CN109676138B - 一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，所述方法采用金属粉末与等离子弧同轴送粉的方式，利用等离子弧热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量冲击等离子弧熔池，激励产生熔池超声能场，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的沉积层熔凝组织结构，其包括如下步骤：1）调整等离子弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域；2）设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式；3）设定激光束作用模式；4）开始成形制造过程至制造流程完成。其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

Description

一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法

技术领域

本发明涉及高效率增材制造，具体涉及一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法。

背景技术

现代增材制造（3D打印）技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件增材制造的技术基础是焊接/连接，近20年来，国内外增材制造实现了两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把激光、电子束、电弧等高能束流热源的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。

增材制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造，在航空航天、机械制造等领域，产品开发阶段，计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前，增材制造技术是传统大批量制造技术的一个补充，相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属构件的增材制造应用于产品研发，还存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不能令人满意等问题。其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。

等离子弧用于增材制造具有热效率高、熔滴沉积率高等优点，但等离子弧同轴送粉增材制造容易出现气孔缺陷，并且热输入高，容易造成金属结构内部晶粒组织粗大。脉冲激光热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点。将这两种热源结合用于增材制造，为实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造质量带来了新的可能。

CN105834428B公开了一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法，该方法借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉，借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量。利用微束等离子弧优良的电弧稳定性和挺直性，提高粉末材料的送粉精度，利用微束等离子弧能量作用集中的特性，提高粉末的熔化率和沉积率，以及提高粉末材料和成形区域对激光热源能量的热吸收率。其微束等离子弧主弧电流为30A～50A，脉冲激光束脉冲峰值功率为4kW～10kW，通过调整激光束与微束等离子弧载粉流的相对位置关系、束斑重合度以及微束等离子弧和激光束的输出能量，实现金属材料和结构的三维快速成形制造，具有成形效率高、精度高、变形小、技术适应性强等优点。但是在该技术中，脉冲激光是作为辅助热源，其频率设置的较低，不能起到冲击熔池产生超声能场的激励作用，成形构件的结构致密度较低，晶粒细化效果不明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

本发明所述的激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，所述方法采用金属粉末与等离子弧同轴送粉的方式，利用等离子弧热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量冲击等离子弧熔池，激励产生熔池超声能场，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的沉积层熔凝组织结构，其包括如下步骤：

1）调整等离子弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得出射等离子弧和出射激光束位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，等离子弧热源作用点在前，并使激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域；

2）设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：当等离子弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与等离子弧能量为任意匹配；当等离子弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与等离子弧电流脉冲的能量匹配包括：当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；需要说明的是，所述的峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲为峰值时，等离子弧电流脉冲也为峰值；当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于等离子弧电流脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配，需要说明的是，所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲为峰值时，等离子弧电流脉冲为基值；

3）设定激光束作用模式；

4）启动增材成形制造程序，等离子弧的引燃弧工作，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，然后引弧使等离子弧的主弧开始工作，同时启动激光器工作，出射激光束，激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始成形制造过程至制造流程完成。

进一步，所述等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

进一步，所述激光束的作用模式包括定点作用模式或微动扫描作用模式；定点作用模式为脉冲激光束定点作用于等离子弧熔池区域，定点作用区域为等离子弧熔池尾部，且脉冲激光束的运动速率与等离子弧热源运动速率相同；微动扫描作用模式为脉冲激光束以圆形轨迹、椭圆形轨迹、三角形轨迹、月形轨迹、直线往复轨迹等，作用于熔池区域，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

进一步，所述等离子弧主弧电流范围为30~140A，其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送粉方式为同轴送粉。

进一步，所述增材成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成增材成形制造程序。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明利用等离子弧热源作为熔化金属粉末并使其沉积成型所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量作用于等离子弧熔池区域，使等离子弧熔池受激产生超声能场。超声能场诱发熔池超声流，加速熔池中气体逸出，减少宏、微观孔隙，显著提高熔凝结构致密度。同时，超声能场诱发熔池超声脉动冲击波以及声空化效应，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，提高了熔池中的异质形核率，促进均匀形核。

