CN111716003B - 铝合金脉冲激光-tig电弧复合增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

铝合金脉冲激光‑TIG电弧复合增材制造装置及方法，沿增材制造方向，TIG焊枪和焊丝依次设置在激光器的后方，在TIG焊枪的钨针尖端和增材制造基材之间形成脉冲电弧，同时在TIG焊枪的钨针尖端和焊丝端部之间形成对焊丝预热的热丝电弧；TIG焊枪和送丝机构由超声变幅杆控制其沿增材制造方向振动。本发明脉冲激光束在前，之后两个电弧的复合型结构，能够使焊丝熔化后在熔池后方填送液态熔滴，由于TIG焊枪和焊丝是同步沿增材制造方向振动的，这样焊丝熔化形成的熔滴在熔池后方的振动作用下进入到熔池内后，能够促进液态熔滴合金元素与熔池金属混合扩散的均匀性，进而更好的提高焊缝组织的均匀性提高焊缝综合性能。

Description

铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及到金属材料的增材制造领域，具体的说是一种铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置及方法。

背景技术

铝合金具有良好的耐腐蚀性、塑性良好等优点，因此其广泛应用于航空航天、汽车等领域具有极其重要的应用价值和应用前景。

增材制造也就是常说的3D打印技术，是通过一层层堆积的方式将数字化模型直接制造出三维实体零件的一种技术。与传统的制造技术相比，增材制造技术可以制造形状复杂、难加工的材料，而且缩短了从设计到制造的时间，降低了制造成本以及制造风险，增材制造技术在航空航天、生物医学等领域具有非常重要的应用前景。

目前，国内外关于铝合金增材制造的填充材料主要是粉末材料，而对于丝基（焊丝）增材制造的研究较少。而对于铝合金丝基增材制造方法，主要有方法包括：激光增材制造、电子束增材制造、TIG增材制造和MIG增材制造。其中，激光束增材制造过程中需要激光的能量熔化焊丝，但激光的光斑直径较小（一般为0.2mm），在这种情况下，焊丝的轻微波动就会造成焊丝熔化的不充分，影响增材制造工件的质量；而且固体焊丝（如：铝合金焊丝）对激光能量的反射率较高，导致能量吸收率低、焊接效率低；

电子束增材制造同样存在上述问题，而且电子束增材制造需要在真空环境进行，本身对设备的要求较高，造成制造成本高、焊接效率低；

TIG增材制造中，电弧较为稳定但是焊接速度较低，增材制造效率低；

MIG增材制造中，为提高焊丝的熔化率而提高焊接电流造成的对增材制造材质的热输入过大，进而会造成增材制造工件变形量大、组织晶粒粗大、力学性能差的缺陷。

公开日为2020.02.18的中国专利《一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法》，公开了通过采用低功率光纤激光与MIG电弧作为复合热源，通过熔化高熵合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需高熵合金结构件；公开日为2018.12.25的中国专利《铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件》，公开了通过采用低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧作为复合热源，通过熔化铝合金焊丝在基板上指定路径上进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需铝合金结构件。

这两篇专利文件的主要问题均是在增材制造过程中为提高焊丝的熔化率而提高焊接电流，导致增材制造材质的热输入过大，进而造成增材制造工件变形量大、组织晶粒粗大、力学性能差的缺陷，而且MIG电弧在增材制造过程中也容易出现液态金属飞溅的情况，影响增材制造工件的质量。

发明内容

为了解决现有铝合金增材制造方法存在的上述缺陷，本发明提供了一种铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置及方法，该装置是利用脉冲激光和TIG焊枪形成的脉冲电弧复合，同时利用热丝电源在TIG焊枪和焊丝之间形成热丝电弧，三者共同作用，来解决焊丝熔化率低、焊接质量差的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置，包括热丝电源、TIG脉冲电源、TIG焊枪、发射激光束的激光器和送丝机构驱动的焊丝，沿增材制造方向，TIG焊枪和焊丝依次设置在激光器的后方，且TIG脉冲电源的负极和正极分别与TIG焊枪和增材制造基材连接，从而在TIG焊枪的钨针尖端和增材制造基材之间形成脉冲电弧，所述热丝电源的负极和正极分别与TIG焊枪和焊丝连接，从而在TIG焊枪的钨针尖端和焊丝端部之间形成对焊丝预热的热丝电弧；所述TIG焊枪和送丝机构由夹具固定为一体，且该夹具由一超声变幅杆控制其沿增材制造方向振动，进而带动TIG焊枪和焊丝沿增材制造方向同步振动。

