CN111558810A - 一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，先建模，利用切片分层软件对模型进行分层和路径规划；然后开始增材制造，进行第一层材料在增材制造基板上的堆叠和凝固；再进行第一层的减材铣削，铣刀将工件表面铣削平整，并将四周铣削至目标尺寸；然后进行激光冲击强化前的准备工作，通过自动化约束层‑吸收层敷设设备，在工件表面敷设吸收层铝箔，并且固定约束层玻璃；再进行第一层的激光冲击强化处理；去除玻璃以及铝箔，进行下一层材料的堆叠和凝固，重复直至试样制备完毕；本发明将激光冲击强化和增减材制造技术相结合，在激光冲击强化处理过程中引入约束层和吸收层，提升激光冲击强化处理的效果。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺。
背景技术
增材制造(Additive manufacturing，简称AM)是一种基于离散-堆积原理，并由三维数据驱动，进而直接成形零件的先进制造技术。其中，丝材电弧增材制造(Wire arcadditive manufacturing，简称WAAM)由于其制造效率和材料利用率相较于传统制造工艺更高而在世界范围内受到了大量研究。另外，丝材电弧增材制造成型的工件为全焊缝金属，具有致密度高，化学成分均匀的特点，其力学性能优于铸造件，经过后处理其部分性能可达到锻件标准。
然而，丝材电弧增材制造成型的工件存在尺寸精度低、表面质量差、内部残余拉应力、组织分布不均匀以及内部气孔等缺陷。为弥补这些缺陷，近几年发展了增材-减材复合制造工艺，这种工艺在丝材电弧增材制造完成一层材料的堆积后对已沉积层进行铣削，以确保其尺寸精度。中国专利(公开号CN 209632125U)公布了一种增减材复合加工设备，其中集成了激光增材制造和三轴CNC机床，以实现对增材制造过程中尺寸精度的提升。中国专利(公开号CN 207026966U)中公布了一种用于大型复杂金属构件的增减材制造设备，该设备集成了激光同轴送粉、电弧丝材增材制造和减材铣削设备，从而实现大尺寸、高沉积效率的同时实现精细化结构的制造。
通过这种增材-减材复合制造的方式，能够极大的提升WAAM成型构件的尺寸精度，但对于其他的缺陷形式所起到的改善作用却非常有限，因此需要更强力的技术来对其成型工件性能进行进一步的提升。
激光冲击强化技术(Laser shock peening,简称LSP，又称作激光喷丸技术)，是一种表面工艺，其系统包括高能脉冲激光器、约束层和吸收层，约束层一般选择玻璃或流动水，吸收层一般选择铝箔、橡胶或黑漆。一方面，高功率脉冲激光对材料表面进行冲击，能够在改善其残余应力分布情况；另一方面，在近表层区域增加该区域内部的位错密度，在后续的热处理过程中促使内部晶粒发生再结晶。LSP对构件表面造成的冲击压力能够达到GPa量级，远远高于一般的机械冲压的压力，能够更加显著的提升试件的力学性能。
针对丝材电弧增材制造与激光冲击强化复合工艺而言，由于丝材电弧增材制造过程中操作温度较高，常用的水约束层会蒸发，无法起到约束等离子体的作用，采用沸点较高的油又会导致工件表面难以清理，因此，玻璃是一种比较理想的约束层材料。但是丝材电弧增材制造工件表面质量难以保证，水平高度不均匀导致玻璃也无法发挥作用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，将激光冲击强化和增减材制造技术相结合，通过铣削系统对增材制造工件表面进行平整加工，从而能够在激光冲击强化处理过程中引入约束层和吸收层，提升激光冲击强化处理的效果。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，包括以下步骤：
1)通过计算机CAD软件三维建模，利用增材制造系统专用切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
2)开始增材制造过程，进行第一层材料在增材制造基板上的堆叠和凝固；
3)进行第一层的减材铣削过程，铣刀将工件表面铣削平整，并将四周铣削至目标尺寸；
4)进行激光冲击强化前的准备工作，通过自动化约束层-吸收层敷设设备，在工件表面敷设吸收层铝箔，并且固定约束层玻璃；
5)进行第一层的激光冲击强化处理；
6)去除玻璃以及铝箔，进行下一层材料的堆叠和凝固；
7)重复步骤3)-6)直至试样制备完毕。
所述的步骤1)建模过程中，应留出铣削余量，综合考虑成型效率，使其在后续的成型过程中一方面能够进行铣削，使其得到最终精确尺寸试样；另一方面能够保证铣削过程相对于增材制造-后处理过程和成型过程高的成型效率和材料利用率。
