利CN 107442941 A公开了一种铝合金双丝激光增材制造方法。本专利采用激光束同时熔化两根铝合金焊丝,激光熔化后置焊丝并形成熔池,前置焊丝利用熔池的能量进行熔化,充分利用了激光束能量。但使用激光作为热源时,因激光光斑直径较小,其对焊丝的刚直性和指向性要求较高,当焊丝过粗时,焊丝不能充分熔化,而当焊丝太细时,焊丝刚直性较差,焊丝因自身的弯曲、摆动会离开激光照射区,造成熔化不充分,这都将影响铝合金成形件的质量。且由于铝合金本身的物理性质,如对激光的反射率高、热导率高等,成形铝合金结构需要较大的热输入,而反射的激光对激光镜头危害极大。
中国专利CN 106077978 A公开了一种等离子弧辅助MIG增材制造铝合金结构的方法。本专利采用等离子弧辅助MIG,既可以预热铝合金,又可以对铝合金表面进行重熔整形,且等离子弧的加入可降低热输入量和热影响区宽度,提高成形的可靠性。但等离子弧作为压缩后的电弧,其稳定性较差,与激光相比仍有一定差距。
中国专利CN 107283061 A公开了一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统。本发明采用激光-CMT复合热源,相比激光增材制造铝合金,降低了对激光功率的要求,成形困难得到很大程度的改善;相比电弧增材制造铝合金,改善了因热输入大、变形严重、熔池容易溢出或熔塌等问题。但本专利中采用恒定电流进行增材,成形过程中采用相同的层间温度,这使得成形效率大幅下降。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题,本发明提出一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法,可高质量、高效率地实现实体类铝合金结构的增材制造。
本发明采用以下技术方案:
一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法,该方法基于下述结构实现,将预热装置固定在数控系统工作台上方,并将基板固定在预热装置上方,TIG焊枪的轴线与水平面的夹角为45~70°,步骤如下:
步骤1:采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式,激光光斑直径d为0.4mm~0.8mm,焊丝的直径d1为0.8mm~3.0mm,将焊丝端部送入激光光斑近焊丝一侧边缘处,当焊丝端部与基板间竖直距离调整至0后,继续下压焊丝的距离h满足0.3d1≥h≥0.1d1;钨针端部中心与激光光斑中心间水平距离S满足5d≥S≥d;初始激光功率密度选用1×106W/cm2~6×106W/cm2;初始电弧电流I0设置为100A~200A,基板预热温度设定为2I0℃≥H≥I0℃;
步骤2:进行单层多道成形,先启动电弧,2s~6s后再同时启动送丝、激光;将数控系统工作台沿垂直扫描方向移动,以实现相邻焊道间的搭接;同层中初始激光功率密度设为1×106W/cm2~6×106W/cm2,初始焊道电弧电流设为100A~200A,之后相邻焊道的激光功率密度相对于前一焊道逐道增加0W/cm2~105W/cm2,电弧电流相对于前一焊道逐道降低0A~5A,直至第m道的激光功率密度增加至6×106W/cm2~8×106W/cm2和电弧电流降至80A~100A,第m+1道以后的激光功率密度和焊道电弧电流保持恒定;
所述的步骤2中,数控系统工作台沿垂直扫描方向移动的距离L满足(0.032I0-1.29)mm≥L≥(0.028I0-1.12)mm;
步骤3:进行多层多道成形,第1层初始激光功率密度设为1×106W/cm2~6×106W/cm2,初始焊道电弧电流为100A~200A,之后每一层的初始焊道激光功率密度相对于前一层逐层增加0W/cm2~105W/cm2,电弧电流逐层降低0A~5A,直至第n层初始焊道激光功率密度增加至6×106W/cm2~8×106W/cm2和电弧电流降至80A~100A,第n+1层以上的初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定,直至成形出需要的铝合金结构。
本发明的有益效果:本发明采用填丝式增材制造实体类铝合金结构,采用激光-TIG复合热源,激光与电弧的相互作用,一方面可减小热输入,成形件组织细化、强度提高;另一方面激光可稳定电弧,使得多层多道成形过程中电弧更加稳定,优化搭接效果。本发明通过调整相邻焊道间电弧电流、层间电弧电流,降低连续成形过程中的热输入,得到的成形件外形尺寸稳定、晶粒细化,且相比控制层间温度及层间停留时间,成形效率显著提高。
附图说明
图1所示为激光-电弧复合热源增材制造实体类铝合金结构的示意图。
图中:1数控系统工作台;2预热装置;3基板;4TIG焊枪;5激光束;6送丝嘴;7焊丝;8钨针。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步详细描述。
