CN109909616B - 一种基于低功率激光诱导tig电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统，该方法采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，根据焊接环境，设置焊枪、激光与基板之间的夹角关系，通过外加的送丝装置将不锈钢焊丝送入熔池，稳定融化并在处理后的基板上铺展，按照规划好的路线进行堆焊，逐层累加形成所需结构的不锈钢工件。本发明通过低功率激光的加入有效改善了电弧增材制造的过程，增加电弧稳定性，减少熔池不规则流动，增材墙体侧壁粗糙度得到有效改善，提高了成形质量，减少加工余量，增加了材料的利用率。本发明具有高效、节能的特点，在制造复杂的大型构件上有其出众的快速、高精度、短周期、低成本等特点。

Description

一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造 方法及制造系统

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种增材制造方法，具体而言，尤其涉及一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统。

背景技术

不锈钢的成形性好、制备简单、来源广泛、成本低廉，并且力学性能好，结构强度高，有良好的耐蚀性和耐大气腐蚀性。例如：316奥氏体不锈钢以其良好的延伸率可以应用于船体部件、飞机部件以及核电容器钢管的制造中；304不锈钢耐高温，加工性能好，韧性高，广泛应用于工业、家具装饰行业和食品医疗行业；309不锈钢耐腐蚀，耐高温性能好，主要用于锅炉、化工等行业。利用传统技术制造大型构件难度大，制造成本高，在制造过程中极易产生缺陷，力学性能较差。增材制造是一种基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。相对于传统的材料的加工技术，增材制造可以在无需模具的前提下得到所需的成形件，既可以提高效率又可以实现数字化。

激光增材制造虽成形件精度较高、技术较为成熟，但制造成本高且所涉及的金属有限，对于制造大型构件的制造周期较长；电子束增材制造对制造环境要求过于苛刻，不适合在工厂大规模生产中普及；电弧增材制造虽成形较差，加工余量较大，但是电弧能量利用率、成形效率很高，非常适合制造大型复杂构件。

在不锈钢的电弧增材制造过程中，由于不锈钢流动性较强，金属热导率较差，造成增材制造过程中成型不稳定，容易产生下榻、侧边成形不规则等问题，此时需要增加切削量，这会增加材料的加工量，出现不必要的浪费。

加上电弧本身的不稳定摆动，导致熔池不规则流淌，金属液分布不均匀，因此，即使很好控制层间温度，成形件侧面依然需要较大的加工余量，力学性仅满足不锈钢的使用性能。XiaohuiChen等人，Microstructure and mechanical properties of theaustenitic stainless steel 316L fabricated by gas metal arc additivemanufacturing.对316L不锈钢MIG电弧增材制造进行了研究，得到的墙体抗拉强度为533MP，仅略大于工业使用性能，该墙体侧壁仍有多余金属液流出，制造精度较低。TomasSKIBA等人，Microstructure and Mechanical Properties of Stainless SteelComponent Manufactured by Shaped Metal Deposition.对308不锈钢TIG增材制造进行了研究，得到的成形件抗拉强度也仅为537MP，其力学性能依然较低。

综上，不锈钢电弧增材制造大型结构件以其高效率的优点必将成为工业制造的主流方向，需要解决其瓶颈难题——较低精度和力学性能，另其更好的为大型结构件应用。

发明内容

根据上述提出采用电弧增材制造过程中所产生的成型不稳定、精度低及力学性能低等技术问题，而提供一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统。本发明主要采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过外加的送丝装置将不锈钢丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照指定路线进行堆焊，逐层累加形成所需结构的不锈钢结构件，从而起到改善电弧增材制造所存在的问题，实现高速、高质量的不锈钢电弧增材制造。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据所需不锈钢结构件的尺寸，选择使用不锈钢焊丝的直径和各焊接工艺参数；所述焊接工艺参数包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、激光功率和其他相关参数；

S2、通过软件制作所需不锈钢结构件的三维模型，利用路径规划软件将三维模型分层切片后转换为控制设备运动程序输出，得到增材制造的加工路径；

S3、根据待成形不锈钢结构件的尺寸选择适用的基板，打磨铣平所述基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上，制造前将所述基板进行预热，预热温度为50℃～200℃，所述基板底部采用预热处理，可以有效防止因基板温度较低导致表面张力不够而出现点状沉积的情况；

