CN109759707B - 一种铝合金环形件激光-tig复合热源增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金环形件激光‑TIG复合热源增材制造方法，属于增材制造领域。本发明将激光束与TIG电弧采用旁轴复合方式进行增材，采用前置送丝方式填充焊丝至复合热源的作用区域，复合热源的能量熔化焊丝，使铝合金构件组织致密、质量更好。成形过程中通过控制转向台的运动轨迹和工作台的偏移量，由外到内的环形焊道相互搭接，成形铝合金环形件。本发明结合了激光和电弧增材制造的优势，改善了单独激光成形易出现裂纹、电弧热输入大导致成形质量差的缺点，提供一种低缺陷、低成本和高性能铝合金环形件的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种铝合金环形件激光-TIG电弧复合热源增材制造方法。
背景技术
目前对于铝合金环形薄壁构件主要采用铸造成形和机械加工方法，这两种方法虽然能够满足加工精度要求，但是存在材料利用率低、加工工序复杂、加工周期时间长、生产成本高等缺点。增材制造技术可以利用三维模型直接成形出形状复杂的结构，能够有效缩短加工周期，提高产品质量。
激光-TIG复合热源增材制造技术是一种将高能量的激光和高适应性的非熔化极气体保护焊(TIG)结合起来的的优质方法。一方面激光作用下，电弧受到吸引和压缩，电流密度增加，电弧更加稳定；另一方面电弧的预热作用可提高材料对激光能量的吸收，并且电弧还可以减弱光致等离子体对激光的吸收和散射。该方法可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便捷的方法。
中国专利CN108393587A公开了一种激光-TIG复合增材制造方法，实现了对铝合金薄壁件的增材制造，但此方法不适用于环形构件的成形。
中国专利CN 108161229 A公开了一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，此方法成形过程中调整步骤繁琐，效率较低。
发明内容
本发明目的在于提供一种铝合金环形件激光-TIG复合热源增材制造方法，其可以很好地解决现有技术的缺点，实现铝合金构件稳定、高效的增材制造。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种铝合金环形件激光-TIG复合热源增材制造方法，该方法将激光束与TIG电弧采用旁轴复合方式进行增材，采用前置送丝方式填充焊丝至复合热源的作用区域，复合热源的能量熔化焊丝，使铝合金构件组织致密、质量更好。成形过程中通过控制转向台的运动轨迹和工作台的偏移量，由外到内的环形焊道相互搭接，最终成形铝合金环形件。所述的转向台做旋转运动，且成形过程中旋转方向不变；成形一层环形件转向台旋转300°～400°，下层的起始点为上层起始点旋转20°～50°；所述的工作台向环形件内侧偏移0.1mm～0.4mm。
上述铝合金环形件激光-TIG复合热源增材制造方法，具体步骤如下：
(1)将转向台固定在数控机床工作台上方，并将陶瓷电加热器固定在转向台上方，基板固定在陶瓷电加热器上方。陶瓷电加热器与温度控制箱相连，激光器与控制系统相连。基板上方设有TIG焊枪、激光器、送丝机，TIG焊枪与水平面的夹角为40°～60°，激光束与竖直面的夹角为5°～10°。基板侧面设有与温度控制箱连接的红外测温探头，调整红外测温探头位置使其光斑位于基板表面下方0.5mm～1mm，并设定温度控制箱温度为150℃～300℃。
(2)在基板上选择起始点，设定转向台为旋转运动，成形一层的旋转角度为300°～400°，转速为200mm/min～250mm/min，送丝速度为800mm/min～1400mm/min。TIG电弧的电流I0为150A～250A，电流逐层降10A～20A，直至80A。
(3)当红外测温探头测得基板温度达到设定值后，先开TIG电弧，并同时开启送丝、转向台和激光器，进行第一层成形。第一层成形结束后，下层的起始点为上层起始点旋转20°～50°，工作台向环形件内侧偏移0.1mm～0.4mm，红外测温探头上升一个成形层高度0.5mm～1.2mm。
(4)当红外测温探头测得层间温度达到设定值后时，先开TIG电弧，并同时开启送丝、转向台和激光器，进行第n层成形。该层成形结束后，下层的起始点为上层起始点旋转20°～50°，工作台向环形件内侧偏移0.1mm～0.4mm，红外测温探头上升一个成形层高度0.5mm～1.2mm。
(5)重复步骤(4)，直至完成整个铝合金环形构件。
所述的激光器采用脉冲激光器，激光单脉冲能量为15J～20J，脉冲频率为20HZ～30Hz，脉冲宽度为3ms～4ms，离焦量为-2mm～2mm。