所述的步骤2)增材制造采取丝材电弧增材制造工艺，在制造过程中对增材制造基板进行预热，从而减少在制造过程中由于高热量变化产生的残余应力，并且避免后续的铣削处理中由于产生残余应力释放而导致的翘曲变形；具体的预热温度依据处理材料的不同而选择不同的温度。
所述的步骤3)减材铣削过程采用多种系统实现，包括三轴CNC系统或工业机器人系统，依据不同的表面精度需求选择不同的刀具转速以及工件进给速率；无论采用何种系统，皆无需将带有已沉积部分材料的增材制造基板从其工位取下，以免造成增材制造过程中由于重复定位造成的误差。
所述的步骤5)激光冲击强化采用的系统包括高能脉冲激光发射器及导光系统，高能脉冲激光发射器为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，其具体技术参数为：可变光斑直径0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz；在选择参数时，一方面应当保证激光冲击强化的能量密度，另一方面也应当尽量提高工作效率；通过导光臂，实现水平输出的激光向空间种任一方向的输出。
所述的步骤4)自动化约束层-吸收层敷设设备能够携带并自动敷设包括铝箔、黑色胶带在内的带状吸收层，以及透明玻璃或是透明橡胶材质的固体约束层。
本发明和现有的技术相比，其有益效果为：
1.本发明通过增减材制造和激光冲击强化相结合，能够获得尺寸精度更高的试样。由于减材铣削的加入，激光冲击强化能够在冲击过程使用玻璃作为约束层。一方面，铣削表面使其平整能够提升试样的尺寸精度，另一方面由于约束层能使高能脉冲激光产生的等离子体扩散被极大的抑制，使得在相同功率密度的情况下获得更高的峰值压力。另外，更加平整的表面可以使激光冲击强化对相同深度的材料起到更加一致的强化效果，从而使其产生的残余压应力分布更加均匀，在后续的热处理中发生再结晶而产生的微观组织也更加均匀可控。
2.本发明采用更高的峰值压应力能够增大冲击区域的位错密度，更高的位错密度也能使其在再结晶过程中产生更小的细化晶粒。这些细化晶粒能够进一步提升试样的机械性能，使其获得更好的强度同时兼具较强的韧性。
3.本发明冲击强化效果能够更加有效的击溃近表层存在孔隙部位的上方薄层金属，该层金属被击溃后，能使内部孔隙暴露出来，在后续沉积过程中，流动的材料能够将其填补，从而起到内部缺陷修复作用。另外，铣削也能够起到一定程度的类似效果，将表面层铣削掉后，恰好处于铣削层的气孔与裂纹也会暴露出来，便于后续沉积层对其进行修复。
4.本发明在冲击强化过程中预热基板使得组织中引入了动态时效应变和动态析出的效果，在动态析出中所产生的析出相产生的位错钉扎效应能够提升激光冲击强化产生残余压应力的稳定性，并且增加位错密度，使试样的机械性能更加稳定。
5.由于残余压应力层的引入，本发明能够减小增材制造过程中由于金属凝固收缩而导致的翘曲变形，从而达到防止层间开裂的效果；另外，在水平方向上的压应力能够闭合已成型的孔隙，进一步减少金属增材制造试样内部缺陷。
6.本发明后一层的堆积材料能够对前一层堆积材料起到在线热处理作用。这是由于激光冲击强化能够在材料内部形成高密度位错，后续沉积层输入的热量能够在高密度位错区域诱发再结晶，形成细小晶粒，通过这种方式，改变了丝材电弧增材制造原始沉积材料中的柱状粗晶，提升构件抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳强度。
附图说明
图1为本发明工艺过程流程图。
图2为本发明实施例所采用的设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，包括以下步骤：
1)选用常见的铝合金焊丝AA5183作为生产原料，用计算机CAD软件进行三维建模，试样尺寸为100mm*20mm*10mm，并利用WAAM专用切片分层软件对模型进行分层和路径规划，在路径规划时考虑到由于热变形产生的翘曲现象，采用合理路径；
2)开始增材制造过程，如图2所示，丝材电弧增材制造工业机器人4开始工作，工作前预热增材制造基板，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；在丝材电弧增材制造工艺沉积过程中，送丝速度为15.0m/min，打印头运行速度12mm/s，电流范围230-240A，电弧电压32-33V，线喷嘴距离15mm，保护气体为70％He和30％Ar的混合气体；整个制造过程和后续的减材和处理过程在增材制造基板及水平X-Y轴移动平台6上进行，增材制造基板及水平X-Y轴移动平台6整体位于剪叉式垂直移动平台7上以实现上下平移；