S4、采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，根据焊接环境，设置TIG焊枪与基板之间的位置，调整TIG电弧的角度、低功率激光的入射角度以及低功率激光与TIG电弧之间的夹角；

S5、通过外加的送丝装置将所述不锈钢焊丝送入熔池，稳定融化并在所述基板上铺展，按照步骤S1设置的工艺参数和步骤S2规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件。

进一步地，所述步骤S1中，所述不锈钢焊丝直径尺寸为0.6mm～2.0mm。

进一步地，所述步骤S1中的送丝速度为500～7500mm/min；焊接电流为50～600A；焊接速度为100～2500mm/min；激光功率为0～1000W。

进一步地，所述步骤S1中，所述其他相关参数为保护气体流量5～35L/min，保护气采用氩气，步骤S5中，堆焊过程中，保护气层间停留时间1min～20min，待所述基板温度下降到50℃～200℃时，再进行下一道堆积。

进一步地，所述步骤S4中，所述低频率激光的入射角度与所述基板垂直呈90°角，所述TIG焊枪与所述基板夹角α为10°～85°，所述不锈钢焊丝与所述基板夹角β为5°～85°。

进一步地，焊接时，为减小两侧的高度差，采用往复行走的焊接路径，起弧处多余的熔敷量与收弧处电弧吹力产生的凹坑相互弥补。

本发明在提高侧面的精度情况下，还能稳定两侧高度的增长，不会出现其他研究中两侧下榻的情况。

本发明还公开了一种低功率激光与TIG电弧复合增材制造系统，其特征在于，所述制造系统应用于上述的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法中，具体包括：

激光器，用于发射激光功率为0～1000W的激光束；

TIG焊机，用于与所述激光器配合，以低功率激光与TIG电弧作为复合热源进行焊接；

送丝装置，用于夹持不锈钢焊丝，将其送入熔池稳定融化并在基板上铺展；

焊接夹持装置，用于固定所述激光器、所述TIG焊机和所述送丝装置；

通过调整所述激光器、所述TIG焊机和所述送丝装置之间的角度及上述三者与待成形的不锈钢结构件基板之间的角度，按照规划的焊接路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件。

进一步地，所述TIG焊机的钨极距离所述基板1～8mm，所述不锈钢焊丝距离所述基板0～8mm，根据需要调整离焦量，保证低功率激光斑点打在熔池内部。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明引入的激光为低功率激光，所指的激光功率范围为0W～1000W，低功率激光不是主要热源，因此，相对于大功率激光与电弧复合增材制造，其能量消耗较少。另一方面，大功率激光与电弧复合发明技术中，激光和电弧同时提供大量热量，电弧热量主要用于熔化金属，激光热量主要用于增加熔深，这种方式对电弧的改善作用较小；而低功率激光起改善熔池和电弧的目的，压缩电弧，稳定电弧形态，而且低功率激光的能量对增材过程中热积累影响较小。

其次，对于传统单TIG电弧增材制造时，一方面电弧不稳定，另一方面，电弧作用半径较大，能量不集中。不稳定的电弧将是各部分熔池受到的电弧力不均匀，而电弧力不均匀作用导致熔融金属的发生不规则流淌、熔池铺展不均匀，当金属液受电弧力沿高度方向上收缩时，表现为层高较大，而层宽较小，当金属液受电弧力沿宽度方向上铺展时，表现为层宽较大，而层高较小；不集中的能量导致热量作用不均匀，当金属液凝固时，将导致成形件各部分力学性能产生差距。两者同时影响时将导致对于成形件每一层的层高增长不稳定，层宽边缘成形不光滑，最终导致成型件精度较低。增材过程中每一层层宽边缘成形不光滑及金属液无规律流淌，多层累积后使整体成形件侧壁不平整，最终将增加侧壁的切削量，而层高增长不稳定影响堆积抬高量，最终难以自动化生产。