本发明具有以下有益效果：
(1)既改善了采用单独激光热源时凝固速度快容易出现裂纹缺陷的问题，又改善了单独TIG电弧时热输入过大导致的晶粒粗大现象。
(2)与传统加工技术相比，减少加工工序，缩短加工周期，提高加工效率。
附图说明
图1为铝合金环形件激光-TIG电弧复合热源增材制造示意图。
其中：1工作台；2转向台；3陶瓷电加热器；4基板；5钨极；6TIG焊枪；7激光束；8铝合金焊丝；9激光器；10控制系统；11红外测温探头；12温度控制箱。
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。
本发明采用激光-TIG电弧复合热源，利用激光和电弧的“协同效应”实现铝合金环形件高效率、高质量的成形。步骤如下：
(1)将转向台2固定在数控机床工作台1上方，并将陶瓷电加热器3固定在转向台2上方，基板4选用15mm厚的2219铝合金板材，使用夹具将基板4固定在陶瓷电加热器3上方，调整红外测温探头11位置，使红外测温光斑位于基板成形表面下方0.5mm，设定温度控制箱12温度为150℃。
(2)在基板上选择起始点，设定转向台2为旋转运动，成形一层旋转角度为360°，转速为235mm/min；激光束7与竖直方向夹角为5°，TIG焊枪6与水平方向夹角为50°，钨极5高度为2mm；焊丝8为Φ1.2mm的ER 2319铝合金丝材，送丝速度为1000mm/min，扫描速度为250mm/min；TIG电弧电流I0为150A，电流逐层降10A，直至80A；激光参数恒定，激光单脉冲能量为20J，脉冲频率为20HZ，脉冲宽度为3ms，离焦量为-0.5mm。
(3)当基板温度达到设定值后，进行第一层成形，先开TIG电弧，再同时开启送丝、转向台2和激光器9。一层成形结束后，下层的起始点为上层起始点旋转30°，工作台1向环形件内侧偏移0.25mm，红外测温探头11上升一个成形层高度0.8mm。
(4)当层间温度到达设定值后时，进行第n层成形，先开TIG电弧，再同时开启送丝、转向台2和激光器9。一层成形结束后，下层的起始点为上层起始点旋转30°，工作台1向环形件内侧偏移0.25mm，红外测温探头11上升一个成形层高度0.8mm。
(5)重复步骤(4)，直至完成整个铝合金环形构件。
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 (1)
1.一种铝合金环形件激光-TIG电弧复合热源增材制造方法，其特征在于，该方法将激光束与TIG电弧采用旁轴复合方式进行增材，采用前置送丝方式填充焊丝至复合热源的作用区域，成形过程中通过控制转向台的运动轨迹和工作台的偏移量，由外到内的环形焊道相互搭接成形，最终成形铝合金环形件；所述转向台做旋转运动，成形过程中旋转方向不变；工作台向环形件内侧偏移；具体包括以下步骤：
(1)将转向台固定在数控机床工作台上方，将陶瓷电加热器固定在转向台上方，基板固定在陶瓷电加热器上方；陶瓷电加热器与温度控制箱相连，激光器与控制系统相连；基板上方设有TIG焊枪、激光器、送丝机，TIG焊枪与水平面的夹角为40°～60°，激光束与竖直面的夹角为5°～10°；基板侧面设有与温度控制箱连接的红外测温探头，调整红外测温探头位置使其光斑位于基板表面下方0.5mm～1mm，并设定温度控制箱温度为150℃～300℃；
(2)在基板上选择起始点，设定转向台为旋转运动，成形一层的旋转角度为300°～400°，转速为200mm/min～250mm/min，送丝速度为800mm/min～1400mm/min；TIG电弧的电流I0为150A～250A，电流逐层降10A～20A，直至80A；
(3)当红外测温探头测得基板温度达到设定值后，先开TIG电弧，并同时开启送丝、转向台和激光器，进行第一层成形；第一层成形结束后，下层的起始点为上层起始点旋转20°～50°，工作台向环形件内侧偏移0.1mm～0.4mm，红外测温探头上升一个成形层高度0.5mm～1.2mm；
(4)当红外测温探头测得层间温度达到设定值后时，先开TIG电弧，并同时开启送丝、转向台和激光器，进行第n层成形；该层成形结束后，下层的起始点为上层起始点旋转20°～50°，工作台向环形件内侧偏移0.1mm～0.4mm，红外测温探头上升一个成形层高度0.5mm～1.2mm；
(5)重复步骤(4)，直至完成整个铝合金环形构件；
所述的激光器采用脉冲激光器，激光单脉冲能量为15J～20J，脉冲频率为20HZ～30Hz，脉冲宽度为3ms～4ms，离焦量为-2mm～2mm。
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