作为上述增材制造装置的一种优化方案，所述脉冲电弧与激光束在增材制造基材的落点复合。

作为上述增材制造装置的另一种优化方案，所述超声变幅杆的超声振动频率为5-900kHz，且其带动TIG焊枪和焊丝的振动幅度为1-100um。

作为上述增材制造装置的另一种优化方案，所述激光器的输出类型为脉冲输出，从而使其发出的激光束为脉冲激光，且其频率与TIG脉冲电源的脉冲频率一致。

作为上述增材制造装置的另一种优化方案，所述TIG焊枪内具有与保护气源连通的送气管路，该送气管路使保护气喷出后将脉冲电弧与增材制造基材接触的位置保护起来。

上述铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：

1）在增材制造基材的上方安置激光器，并沿增材制造方向，在激光器的后方依次安置TIG焊枪和送丝机构，并使用夹具将TIG焊枪和送丝机构固定为一体；

2）将夹具与超声变幅杆连接固定，将TIG脉冲电源的负极和正极分别与TIG焊枪和增材制造基材连接，将热丝电源的负极和正极分别与TIG焊枪和焊丝连接；

3）启动激光器使其发出脉冲激光束照射到增材制造基材上，并开启保护气，使保护气将脉冲电弧与增材制造基材接触的位置保护起来；

4）依次启动TIG脉冲电源、热丝电源、送丝机构和超声变幅杆，逐层实现铝合金增材制造。

上述铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置的使用方法，所述焊丝与水平面的夹角β为20-70°，送丝速度为0.2-20m/min，焊丝直径为0.8-3mm，热丝电源的电流为50-400A，TIG电源的电流为20-300A，TIG焊枪的钨针与增材制造基材的距离为0-6mm，TIG焊枪与水平面的夹角θ为40°-80°；所述激光束与水平面的夹角a为70°-90°，激光功率100-5000W，激光频率10-50Hz，激光脉宽1-10ms，保护气流量10-40L/min，焊接速度0.2-10m/min；所述超声变幅杆的振动频率为5-900kHz，振动幅度为1-100um，所述TIG脉冲电源产生的脉冲电弧的脉冲频率为3-10Hz，脉宽1-10ms。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明的脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置中，沿焊接方向，脉冲激光束在前，TIG焊枪和增材制造基材之间产生的脉冲电弧在中间，热丝电源和焊丝之间产生的热丝电弧在最后，这种复合型结构，能够使焊丝熔化后在熔池后方填送液态熔滴，而且，由于TIG焊枪和焊丝是由超声变幅杆控制两者同步沿增材制造方向振动的，这样焊丝熔化形成的熔滴在熔池后方的振动作用下进入到熔池内后，能够促进液态熔滴合金元素与熔池金属混合扩散的均匀性，进而更好的提高焊缝组织的均匀性提高焊缝综合性能，同时可以保护焊接熔池防止其氧化；

2）本发明中，在夹持TIG焊枪和焊丝的夹具上增加一个超声变幅杆，从而使夹具夹持TIG焊枪和焊丝沿增材制造方向振动，进而使熔池冷却速度减小，并对熔池进行搅拌，促进气孔破碎并在熔池凝固前逃逸出熔池，利于提高增材制造工件成形质量；

3）本发明中，利用热丝电源的负极连接TIG焊枪，正极连接焊丝，从而在焊丝和焊枪之间形成热丝电弧，对焊丝进行提前预热；通过将TIG脉冲电源的负极连接TIG焊枪，正极连接母材，从而在焊枪和母材之间形成熔化母材形成熔池的脉冲电弧，而焊丝在进入熔池之前依靠热丝电弧预热熔化，这样可明显提高焊丝的熔化效率，而且避免了传统MIG增材方式中，为满足高速增材制造的要求而提高焊丝的熔化率，进而提高焊接电流造成的对焊接母材的热输入过大，造成增材制造工件变形量大、组织晶粒粗大、力学性能差的缺陷；

4）与激光MIG复合增材制造或者MIG增材制造相比，本发明可有效避免MIG增材制造过程中焊接飞溅的产生而造成的焊缝表面形成焊接缺陷的问题。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