本发明中低功率激光对电弧的压缩作用可以使电弧力的作用面积变小，有效的阻止了熔融不锈钢金属液不规则的收缩和铺展。熔融金属的稳定沉积保证了相对稳定的层宽和层高。同时，低功率激光的引入稳定了电弧使熔融金属的流动范围缩小，电弧能量集中且作用范围较小，因此层与层熔合过渡较好，所获得的成形件侧面成形也较好。由于低功率激光诱导TIG电弧进行增材制造，增加了堆积过程的稳定性，可以实现高速度的熔敷堆积，焊接速度较单TIG电弧增材可提高1倍以上，从而实现高效增材制造。

再次，低功率激光诱导TIG电弧进行增材制造，焊接速度能够提高，一方面提高了增材制造的效率，另一方面减少了增材制造过程中的热输入，由于单位时间内热源的移动速度增加，单位长度内的热输入减少，可实现低热输入的堆积，避免形成表面粗糙的焊缝，热输入降低优化了墙体的成形质量。

综上，本发明结合电弧和激光两种热源的优势，一方面低功率激光未带入大量的热输入，另一方面焊接速度的增加可降低总体的热输入，避免热量积累严重造成晶粒长大，有效减少了晶粒异向生长、防止树枝晶及二次枝晶的形成，使组织更加致密，提高其力学性能，如图3所示。低功率激光的诱导作用使原本明显的重熔组织与非重熔组织的结合处过渡自然，使结合处两侧组织的晶粒尺寸差距变小，如图4所示。在增材制造过程中，热源的集中作用使更多重熔组织的熔融金属参与新的沉积层的熔合，而低功率激光的搅拌作用使这个结合层被细化，使结合处两侧的熔池流动均匀，强化了原本力学性能最差的结合层。引入低功率激光后成型件的抗拉强度均有较大的提高。

本发明具有高效、节能的特点，在制造复杂的大型构件上有其出众的快速、高精度、短周期、低成本等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明增材制造方法的焊接过程示意图。

图2为本发明增材制造不锈钢结构件的往复行走路径示意图。

图中：1、激光束；2、TIG焊枪；3、不锈钢焊丝；4、基板。

图3为单TIG增材制造方法和本发明增材制造方法制造不锈钢结构件过程中的微观组织金相图，其中，(a)是采用单TIG增材制造方法，组织为较粗的柱状树枝晶，且生成大量与堆积方向(水平方向)垂直的二次枝晶，(b)是采用本发明激光诱导TIG电弧增材制造方法，柱状树枝晶较细小，仅生成少量二次枝晶。

图4为单TIG增材制造方法和本发明增材制造方法制造不锈钢结构件过程中重熔组织和未重熔组织结合处的微观金相图，其中，(a)是采用单TIG增材制造方法，结合处两侧晶粒大小差距明显，(b)是采用本发明激光诱导TIG电弧增材制造方法，结合处两侧晶粒尺寸相当，过渡自然，冶金结合良好。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、图2所示，本发明提供了一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法，包括如下步骤：

S1、根据所需不锈钢结构件的尺寸，选择使用不锈钢焊丝的直径和各焊接工艺参数，其中，所述不锈钢焊丝直径尺寸根据所述不锈钢结构件的壁厚确定，通常情况下，壁厚为2mm～15mm时，所述不锈钢焊丝直径尺寸为0.6mm～4.0mm；所述焊接工艺参数包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、激光功率和其他相关参数，所述送丝速度为500～7500mm/min；焊接电流为50～600A；焊接速度为100～2500mm/min；激光功率为0～1000W；其他相关参数为保护气体流量5～35L/min，保护气通常采用氩气(普氩，高纯氩等)。

S2、通过CAD、UG、SolidWorks、3dsmax、MAYA等软件制作所需不锈钢结构件的三维模型，导入常用的路径规划软件Materialise magics、EasyPrint 3D、RepetierHost，利用路径规划软件将三维模型分层切片，根据模型生成不同的路径，然后转换为控制设备运动程序输出，得到增材制造的加工路径；

