CN109759710B - 一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，所述方法利用电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的熔凝组织结构，其包括如下步骤：1）调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置；2）设定电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）启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，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

一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法

技术领域

本发明涉及三维成形制造，具体涉及一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法。

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。

电弧增材制造技术具有成本低、效率高、可控参数多、力学性能良好、金属材料的适用性好等优点，但是也存在一些需要解决的问题：成型精度与净成型零件有一定的差距、残余应力较大、熔池可控性不好等。在传统焊接技术中，熔化极气体保护焊具有焊接焊接电流大、焊接效率较高等优点，但电弧不稳定，成形过程中熔池容易外溢和塌陷；非熔化极气体保护焊焊接稳定，但焊接电流小，焊接效率低。

电弧用于增材制造具有热效率高、熔滴沉积率高等优点，但电弧的热输入较高，容易造成金属结构内部晶粒组织粗大。开放的气体保护电弧作用环境也容易在成形过程形成气孔缺陷。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。

CN105772945B公开了一种基于协同脉冲激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法，其设计了电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，从而获得有利于三维快速成形制造的熔滴过渡模式和传热模式。利用脉冲激光与材料作用产生的激光等离子体抑制脉冲电弧的不稳定性，利用激光和电弧协同脉冲实现两种能量源的充分融合，并提高材料对热源能量的热吸收率，利用脉冲MIG电弧提供的热量，实现对自动同步送进的金属丝材的熔化，并形成熔滴，使其实现堆积成形，利用设计的脉冲MIG电弧脉冲模式实现相对较低的平均热输入，降低成形构件的内应力和热变形。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，不能起到振荡熔池的作用，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基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，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。

本发明所述的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，利用电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，形成致密且细晶的熔凝组织结构。其包括如下步骤：

1）调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得激光出射方向与电弧出射方向沿铅锤线对称分布，两者之间的夹角为5~10°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域；

2）设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：当电弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与电弧能量为任意匹配；当电弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与电弧电流脉冲的能量匹配包括：当电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；当电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于电弧电流脉冲频率，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）设定激光束作用模式为微动扫描模式，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，微动扫描区域为电弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3熔池表面积，微动扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

4）启动增材成形制造程序，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，高频脉冲激光仅起到振荡熔池的作用，不作为热源使用，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，开始成形制造过程至制造流程完成。

进一步，所述电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

进一步，所述电弧的平均脉冲电流范围为80~140A，其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝。

进一步，所述电弧为金属熔化极气体保护电弧、钨极气体保护电弧或等离子弧。

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、本发明利用电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量作用于电弧熔池区域，使电弧熔池产生声频或超声频振荡，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，高频脉冲激光振荡熔池产生的高频振荡波以及声空化效应，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，结合电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式和能量匹配方式，保证了电弧作为热源使用，激光束起到振荡熔池的作用。当电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电弧电流脉冲作用产生熔池的同时在熔池中激发产生辅助振动能场，并在熔池中诱发产生脉动冲击波，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。当电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辅助振动能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激发产生辅助振动能场，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、本发明电弧热源稳定性好，能够实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。

附图说明

图1是基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的电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电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—电弧焊枪，3—电弧电源，4—激光束，5—电弧和金属丝材，6—基板，7—成形件，8—熔池，9—激光脉冲，10—电弧电流脉冲，11—热源行走方向。

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，实现本发明方法的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造系统包括激光器1、电弧焊枪2、电弧电源3和基板6，电弧焊枪2与电弧电源3连接，由激光器1射出激光束4，所述基板6固定于增材制造平台上，在基板6上沉积得到金属成形件7。

所述电弧焊枪2出射的电弧为金属熔化极气体保护电弧、钨极气体保护电弧或等离子弧中的一种，根据具体材质合理选择。

实施例一，一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其包括如下步骤：

1、采用厚度为4mm的6061铝合金板作为基板6，直径为1.2mm的AlSi系铝合金焊丝作为金属丝材，电弧采用气保护直流脉冲TIG电弧，激光器1为Q调制Nd:YAG激光器。将基板6水平固定于增材制造平台上，且基板6接电弧电源3负极，金属丝材接电弧电源3正极。调整电弧焊枪2，使电弧和金属丝材5出射方向与铅垂面成5°夹角，调整激光器1，使激光束4与电弧5出射方向沿铅锤线对称分布，且与电弧5出射方向成10°夹角。再校准激光器1和电弧焊枪2的相对位置，使得出射电弧、出射金属丝和出射激光束4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，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池8尾部区域；

