CN108393587A - 一种铝合金激光-tig复合增材制造方法 - Google Patents

一种铝合金激光-tig复合增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属增材制造技术领域，提供铝合金激光‑TIG复合增材制造方法，将激光和电弧作为复合热源，采用TIG的方式，实现铝合金薄壁类(单道多层)结构的增材制造成形，包括以下步骤：S1：确定激光、电弧和丝材相对位置关系，进行基板预热处理；S2：成形铝合金激光‑TIG复合增材单道单层结构；S3‑S5：成形铝合金激光‑TIG复合增材薄壁类(单道多层)结构。本发明既改善了由于铝合金反射率较高使得当激光作为单独热源时不易成形的缺陷，又改善了当电弧作为单独热源时由于热输入量较高而造成的变形严重、成形质量较差的缺陷；适用于铝合金薄壁类(单道多层)结构的增材制造，且能有效抑制气孔缺陷的产生。

Description

一种铝合金激光-TIG复合增材制造方法
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种铝合金激光-TIG复合增材制造方法。
背景技术
随着科技发展及推广应用的需求，增材制造技术正在快速地改变传统的生产方式。增材制造技术是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，能够可控自由的添加材料，有效的弥补了传统制造技术无法实现复杂结构制造、周期长、成本高、材料浪费严重的缺陷。铝合金密度低、强度高、塑性好，具有优良的导电性、导热性和抗腐蚀性，在快速熔凝过程中温度梯度相对较小，成形件不易变形开裂。因此使用增材制造技术成形铝合金，可实现薄壁类(单道多层)结构轻量化以及大型化的制造。
目前以激光为单一热源的金属增材制造技术广泛应于各个领域，但铝合金激光增材制造却存在一定缺陷。一方面铝合金对激光的反射率极高，从而降低了成形过程中对激光能量的吸收作用；另一方面国内外对于铝合金激光增材制造多以SLM为主，但采用粉材存在着利用率低，污染环境的问题。
以电弧为单一热源的增材制造技术也是金属增材的方法之一，但由于铝合金较高的导热性使得在电弧增材制造时吸收了较多能量，导致热积累现象严重，从而产生较大的变形，影响薄壁类(单道多层)结构的精度。
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，此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；但此方法中CMT工艺在多层增材过程中容易出现未融合或夹渣等缺陷。
激光-TIG复合增材制造技术，两种热源相互作用，发挥各自优势的同时弥补各自不足。一方面电弧强化激光，稀释等离子体，预热工件，提高铝合金对激光的吸收率；另一方面激光控制电弧，使弧柱的电阻减小，场强降低，增加电弧的稳定性。激光-TIG复合增材制造技术有效改善单一热源制造铝合金的缺点，拓展铝合金增材制造加工范围，为铝合金加工提供更有效的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金激光-TIG复合增材制造方法，其可以很好地解决上述现有技术的缺点，抑制气孔缺陷问题，实现快速高质量的铝合金薄壁类(单道多层)结构的增材制造。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种铝合金激光-TIG复合增材制造方法，该制造方法基于下述结构实现，使用夹具将预热装置2固定在转向台1上方，并将基板3固定在预热装置2上方，送丝嘴5与水平方向夹角20-30°，激光头9与垂直方向夹角5-15°，焊枪10与垂直方向夹角45-60°，具体步骤如下：
S1：采用前置送丝方式，丝材直径d 1.0-1.6mm，调整送丝嘴直径D，焊丝伸出长度L，光丝间距m和钨极高度H；对基板进行预热处理，预热温度为200-300℃。
所述步骤S1中，调整送丝嘴直径D满足d+0.2mm≥D≥d+0.1mm，焊丝伸出长度L满足5d+6mm≥L≥5d+2mm，光丝间距m满足1.5d mm≥m≥0mm，钨极高度H满足1.5d mm≥H≥d mm。
S2：确定成形过程中恒定工艺参数，在预热好的基板上进行单道单层结构成形，电弧电流140-160A；成形过程中，待前一层成形后开启转向台，将基板旋转180°后关闭转向台，调整层间温度、预热温度和电弧电流进行下一层成形。
所述步骤S2中，成形过程中恒定工艺参数包括：送丝速度600-1200mm/min，激光单脉冲能量10-20J，脉冲频率20-25Hz，脉冲宽度2-8ms，光斑重叠率27.1％-83.3％。
S3：第2层至第n层层间温度为270-300℃，预热温度为200-270℃，电弧电流相对于前一层逐层减小10-15A，使第n层电弧电流范围在90-110A之间。
S4：第n+1层至第n+m层层间温度为230-260℃，预热温度为200-230℃，电弧电流对于前一层逐层减小4-8A，使第n+m层电弧电流范围在60-80A之间。