S3、根据待成形不锈钢结构件的尺寸选择适用的基板，打磨铣平所述基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上，制造前将所述基板进行预热，预热温度为50℃～200℃；所述基板底部采用预热处理，可以有效防止因基板温度较低导致表面张力不够而出现点状沉积的情况。

S4、采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，根据焊接环境，设置TIG焊枪与基板之间的位置，调整TIG电弧的角度、低功率激光的入射角度以及低功率激光与TIG电弧之间的夹角；优选地，所述低频率激光的入射角度与所述基板垂直呈90°角，所述TIG焊枪与所述基板夹角α为10°～85°，所述不锈钢焊丝与所述基板夹角β为5°～85°。低功率激光起改善熔池和电弧的目的，压缩电弧，稳定电弧形态，而且低功率激光的能量对增材过程中热积累影响较小。低功率激光对电弧的压缩作用可以使电弧力的作用面积变小，有效的阻止了熔融不锈钢金属液不规则的收缩和铺展。

S5、采用低功率激光与TIG电弧组成的复合热源，通过外加的送丝装置将所述不锈钢焊丝送入熔池，稳定融化并在所述基板上铺展，按照步骤S1设置的工艺参数和步骤S2规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件。

焊接时，将所述TIG焊枪2、激光头和送丝嘴用夹具固定在龙门设备上，并调整角度，保证在焊接过程中同时运动。优选地，TIG焊枪钨极距离基板1～8mm，不锈钢焊丝距离基板0～8mm，根据需要调整离焦量，保证低功率激光斑点打在熔池内部，不锈钢焊丝送入熔池。

同时，焊接时，保护气层间停留时间为1min～20min，保证连续增材过程中过渡稳定，待所述基板温度下降到50℃～200℃时，再进行下一道堆积；为减小两侧的高度差，采用往复行走的焊接路径，起弧处多余的熔敷量与收弧处电弧吹力产生的凹坑相互弥补。

本发明还公开了一种低功率激光与TIG电弧复合增材制造系统，所述制造系统应用于上述的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法中，具体包括：

激光器，用于发射激光功率为0～1000W的激光束1；

TIG焊机，用于与所述激光器配合，以低功率激光与TIG电弧作为复合热源进行焊接；

送丝装置，用于夹持不锈钢焊丝3，将其送入熔池稳定融化并在基板4上铺展；

焊接夹持装置，用于固定所述激光器、所述TIG焊机和所述送丝装置，保持同时运动，具体可采用焊接龙门工装或者焊接机器人；

通过调整所述激光器、所述TIG焊机和所述送丝装置之间的角度及上述三者与待成形的不锈钢结构件基板之间的角度，按照规划的焊接路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件。

优选地，所述TIG焊机的钨极距离所述基板1～8mm，所述不锈钢焊丝距离所述基板0～8mm，根据需要调整离焦量，保证低功率激光斑点打在熔池内部。

实施例1

以下通过316不锈钢增材制造墙体为例，具体方法如下：

对于不锈钢增材制造，因其流动性较强，金属热导率较差，造成堆焊成型不稳定，容易产生下榻、侧边成形不规则等问题，此时需要增加切削量，这会增加材料的加工量，出现不必要的浪费。因此考虑引入低功率激光诱导电弧，进行不锈钢墙体的制造。

制造系统选用现有设备最大输出功率1000W的Riton LWS-1000作为低功率激光发射装置，OTC ACCUTIG-500P焊机和WF-007多功能自动氩弧填丝机(送丝装置)，，用三轴联动龙门式焊接工装夹持固定激光输出头、TIG焊枪和送丝装置。实验过程运用数控系统进行焊接操作，运用cnc2000-PIC控制系统编写程序，其中包括行走路径、行走长度、行走速度和起弧、熄弧点，控制焊接装置运动路径。

利用UG软件制作三维模型，然后导入Materialise magics软件进行路径规划，将模型切片，并生成加工路径。

基板选用300mm×200mm×20mm的Q235板材，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上，将基板预热，预热温度为100℃。