3)完成第一层材料沉积后，焊枪后退，装有铣刀的工业机器人1进入工作区域，进行第一层的减材铣削过程，为使激光冲击强化效果发挥到最强，且考虑到丝材电弧增材制造工艺沉积材料单层厚度较大，因此每沉积一层即进行一次铣削；铣刀将工件表面铣削平整，并将四周铣削至目标尺寸；
为使切削过程中产生的热量以及加工产生的残余应力释放不对试样造成大的影响，采用较慢的切削速度以及较高的刀头转速进行切削；
4)完成表面及周边平整化铣削后，通过自动化约束层-吸收层敷设设备2，在试样表面敷设吸收层铝箔，并且固定约束层玻璃；
本实施例的铝箔为3M公司生产厚度为120μm的铝箔胶带，约束层玻璃为厚度3mm的K9玻璃；
5)进行第一层的激光冲击强化处理，保护层和约束层放置完毕后，位于试样上方的激光冲击强化系统开始工作，激光冲击强化系统包括高能脉冲激光发射器及导光系统，高能脉冲激光发射器水平放置于光学平台5上，其发射出的脉冲激光由安装在激光光路框架3上的导光臂传导至试样表面，整个试样底座位于滑台上，用于控制其水平两个方向的移动，并且通过调节试样表面与激光器透镜之间的距离来实现对光斑大小的调整；
高能脉冲激光发射器为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，激光冲击强化参数为：光斑直径4mm，纵向重叠率50％，横向重叠率50％，单脉冲能量为16J，脉宽8ns，重复频率5Hz，峰值压力为6.244GPa；
6)自动化约束层-保护层敷设设备2去除玻璃以及铝箔，丝材电弧增材制造工业机器人4进行下一层材料的堆叠和凝固；
7)重复步骤3)-6)直至试样制备完毕；对其进行后处理，获得尺寸精度高并且微观组织得到优化的试样。
Claims (6)
1.一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过计算机CAD软件三维建模，利用增材制造系统专用切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
2)开始增材制造过程，进行第一层材料在增材制造基板上的堆叠和凝固；
3)进行第一层的减材铣削过程，铣刀将工件表面铣削平整，并将四周铣削至目标尺寸；
4)进行激光冲击强化前的准备工作，通过自动化约束层-吸收层敷设设备，在工件表面敷设吸收层铝箔，并且固定约束层玻璃；
5)进行第一层的激光冲击强化处理；
6)去除玻璃以及铝箔，进行下一层材料的堆叠和凝固；
7)重复步骤3)-6)直至试样制备完毕。
2.根据权利要求1所述的一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，其特征在于：所述的步骤1)建模过程中，应留出铣削余量，综合考虑成型效率，使其在后续的成型过程中一方面能够进行铣削，使其得到最终精确尺寸试样；另一方面能够保证铣削过程高的成型效率和材料利用率。
3.根据权利要求1所述的一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，其特征在于：所述的步骤2)增材制造采取丝材电弧增材制造工艺，在制造过程中对增材制造基板进行预热，预热温度依据处理材料的不同而选择不同的温度。
4.根据权利要求1所述的一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，其特征在于：所述的步骤3)减材铣削过程采用多种系统实现，包括三轴CNC系统或工业机器人系统，依据不同的表面精度需求选择不同的刀具转速以及工件进给速率；无论采用何种系统，皆无需将带有已沉积部分材料的增材制造基板从其工位取下。
5.根据权利要求1所述的一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，其特征在于：所述的步骤4)激光冲击强化采用的系统包括高能脉冲激光发射器及导光系统，高能脉冲激光发射器为采用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光发射器，其技术参数为：可变光斑直径0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz；在选择参数时，一方面应当保证激光冲击强化的能量密度，另一方面也应当尽量提高工作效率；通过导光臂，实现水平输出的激光向空间种任一方向的输出。
6.根据权利要求1所述的一种增减材和激光冲击强化复合的金属丝材增材制造工艺，其特征在于：所述的步骤4)自动化约束层-吸收层敷设设备能够携带并自动敷设包括铝箔、黑色胶带在内的带状吸收层，以及透明玻璃或是透明橡胶材质的固体约束层。
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