S5：第n+m+1层及以上层层间温度为200-220℃，预热温度不低于200℃，电弧电流稳定在60-80A，直至薄壁类(单道多层)结构增材成形结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的铝合金激光-TIG复合增材制造方法成本低、周期短且材料利用率接近100％，既改善了单独激光热源时由于铝合金反射率较高不易成形、要求激光功率过大的缺陷；又改善了单独电弧热源时热输入量过大而导致的变形严重、熔池塌陷的缺陷；预热装置有效的减小了电弧区与基板区的温度梯度，提高了成形过程中的层间结合性能，避免产生裂纹；转台有效的实现了往复扫描，保证薄壁类(单道多层)结构起弧位置和收弧位置的宏观质量；且激光-TIG复合增材制造铝合金薄壁类(单道多层)结构层间无明显未融合或夹渣等缺陷，并能有效改善气孔缺陷问题。综上所述，本发明对铝合金薄壁类(单道多层)结构增材制造具有重要意义。
附图说明
图1为本发明示意图。
图中：1转向台；2预热装置；3基板；4焊丝伸出长度L；5送丝嘴；6送丝嘴直径D；7丝材；8丝材直径d；9激光头；10焊枪；11钨极高度H；12光丝间距m。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种铝合金激光-TIG复合增材制造方法，使用夹具将预热装置2固定在转向台1上方，并将基板3固定在预热装置2上方，送丝嘴5与水平方向夹角25°，激光头9与垂直方向夹角10°，焊枪10与垂直方向夹角50°，制造方法包括以下步骤：
S1：采用前置送丝方式，丝材7选择直径d8为1.2mm的铝合金4043，基板3选择20mm厚铝合金6061；送丝嘴直径D6为1.3mm，焊丝伸出长度L4为10mm，光丝间距m为10mm，钨极高度H11为1.5mm；对基板3进行预热处理，预热温度300℃；
S2：在成形过程中保证送丝速度800mm/min，激光单脉冲能量17.5J，脉冲频率20Hz，脉冲宽度3ms，光斑重叠率65.3％不变；在预热好的基板3上进行单道单层结构成形，电弧电流150A；成形过程中，待前一层成形后开启转向台1，将基板3旋转180°后关闭转向台1，调整层间温度、预热温度和电弧电流进行下一层成形；
S3：第2-6层层间温度280℃，预热温度250℃，电弧电流相对于前一层逐层减小10A，使第6层电弧电流为100A；
S4：第7-12层层间温度250℃，预热温度220℃，电弧电流对于前一层逐层减小5A，使第12层电弧电流范围在70A；
S5：第13层及以上层层间温度210℃，预热温度200℃，电弧电流稳定在70A，直至薄壁类(单道多层)结构增材成形结束。
以上所述过程仅为本发明较佳的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铝合金激光-TIG复合增材制造方法，其特征在于，将预热装置固定在转向台上方，并将基板固定在预热装置上方，送丝嘴与水平方向夹角20-30°，激光头与垂直方向夹角5-15°，焊枪与垂直方向夹角45-60°，制造方法包括以下步骤：
S1：采用前置送丝方式，丝材直径d 1.0-1.6mm；调整送丝嘴直径D，焊丝伸出长度L，光丝间距m和钨极高度H；对基板进行预热处理，预热温度200-300℃；
S2：确定成形过程中恒定工艺参数，在预热好的基板上进行单道单层结构成形，电弧电流140-160A；成形过程中，待前一层成形后开启转向台，将基板旋转180°后关闭转向台，调整层间温度、预热温度和电弧电流进行下一层成形；
S3：第2层至第n层层间温度270-300℃，预热温度200-270℃，电弧电流相对于前一层逐层减小10-15A，使第n层电弧电流范围在90-110A之间；
S4：第n+1层至第n+m层层间温度230-260℃，预热温度200-230℃，电弧电流对于前一层逐层减小4-8A，使第n+m层电弧电流范围在60-80A之间；
S5：第n+m+1层及以上层层间温度200-220℃，预热温度不低于200℃，电弧电流稳定在60-80A，直至单道多层结构增材成形结束。
2.根据权利要求1所述的铝合金激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，调整送丝嘴直径D满足d+0.2mm≥D≥d+0.1mm，焊丝伸出长度L满足5d+6mm≥L≥5d+2mm，光丝间距m满足1.5d mm≥m≥0mm，钨极高度H满足1.5d mm≥H≥d mm。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，成形过程中恒定工艺参数包括：送丝速度600-1200mm/min，激光单脉冲能量10-20J，脉冲频率20-25Hz，脉冲宽度2-8ms，光斑重叠率27.1％-83.3％。
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