通过调节焊接电流为300A、焊接速度为1000mm/min、送丝速度为3000mm/min、激光(激光束1)功率为400W。

不锈钢焊丝3选用直径为1.6mm的GMS-316奥氏体不锈钢，保护气体选用纯度为99.9996％的高纯氩气，保护气流量为12L/min。

TIG焊枪2钨极高度为5mm，不锈钢焊丝3高度为3mm、送丝角度为20°(送丝嘴与基板4之间的角度，亦即不锈钢焊丝3与基板4之间的角度)。TIG焊枪2角度与基板4夹角β角度可调，β为30°～80°，如图1所示。

增材过程中，送丝装置将所述不锈钢焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照设置的工艺参数和规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件。稳定的电弧可以保证层高以1mm稳定增长，层宽则大致浮动于6.6mm。根据该焊接参数得到高200mm，长150mm的墙体构件。

成型件宏观成形质量相比于单电弧较高，层与层之间冶金质量良好，几乎不存在杂质和气孔等缺陷，其平均抗拉强度达到585.21Mpa，延伸率达到47.53％，具有良好的力学性能。利用常规的数据处理方式，将其侧壁轮廓曲线进行数值化处理，最小二乘法进行线性拟合，将曲线上所有点到理想直线的平均值定义为其粗糙度，计算出其粗糙度约为0.29mm，相比于点TIG电弧增材制造其成形精确度提高。观察其微观组织也未发现明显的缺陷，组织多为柱状晶和树枝晶组织，如图3(b)所示。

实施例2

以304不锈钢低功率激光诱导TIG电弧复合增材制造墙体的堆积为例，低功率激光与TIG电弧复合增材制造系统，由焊接龙门工装、最大功率1000W的激光器、TIG焊机和送丝装置构成。

具体实施方法：

利用SolidWorks软件制作三维模型，然后导入EasyPrint 3D软件进行路径规划，将模型切片，并生成加工路径。

基板选用300mm×300mm×25mm的Q235板材，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上，将基板预热，预热温度为160℃。

焊丝型号ASTM304不锈钢，直径1.2mm，保护气体选用普氩气体，保护气流量为30L/min。

调节焊机焊接电流为500A、焊接速度为2500mm/min、送丝速度为6500mm/min、激光功率为1000W。

钨极高度为6mm，焊丝高度为3mm、送丝角度为10°。

增材过程中，采用往复堆积的方法，送丝装置将所述不锈钢焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照设置的工艺参数和规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成不锈钢结构件。根据该焊接参数得到高120mm，长135mm的墙体构件。

成型件宏观成形质量较好，冶金质量良好，不存在焊接缺陷，其平均抗拉强度达到576Mpa，延伸率达到43.33％，具有良好的力学性能。其侧壁粗糙度约为0.32mm，相比于点TIG电弧增材制造其成形精确度提高。

实施例3

以308不锈钢低功率激光诱导TIG电弧复合增材制造墙体的堆积为例，低功率激光与TIG电弧复合增材制造系统，由Riton LWS-1000激光器、OTC-TIG焊机和送丝装置以及OTC焊接机器人构成。

具体实施方法：

利用3dsmax软件制作三维模型，然后导入RepetierHost软件进行路径规划，将模型切片，并生成加工路径。

基板采用200mm×200mm×10mm的Q235板材，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上，将基板预热，预热温度为80℃。

焊丝为直径0.8mm的ER308L不锈钢。

焊接电流为100A、焊接速度为200mm/min、送丝速度为800mm/min、激光功率为100W、保护气流量为10L/min。

钨极高度为3mm，焊丝高度为3.2mm、送丝角度为30°。将TIG焊枪和送丝头夹持在机器人手臂上，调整适当的距离和角度与激光头配合。

增材过程中，运用机器人控制焊接路径，采用激光在前电弧在后的焊接方法，根据该焊接参数得到高80mm，长130mm的墙体构件。

结果得到了成型质量较好，冶金结合良好，粗糙度较低的316不锈钢墙体，其平均抗拉强度达到560.5Mpa，延伸率达到41.27％，力学性能良好。其侧壁粗糙度约为0.34mm，相比于点TIG电弧增材制造其成形精确度提高。