2、本发明通过限定激光束参数，结合等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式和能量匹配方式，保证了等离子弧作为热源使用，脉冲激光束起到激励熔池产生超声能场的作用。当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲时，脉冲能量峰值-峰值匹配将使激光脉冲在等离子弧电流脉冲作用产生熔池的同时，在熔池中激励产生超声能场，并在熔池中诱发产生超声流、超声脉动冲击波等物理效应，影响熔池对流和固液界面晶粒形核，使熔池中气相加速逸出以及提高晶核形核率。当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲时，除了脉冲能量峰值-峰值匹配时产生的熔池超声能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激发产生超声能场，使上述对熔池的作用效果得以强化。

3、本发明的金属沉积率高，金属构件成形效率高，且制得的金属内部结构致密，晶粒均匀、细小。

4、本发明等离子弧热源稳定性好，能够采用小电流实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。

附图说明

图1是激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的等离子弧电流脉冲与激光脉冲的波形示意图；

图3是本发明实施例一中激光束的扫描轨迹示意图；

图4是本发明实施例二的等离子弧电流脉冲与激光脉冲的波形示意图；

图5是本发明实施例二中激光束的扫描轨迹示意图；

图中，1—激光器，2—等离子弧焊枪，3—等离子弧电源，4—送粉器，5—激光束，6—等离子弧，7—基板，8—成形件，9—热源行走方向，10—等离子弧电流脉冲，11—激光脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

参见图1，实现本发明方法的激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造系统包括激光器1、等离子弧焊枪2、等离子弧电源3、送粉器4和基板7，等离子弧焊枪2与等离子弧电源3连接，送粉器4输出端与等离子弧焊枪2连接，实现同轴送粉，由激光器1射出激光束4，所述基板7固定于增材制造平台上，在基板7上沉积得到成形件8。

实施例一，一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其包括如下步骤：

1、基板7采用厚度为4mm的304不锈钢板，送粉器4内的粉末材料粒度为200~300目的奥氏体不锈钢粉末，成形过程中使用的保护气体和离子气体均为纯氩气。将基板7水平固定于增材制造平台上，且基板7接等离子弧电源3正极，等离子弧焊枪2接等离子弧电源3负极。调整等离子弧焊枪2，使等离子弧焊枪出射粉末流方向与铅垂面成25°夹角，调整激光器1，使其垂直于基板7表面。再校准激光器1和等离子弧焊枪2的相对位置，以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，等离子弧热源作用点在前，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域。

2、设定等离子弧电流脉冲10与激光脉冲11的协同工作模式，等离子弧电流脉冲频率为5kHz，主弧电流设定为50A；激光器1为Q调制Nd:YAG激光器，激光脉冲频率为5kHz，脉冲激光峰值功率为20kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使等离子弧电流脉冲10与激光脉冲11为同步脉冲能量匹配。参见图2，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲11为峰值时，等离子弧电流脉冲10也为峰值。

3、设定激光束作用模式，参见图3，激光束5的微动扫描轨迹为月形轨迹，其与热源行走方向9同向运动，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池8表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

4、启动增材成形制造程序，所述增材成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成增材成形制造程序。等离子弧6的引燃弧工作，同时启动送粉器4，使送粉喷嘴喷射粉末流，送粉量为20g/min，然后引弧使等离子弧6的主弧开始工作，同时启动激光器1工作，出射激光束5。制造过程中，等离子弧热源行走速度为10mm/s，离子气流量为5L/min，保护气体的流量为20L/min。制造过程结束时，先关停激光束5出射，再熄灭等离子弧6，并停止送粉器4，延迟停止保护气，结束全部制造流程，在基板7表面得到成形件8。