附图标记：1、TIG脉冲电源，2、激光束，3、TIG焊枪，4、热丝电源，5、焊丝，6、送丝机构，7、增材制造基材，8、增材制造的第一层和第二层，9、正在进行加工的增材制造层，10、超声变幅杆，11、夹具，12、脉冲电弧，13、热丝电弧,14、增材制造方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细阐述。本发明以下各实施例中未提及的设备，比如TIG脉冲电源1、TIG焊枪、激光器、送丝机构6、热丝电源4、夹具11、超声变幅杆10以及增材制造的方法、工艺参数等，均为现有技术，是本领域技术人员所熟知和掌握并能熟练实施的，在此不进行赘述。

实施例1

一种铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置，如图1所示，包括热丝电源4、TIG脉冲电源1、TIG焊枪3、发射激光束2的激光器和送丝机构6驱动的焊丝5，沿增材制造方向，TIG焊枪3和焊丝5依次设置在激光器的后方，且TIG脉冲电源1的负极和正极分别与TIG焊枪3和增材制造基材7连接，从而在TIG焊枪3的钨针尖端和增材制造基材7之间形成脉冲电弧12，所述热丝电源4的负极和正极分别与TIG焊枪3和焊丝5连接，从而在TIG焊枪3的钨针尖端和焊丝5端部之间形成对焊丝5预热的热丝电弧13；所述TIG焊枪3和送丝机构6由夹具11固定为一体，且该夹具11由一超声变幅杆10控制其沿增材制造方向振动，进而带动TIG焊枪3和焊丝5沿增材制造方向同步振动。

在本实施例中，TIG脉冲电源1均采用脉冲输出形式，这样能够明显减小焊接电流的平均值，从而实现用较低的热输入而获得足够的熔深，同时也可以减小成型件的变形。

在本实施例中，TIG焊枪3和焊丝5之间形成的热丝电弧13可以是连续输出形式，也可以采用脉冲输出形式，相比较于脉冲输出形式，连续输出形式能够提高焊丝5的熔化效率，但是即使采用脉冲输出形式，也远远比现有的TIG增材制造方式和MIG增材制造方式的焊丝熔化率要高。

上述铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：

1）在增材制造基材7的上方安置激光器，并沿增材制造方向，在激光器的后方依次安置TIG焊枪3和送丝机构6，并使用夹具11将TIG焊枪3和送丝机构6固定为一体；

2）将夹具11与超声变幅杆10连接固定，将TIG脉冲电源1的负极和正极分别与TIG焊枪3和增材制造基材7连接，将热丝电源4的负极和正极分别与TIG焊枪3和焊丝5连接；

3）启动激光器使其发出脉冲激光束照射到增材制造基材7上，并开启保护气，使保护气将脉冲电弧12与增材制造基材7接触的位置保护起来；

4）依次启动TIG脉冲电源1、热丝电源4、送丝机构6和超声变幅杆10，逐层实现铝合金增材制造。

以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定，从而得到以下各实施例：

实施例2

本实施例是对实施例1的一种限定方案，所述脉冲电弧12与激光束2在增材制造基材7的落点复合，即激光束2照射在脉冲电弧12与增材制造基材7的结合处（熔池内），这样能够增大激光的吸收率。

实施例3

本实施例是对实施例1的另一种限定方案，所述超声变幅杆10的超声振动频率为5kHz-900kHz，且其带动TIG焊枪3和焊丝5的振动幅度为1um-100um。

实施例4

本实施例是对实施例1的另一种限定方案，所述激光器的输出类型为脉冲输出，从而使其发出的激光束2为脉冲激光，且其频率与TIG脉冲电源1的脉冲频率一致。

在本实施例中，激光器的激光类型为Nd：YAG激光器或光纤激光器。

实施例5

本实施例是对实施例1的另一种限定方案，所述TIG焊枪3内具有与保护气源连通的送气管路，该送气管路使保护气喷出后将脉冲电弧12与增材制造基材7接触的位置保护起来。保护气可以选用氦气或氩气，其流量为10-40L/min。

实施例6

本实施例是对实施例1中使用方法的参数限定，所述焊丝5与水平面的夹角β为20-70°，送丝速度为0.2-20m/min，焊丝5直径为0.8-3mm，热丝电源的电流为50-400A，TIG电源的电流为20-300A，TIG焊枪3的钨针与增材制造基材7的距离为0-6mm，TIG焊枪3与水平面的夹角θ为40°-80°；所述激光束2与水平面的夹角a为70°-90°，激光功率100-5000W，激光频率10-50Hz，激光脉宽1-10ms，保护气流量10-40L/min，焊接速度0.2-10m/min；所述超声变幅杆10的振动频率为5-900kHz，振动幅度为1-100um，所述TIG脉冲电源1产生的脉冲电弧12的脉冲频率为3-10Hz，脉宽1-10ms。