本发明通过低功率激光的加入有效改善了电弧增材制造的过程，增加电弧稳定性，减少熔池不规则流动，增材墙体侧壁粗糙度得到有效改善，提高了成形质量，减少加工余量，增加了材料的利用率。低功率激光的诱导作用使增材制造过程更加稳定，可实现高速的增材制造，提高了增材制造的效率。低功率激光提供了稳定的阳极斑点，压缩电弧，增加了电弧中心的能量密度，低功率激光充分搅拌熔池，细化晶粒，有效提高了工件的抗拉强度，优化其力学性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法，其特征在于，采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过外加的送丝装置将不锈钢焊丝送入熔池，使不锈钢焊丝稳定融化并在基板上铺展，按照指定路线进行堆焊，逐层累加形成所需结构的不锈钢结构件，包括如下步骤：

S1、根据所需不锈钢结构件的尺寸，选择使用不锈钢焊丝的直径和焊接工艺参数；所述焊接工艺参数包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、激光功率和保护气体流量；当通过316不锈钢增材制造墙体的堆积时，焊接电流为300A、焊接速度为1000mm/min、送丝速度为3000mm/min、激光功率为400W；当通过304不锈钢增材制造墙体的堆积时，焊接电流为500A、焊接速度为2500mm/min、送丝速度为6500mm/min、激光功率为1000W；当通过308不锈钢增材制造墙体的堆积时，焊接电流为100A、焊接速度为200mm/min、送丝速度为800mm/min、激光功率为100W；

S2、通过软件制作所需不锈钢结构件的三维模型，利用路径规划软件将三维模型分层切片后转换为控制设备运动程序输出，得到增材制造的加工路径；

S3、根据待成形不锈钢结构件的尺寸选择适用的基板，打磨铣平所述基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上，制造前将所述基板进行预热，预热温度为50℃~200℃；

S4、采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，根据焊接环境，设置TIG焊枪与基板之间的位置，调整TIG电弧的角度、低功率激光的入射角度以及低功率激光与TIG电弧之间的夹角；

S5、通过外加的送丝装置将所述不锈钢焊丝送入熔池，使不锈钢焊丝稳定融化并在所述基板上铺展，按照步骤S1设置的工艺参数和步骤S2规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件；

焊接时，采用往复行走的焊接路径，起弧处多余的熔敷量与收弧处电弧吹力产生的凹坑相互弥补。

2.根据权利要求1所述的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述不锈钢焊丝直径尺寸为0.6mm~2.0mm。

3.根据权利要求1所述的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，保护气体流量5~35L/min，保护气采用氩气，步骤S5中，堆焊过程中，保护气层间停留时间1min~20min，保证连续增材过程中过渡稳定，待所述基板温度下降到50℃~200℃时，再进行下一道堆积。

4.根据权利要求1所述的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述低功率激光的入射光束与所述基板的夹角为90°，所述TIG焊枪与所述基板夹角α为10°~85°，所述不锈钢焊丝与所述基板夹角β为5°~85°。

5.一种低功率激光与TIG电弧复合增材制造系统，其特征在于，所述制造系统应用于权利要求1-4任意一项权利要求所述的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法中，具体包括：

激光器，用于发射激光功率为0~1000W的激光束；

TIG焊机，用于与所述激光器配合，以低功率激光与TIG电弧作为复合热源进行焊接；

送丝装置，用于夹持不锈钢焊丝，将其送入熔池稳定融化并在基板上铺展；

焊接夹持装置，用于固定所述激光器、所述TIG焊机和所述送丝装置，保持同步运动；

通过调整所述激光器的激光束、所述TIG焊机的TIG电弧和所述送丝装置的焊丝之间的角度，及所述激光器的激光束、所述TIG焊机的TIG电弧和所述送丝装置的焊丝与待成形的不锈钢结构件基板之间的角度，按照规划的焊接路径进行堆焊，逐层累加形成所需不锈钢结构件。

6.根据权利要求5所述的低功率激光与TIG电弧复合增材制造系统，其特征在于，所述TIG焊机的钨极距离所述基板1~8mm，所述不锈钢焊丝距离所述基板0~8mm，根据需要调整离焦量，保证低功率激光斑点打在熔池内部。

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