一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法,该制造方法基于下述结构实现,采用厚度为15mm的6061铝合金基板3,对其进行机械打磨并使用无水乙醇清理;将预热装置2固定在数控系统工作台1上方,并将基板3固定在预热装置2上方,激光偏转5°,离焦量为-1.0mm,TIG焊枪4的轴线与水平面夹角为50°,钨针8端部的高度为2.0mm,送丝嘴6的轴线与水平面夹角为10°,焊丝7选用ER4043。步骤如下:
步骤1:采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式,激光光斑直径d为0.6mm,焊丝直径d1为1.2mm,将焊丝端部送入激光光斑近焊丝一侧边缘,焊丝端部与基板3间竖直距离调整至0后,继续下压焊丝的距离h满足0.15mm,钨针8端部中心与激光光斑中心间水平距离S调整为2.0mm;将激光功率密度设为2×106W/cm2,初始电弧电流I0设置为150A,基板3预热温度设定为200℃;
步骤2:进行成形工作时,先启动电弧,4s后再同时启动送丝、激光;进行单层多道成形,数控系统工作台1沿垂直扫描方向移动的距离L为3.216mm以实现相邻焊道间的搭接,初始焊道激光功率密度为2×106W/cm2,电弧电流为150A,相邻焊道搭接过程中激光功率密度相对于前一焊道逐道增加3×104W/cm2,电弧电流逐道降低5A,直至电弧电流降至80A,之后保持恒定的激光功率密度和电弧电流;其中,扫描速度为250mm/min,送丝速度为1000mm/min,保护气体采用氩气,流量为15L/min;
步骤3:进行多层多道成形,第1层初始焊道的激光功率密度为2×106W/cm2,电弧电流为150A,之后初始焊道激光功率密度逐层降低3×104W/cm2,电弧电流逐层降低5A,直至第15层初始焊道电弧电流降至80A,并使第16层至第30层初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定。
Claims (2)
1.一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法,其特征在于,该方法基于下述结构实现,将预热装置(2)固定在数控系统工作台(1)上方,并将基板(3)固定在预热装置(2)上方,TIG焊枪(4)的轴线与水平面的夹角为45~70°,步骤如下:
步骤1:采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式,激光光斑直径d为0.4mm~0.8mm,焊丝(7)的直径d1为0.8mm~3.0mm,将焊丝(7)端部送入激光光斑近焊丝(7)一侧边缘处,当焊丝(7)端部与基板(3)间竖直距离调整至0后,继续下压焊丝(7)的距离h满足0.3d1≥h≥0.1d1;钨针(8)端部中心与激光光斑中心间水平距离S满足5d≥S≥d;初始激光功率密度选用1×106W/cm2~6×106W/cm2;初始电弧电流I0设置为100A~200A,基板(3)预热温度设定为2I0℃≥H≥I0℃;
步骤2:进行单层多道成形,先启动电弧,2s~6s后再同时启动送丝、激光;将数控系统工作台(1)沿垂直扫描方向移动,以实现相邻焊道间的搭接;同层中初始激光功率密度设为1×106W/cm2~6×106W/cm2,初始焊道电弧电流设为100A~200A,之后相邻焊道的激光功率密度相对于前一焊道逐道增加0W/cm2~105W/cm2,电弧电流相对于前一焊道逐道降低0A~5A,直至第m道的激光功率密度增加至6×106W/cm2~8×106W/cm2以及电弧电流降至80A~100A,第m+1道以后的激光功率密度和焊道电弧电流保持恒定;
步骤3:进行多层多道成形,第1层初始激光功率密度设为1×106W/cm2~6×106W/cm2,初始焊道电弧电流为100A~200A,之后每一层的初始焊道激光功率密度相对于前一层逐层增加0W/cm2~105W/cm2,电弧电流逐层降低0A~5A,直至第n层初始焊道激光功率密度增加至6×106W/cm2~8×106W/cm2以及电弧电流降至80A~100A,第n+1层以上的初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定,直至成形出需要的铝合金结构。
2.根据权利要求1所述的一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法,其特征在于,步骤2中数控系统工作台(1)沿垂直扫描方向移动的距离L满足(0.032I0-1.29)mm≥L≥(0.028I0-1.12)mm。
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GR01 | Patent grant | ||
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