将本发明与现有技术（激光与MIG电弧作为复合热源增材制造）进行比较，在相同的参数条件下，两者得到焊缝纵截面进行比对。

在现有激光与MIG电弧作为复合热源增材制造得到的焊缝纵截面中，焊缝气孔较多，这是由于MIG焊枪的作用下，产生焊接飞溅造成的，而且焊接过程稳定性较差，导致增材制造层表面不平整，同时，在需要满足高速增材制造的要求时，需要提高焊丝的熔化率，这就导致必须提高焊接电流，进而造成对焊接母材的热输入过大、增材制造工件变形量大、组织晶粒粗大、力学性能差的缺陷；而本发明得到的焊缝纵截面气孔较少，而且增材制造层表面较为平整。

Claims (5)

1.铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置，其特征在于：包括热丝电源（4）、TIG脉冲电源（1）、TIG焊枪（3）、发射激光束（2）的激光器和送丝机构（6）驱动的焊丝（5），热丝电源（4）的电流为400A，TIG电源（1）的电流为300A，沿增材制造方向（14），TIG焊枪（3）和焊丝（5）依次设置在激光器的后方，且TIG脉冲电源（1）的负极和正极分别与TIG焊枪（3）和增材制造基材（7）连接，从而在TIG焊枪（3）的钨针尖端和增材制造基材（7）之间形成脉冲电弧（12），所述脉冲电弧（12）与激光束（2）在增材制造基材（7）的落点复合；所述激光器的输出类型为脉冲输出，从而使其发出的激光束（2）为脉冲激光，且其频率与TIG脉冲电源（1）的脉冲频率一致；所述热丝电源（4）的负极和正极分别与TIG焊枪（3）和焊丝（5）连接，从而在TIG焊枪（3）的钨针尖端和焊丝（5）端部之间形成对焊丝（5）预热的热丝电弧（13）；所述TIG焊枪（3）和送丝机构（6）由夹具（11）固定为一体，且该夹具（11）由一超声变幅杆（10）控制其沿增材制造方向振动，进而带动TIG焊枪（3）和焊丝（5）沿增材制造方向（14）同步振动。

2.根据权利要求1所述的铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置，其特征在于：所述超声变幅杆（10）的超声振动频率为5kHz-900kHz，且其带动TIG焊枪（3）和焊丝（5）的振动幅度为1um-100um。

3.根据权利要求1所述的铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置，其特征在于：所述TIG焊枪（3）内具有与保护气源连通的送气管路，该送气管路使保护气喷出后将脉冲电弧（12）与增材制造基材（7）接触的位置保护起来。

4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在增材制造基材（7）的上方安置激光器，并沿增材制造方向，在激光器的后方依次安置TIG焊枪（3）和送丝机构（6），并使用夹具（11）将TIG焊枪（3）和送丝机构（6）固定为一体；

2）将夹具（11）与超声变幅杆（10）连接固定，将TIG脉冲电源（1）的负极和正极分别与TIG焊枪（3）和增材制造基材（7）连接，将热丝电源（4）的负极和正极分别与TIG焊枪（3）和焊丝（5）连接；

3）启动激光器使其发出脉冲激光束照射到增材制造基材（7）上，并开启保护气，使保护气将脉冲电弧（12）与增材制造基材（7）接触的位置保护起来；

4）依次启动TIG脉冲电源（1）、热丝电源（4）、送丝机构（6）和超声变幅杆（10），逐层实现铝合金增材制造。

5.根据权利要求4所述的铝合金脉冲激光-TIG电弧复合增材制造装置的使用方法，其特征在于：所述焊丝（5）与水平面的夹角β为20-70°，送丝速度为0.2-20m/min，焊丝（5）直径为0.8-3mm，热丝电源的电流为400A，TIG电源的电流为300A，TIG焊枪（3）的钨针与增材制造基材（7）的距离为0-6mm，TIG焊枪（3）与水平面的夹角θ为40°-80°；所述激光束（2）与水平面的夹角a为70°-90°，激光功率100-5000W，激光频率10-50Hz，激光脉宽1-10ms，保护气流量10-40L/min，焊接速度0.2-10m/min；所述超声变幅杆（10）的振动频率为5-900kHz，振动幅度为1-100um，所述TIG脉冲电源（1）产生的脉冲电弧（12）的脉冲频率为3-10Hz，脉宽1-10ms。

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