该实施例制造成形效率高，适合对表面精度和制造效率要求较高的中型厚壁成形件制造。

实施例二，一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其包括如下步骤：

1、基板7采用厚度为4mm的304不锈钢板，送粉器4内的粉末材料粒度为200~300目的奥氏体不锈钢粉末，成形过程中使用的保护气体和离子气体均为纯氩气；将基板7水平固定于增材制造平台上，且基板7接等离子弧电源3正极，等离子弧焊枪2接等离子弧电源3负极。调整等离子弧焊枪2，使等离子弧焊枪出射粉末流方向与铅垂面成15°夹角，调整激光器1，使其垂直于基板7表面。再校准激光器1和等离子弧焊枪2的相对位置，以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，等离子弧热源作用点在前，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域。

2、设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，等离子弧电流脉冲频率为5kHz，主弧电流设定为50A；激光器1为Q调制Nd:YAG激光器，激光脉冲频率为40kHz，脉冲激光峰值功率为25kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲能量匹配。参见图4，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配，需要说明的是，所述的峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲为峰值时，等离子弧电流脉冲也为峰值；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲为峰值时，等离子弧电流脉冲为基值。

3、设定激光束作用模式，参见图5，激光束5的微动扫描轨迹为三角形轨迹，其与热源行走方向9同向运动，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池8表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

4、启动增材成形制造程序，所述增材成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成增材成形制造程序。等离子弧6的引燃弧工作，同时启动送粉器4，使送粉喷嘴喷射粉末流，送粉量为25g/min，然后引弧使等离子弧6的主弧开始工作，同时启动激光器1工作，出射激光束5，制造过程中，等离子弧热源行走速度为10mm/s，离子气流量为5L/min，保护气体的流量为20L/min。制造过程结束时，先关停激光束5出射，再熄灭等离子弧6，并停止送粉器4，延迟停止保护气，结束全部制造流程，在基板7表面得到成形件8。

该实施例制造成形效率高，适合对表面精度和制造效率要求较高的中型厚壁成形件制造。

Claims (5)

1.一种激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其特征在于：所述方法采用金属粉末与等离子弧同轴送粉的方式，利用等离子弧热源作为熔化金属粉末并使其沉积成形的主热源，借助高频脉冲激光能量冲击等离子弧熔池，激励产生熔池超声能场，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的沉积层熔凝组织结构，其包括如下步骤：

1）调整等离子弧焊枪和激光出射头的相对位置，使出射等离子弧倾斜作用于基板表面，出射高频脉冲激光束垂直于基板表面等离子弧作用区，且以工作台前进方向为参照，等离子弧热源在前，高频脉冲激光束在后，使得高频脉冲激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域；

2）设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：

当等离子弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲与等离子弧能量为任意匹配；

当等离子弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与等离子弧电流脉冲的能量匹配包括：

当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；

当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于等离子弧电流脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；

3）设定高频脉冲激光束作用模式；

4）启动增材成形制造程序，等离子弧的引燃弧工作，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，然后引弧使等离子弧的主弧开始工作，同时启动激光器工作，出射高频脉冲激光束，激光脉冲的频率为可听声频5～20kHz或超声频20kHz以上，激光脉冲的峰值功率不低于2kW，开始成形制造过程至制造流程完成。

2.根据权利要求1所述的激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其特征在于：所述等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其特征在于：所述高频脉冲激光束的作用模式包括定点作用模式或微动扫描作用模式；

所述定点作用模式为高频脉冲激光束定点作用于等离子弧熔池区域，定点作用区域为等离子弧熔池尾部，且高频脉冲激光束的运动速率与等离子弧热源运动速率相同；

所述微动扫描作用模式为高频脉冲激光束以圆形轨迹、椭圆形轨迹、三角形轨迹、月形轨迹或直线往复轨迹作用于熔池区域，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

4.根据权利要求1或2所述的激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其特征在于：所述等离子弧主弧电流范围为30~140A，其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送粉方式为同轴送粉。

5.根据权利要求1或2所述的激光激励超声能场辅助等离子弧载粉增材制造方法，其特征在于：所述增材成形制造程序的生成流程为：对零件三维建模，通过分层软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成增材成形制造程序。

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