CN111299837A - 一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法 - Google Patents

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郭士慧
祝宝琦
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Abstract

一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法，属于激光材料加工领域。本发明的特征在于：激光束与后置丝材的作用位置位于熔池上方；以热导焊模式熔化丝材形成熔滴，丝材的反射光预热熔滴下方的基材，同时熔滴与基材间进行冶金连接；通过工作台或激光头的升降遵循点‑线‑面‑体路线制造各种结构的金属零部件。相比于三维传热式的激光增材制造方法，该方法采用位于熔池上方的激光熔化丝材属于一维传热，可大幅降低材料的热传导损耗，提高熔化效率；另一方面，反射光对基材的预热可促进熔滴在母材上的铺展，进一步提高激光能量的利用率。此外，采用热导焊模式可避免材料剧烈蒸发蒸气的扰动，提高增材制造过程的稳定性，避免飞溅颗粒和气孔的形成。

Description

一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种送丝式增材制造方法，属于激光材料加工领域，尤其涉及一种高效激光增材制造方法。
背景技术
激光增材制造技术是近三十年以来迅速发展起来的特种加工技术。与传统精密铸造与大型锻压相比，激光增材制造技术以其特有的绿色能源——激光，辅助以计算机设计(CAD/CAM),可以生产具有复杂结构的产品，在高效利用原材料的基础上大大缩短了加工周期。激光增材制造所用材料分为粉末和丝材两种，以丝材为材料的增材制造技术具有沉积率高、成分均匀、致密性高等优点。
针对送丝式增材制造，通过调节丝材相对于熔池的位置和方向，可以保持增材制造过程中的稳定性和可重复性。通常将丝材置于激光-基材上形成的熔池前沿，利用熔池高温熔融金属熔化金属丝，以此来提高送丝过程的稳定性，并通过提高基材表面输入的激光功率来提升沉积速度。此时，当激光作用于基材的模式为热导焊时，基材对入射激光的吸收率较小，反射光损失将导致较大的激光能量浪费；而当激光作用于基材的模式为深熔焊时，则容易引入飞溅多、过程不稳定、小孔型气孔多等问题。此外，该增材制造方式下基材作为一种半无限大体，其三维热传递带来的激光能量损失将大大降低材料的熔化效率。
采用激光在丝材上深熔穿过丝材并继续预热基材的模式可明显提高材料对入射激光的吸收。但激光束在丝材上的深熔模式导致了材料剧烈蒸发蒸气的扰动问题，故而引入了增材制造过程稳定性差、飞溅颗粒多和工艺窗口窄等问题。为了克服上述问题，本发明提出一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法，该方法即可避免三维传热引入的热传导损失激光能量较大的问题，又可避免深熔模式中易于出现的焊接过程稳定性差、小孔型气孔多和飞溅颗粒多等问题，且对传统的送丝式激光增材制造技术的柔韧性没有负面影响。
发明内容
本发明的目的在于不影响传统送丝式激光增材制造过程柔性和加工成本的情况下，提供一种提高激光能量利用效率和增材制造过程稳定性的方法。增材制造过程中，在热传导模式下利用激光束熔化后置丝材，激光束与丝材作用位置距离基材上的熔池一定高度，避免三维热传导导致的激光能量损耗过大的问题，并充分利用丝材反射的激光能量对熔滴下方的基材预热，丝材上掉下的熔滴与基材进行冶金连接，从而实现一种高效的后置送丝式激光热导焊增材制造。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为在送丝式激光增材制造过程中，丝材为后置式送丝；激光光斑作用在丝材上以热传导的模式熔化丝材，可避免深熔模式中激光致强蒸发蒸气对过程的扰动，及因此引入的过程不稳定、飞溅多和小孔型气孔多等问题；光-丝作用位置距离基础上的熔池一定高度，该一维传热方式可避免三维中损耗大量已吸收激光能量的问题，提高制造过程的熔化效率；在熔化过程中，丝材熔化面反射的激光作用于基材表面，起到预热作用，故而进一步提高了激光能量利用率；丝材的熔融部分过渡到被加热的高温基材表面进行冶金连接。该方法完整的保持了传统激光送丝式增材制造的特点，但实现了更高能量转化效率和更高过程稳定性的激光增材制造过程。
为实现上述目的，本发明采用的激光束为CO2激光、固体激光(光纤激光、Nd:YAG激光和碟片激光)或半导体激光。采用后置式送丝，激光光斑在丝材上的作用位置距离基材表面高度为0.1mm～20mm；光与丝之间的夹角为5°～85°；丝材的直径为0.1mm～10mm；作用于丝材上的激光光斑直径为0.1mm～10mm；丝材与基材表面法线间的夹角小于85°。激光束在丝材表面可正离焦、负离焦或零离焦出光；激光的出光模式可连续也可脉冲。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：激光光斑以热导焊模式熔化后置式丝材，光丝作用位置高于基材上的熔池。一方面，相比于三维传热模式，采用这种一维传热的方式可大幅度降低由基材热传导带来的已吸收激光能量的损失；另一方面，相比于深熔模式的熔化过程，降低了飞溅颗粒和小孔型气孔的产生，大大提高过程的稳定性。此外，利用后置送丝可以使丝材熔化前沿反射的激光对即将熔化的基材表面起到预热作用，可以进一步提高激光的能量利用率。
附图说明
图1：后置送丝式激光增材制造方法示意图
图中各个附图标记的含义：1.基板，2.熔覆层，3.熔滴，4.激光束，5.金属丝，6.送丝嘴，7.加工方向，8.入射光，9.熔化前沿，10.反射光
图2：实施例所得熔覆层形貌及横截面形貌图
具体实施方式
本实例中，基材为10mm厚的低碳钢，表面经磨削处理；采用型号为316L不锈钢丝材，直径为1.2mm；采用IPG公司生产的型号为YLS-6000光纤激光器。加工参数分别为：扫描速度2.5m/min，激光功率为2kW，送丝速度为4.5m/min，离焦距离为10mm，光斑直径为1.06mm，光斑作用点距离基材表面2mm，激光、丝材焊丝与基材法线的角度分别为30°、15°，保护气体为纯氩气，与丝材同步送给，速度为15L/min。本发明实例最终得到连续的、成形质量良好的熔覆层，如图2所示，观察熔覆层横截面未发现气孔等缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域内技术人员可以理解，本发明的保护范围并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，任何可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法，其特征在于：激光光斑以热导焊模式熔化后置式丝材，激光光斑在丝材上的作用位置距离基材表面高度为0.1mm～20mm；丝材熔化前沿的反射光作用于基材，起到预热基材的作用；激光-丝材热导焊模式熔化的熔滴过渡到被加热后的基材，实现冶金连接；通过工作台或激光头的升降、遵循点-线-面-体路线制造各种结构的金属零部件。
2.根据权利要求1所述的一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法，其特征在于：激光与丝材之间的夹角为30°～85°；丝材的直径为0.1mm～10mm；作用于丝材上的激光光斑直径为0.1mm～10mm；丝材与基材表面法线间的夹角小于85°。
3.根据权利要求1所述的一种基于丝材热导焊的高效激光增材制造方法，其特征在于：激光束在丝材表面为正离焦、负离焦或零离焦出光；激光的出光模式为连续或者脉冲；焊接过程使用10～20L/min的保护气流量对熔池进行保护，保护气体种类为氩气或氦气。
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