2、设定电弧电流脉冲10与激光脉冲9为同步脉冲。其中电弧的电流脉冲频率为5kHz，电弧的电流平均值为140A，电压平均值为18V。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，使电弧电流脉冲与激光脉冲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9为峰值时，电弧电流脉冲10也为峰值。

3、设定激光束作用模式，参见图3，激光束4的微动扫描轨迹为月形轨迹，其与热源行走方向11同向运动，微动扫描区域为电弧熔池8尾部，且微动扫描区域面积≥1/3电弧熔池8表面积，微动扫描频率与电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。激光器1工作，出射激光束4，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，成形制造过程开始。成形过程中电弧热源行走速度为12mm/s，使用的保护气体为纯氩气，保护气体的流量为20L/min。制造过程结束时，先关停激光束4出射，再熄灭电弧和停止送丝，并延迟停止保护气，结束全部制造流程，在基板6表面得到成形件7。

该实施例制造成形效率高，适合对表面精度要求不苛刻的大型厚壁成形件制造。

实施例二，一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其包括如下步骤：

1、采用厚度为4mm的6061铝合金板作为基,6，直径为1.0mm的AlSi系铝合金焊丝作为金属丝材，电弧采用气保护直流脉冲TIG电弧，激光器1为Q调制Nd:YAG激光器。将基板6水平固定于增材制造平台上，且基板6接电弧电源3负极，金属丝材接电弧电源3正极。调整电弧焊枪2，使电弧和金属丝材5出射方向与铅垂面成5°夹角，调整激光器1，使激光束4与电弧5出射方向沿铅锤线对称分布，且与电弧5出射方向成10°夹角。再校准激光器1和电弧焊枪2的相对位置，使得出射电弧、出射金属丝和出射激光束4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，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池8尾部区域；

2、设定电弧电流脉冲10与激光脉冲9为异步脉冲。其中电弧的电流脉冲频率为5kHz，电弧的电流平均值为100A，电压平均值为16V。激光脉冲频率为20kHz，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，使电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，包括两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。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9为峰值时，电弧电流脉冲10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9为峰值时，电弧电流脉冲10为基值。

3、设定激光束作用模式，参见图5，激光束4的微动扫描轨迹为三角形轨迹，其与热源行走方向11同向运动，微动扫描区域为电弧熔池8尾部，且微动扫描区域面积≥1/3电弧熔池8表面积，微动扫描频率与电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。激光器1开始工作，出射激光束4，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，成形制造过程开始。成形过程中电弧热源行走速度为10mm/s，使用的保护气体为纯氩气，保护气体的流量为15L/min。制造过程结束时，先关停激光束4出射，再熄灭电弧和停止送丝，并延迟停止保护气，结束全部制造流程，在基板6表面得到成形件7。

该实施例制造成形效率高，适合对表面精度要求不苛刻的大型厚壁成形件制造。

Claims (5)

1.一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：所述方法利用电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，形成致密且细晶的熔凝组织结构，其包括如下步骤：

1）调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得激光出射方向与电弧出射方向沿铅锤线对称分布，两者之间的夹角为5~10°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域；

2）设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：

当电弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与电弧能量为任意匹配；

当电弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与电弧电流脉冲的能量匹配包括：

当电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；

当电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于电弧电流脉冲频率，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）设定激光束作用模式为微动扫描模式，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，微动扫描区域为电弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3熔池表面积，微动扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

4）启动增材成形制造程序，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，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，开始成形制造过程至制造流程完成。

2.根据权利要求1所述的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：所述电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所述的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：所述电弧的平均脉冲电流范围为80~140A，其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝。

4.根据权利要求1或2所述的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：所述电弧为金属熔化极气体保护电弧、钨极气体保护电弧或等离子弧。

5.根据权利要求1或2所述的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，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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