CN112643205A - 一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法 - Google Patents

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朱刚
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Abstract

本发明公开了一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法，利用激光装置、送丝机构、焦耳加热装置、成形基板和控制器形成激光焦耳复合增材制造装置，将焦耳加热装置设置于成形基板上端，送丝机构的送丝口与焦耳加热装置的进丝口对齐，丝材通过送丝机构送丝进入焦耳加热装置加热后到达成形基板，激光装置的加热点和焦耳加热装置的出丝口出丝均位于待成型点上，通过将电流通入丝材，丝材由于焦耳热的作用被加热至接近熔点的温度，利用激光辅助提供部分热量用于熔化丝材，并且在基板上或前一层表面形成熔池，使其形成冶金结合，能够有效的利用电能，减小所需激光的功率，提高整体能量利用率。

Description

一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造(additive manufacturing，AM)技术是根据CAD/CAM设计，采用逐层累积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它是一种材料累积的制造方法。增材制造技术俗称3D打印技术，是近30年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。其中金属直接成型是增材制造技术中的难点和热点技术。
现阶段金属增材制造中最常见的金属材料类型主要是金属粉末和金属丝材。基于粉末的增材制造技术的成型精度相对较高，发展也相对较快，但是其材料利用率很低(材料利用率只有20％～30％)，金属粉末价格较为昂贵，而且粉末颗粒对环境和操作者都有一定的危害，基于粉末式的增材制造技术使用的热源主要为激光和电子束。根据热源的不同，常见的有激光送丝增材制造技术(wire and laser additive manufacturing，WLAM)、电子束自由成型(electron beam freeform fabrication，EBF3)和电弧送丝增材制造技术(wireand arc additive manufacturing，WAAM)等，送丝式增材制造的材料利用率接近100％，金属丝材成本较低，成型过程更为安全，但是其成型质量相对较差。由于控制精度较高，激光作为热源是最受欢迎的研究方式，但它的能量利用率非常低(2％～5％)；电子束的能量利用率略有提高(15％～20％)，但它需要高真空环境，对于设备的要求较为苛刻；电弧工艺的能量利用率高达70％，但是电弧设备往往设备庞大，伴随大量的噪声和弧光的污染，由于电弧难以精确控制，成型零件表面凹凸不平，成型精度也较差，无法直接使用，必须经过减才设备。成型过程复杂。直接高能束增材制造设备造价高、设备复杂、体积比较庞大、辐射污染。焦耳热熔融金属成型的能量利用率接近100％，且机构简单，它通过电流直接加热丝材熔融成型，但由于能量不够集中，成型区域峰值温度较低，因而难以实现单道与基体的结合以及层层结合。目前关于细丝递送的研究很少，由于细丝的刚度相对较差，在递送过程中很容易出现偏摆以及弯折的现象，导致丝材无法准确递送到相应的位置，从而影响激光光斑和丝材对准，导致成型的稳定性和精度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，包括激光装置、送丝机构、焦耳加热装置、成形基板和控制器，成形基板设置于运动平台上，焦耳加热装置设置于成形基板上端，送丝机构的送丝口与焦耳加热装置的进丝口对齐，丝材通过送丝机构送丝进入焦耳加热装置加热后到达成形基板，激光装置的加热点和焦耳加热装置的出丝口出丝均位于待成型点上，激光装置、送丝机构和焦耳加热装置均连接于控制器，控制器用于控制激光装置的激光功率，送丝机构的送丝速度和焦耳加热装置的焦耳热功率。
进一步的，送丝机构包括安装支架和机架，机架固定于安装支架一侧，安装支架另一侧固定有电机，电机的输出轴上固定有主动送丝轮，主动送丝轮位于机架一侧，机架的一侧通过调紧装置安装有送丝从动轮，机架的上端和下端分别固定有一个导丝管，机架上端的导丝管的出丝口和机架下端的导丝管的进丝口均位于主动送丝轮和送丝从动轮之间。
进一步的，主动送丝轮和送丝从动轮的表面均设有用梯形齿。
进一步的，调紧装置包括调紧座，送丝从动轮安装于调紧座上，调紧座一端与机架转动连接，机架上端设有导向槽，调紧座上端设有导向杆，导向杆位于导向槽内，机架的一侧设有固定座，固定座上设有与固定座通过螺纹连接的调紧杆，调紧座上设有弹簧座，弹簧座上套设有调紧弹簧，调紧弹簧的一端与调紧杆一端接触，调紧弹簧的另一端与调紧座端面接触。
进一步的，机架上端的导丝管上端以及机架下端的导丝管下端均连接有一个导电嘴。
进一步的，机架下端的导丝管通过光丝对准调节机构固定于机架上，光丝对准调节机构包括调节螺纹副、调整块、调整弹簧以及调整支架，调整支架固定于机架下端的安装台上，调整块套设于机架下端的导丝管上，调整弹簧设置于调整块与机架之间，调整弹簧的一端与调整块一端接触，调整弹簧的另一端与机架一端接触；调节螺纹副与调整支架通过螺纹连接，调节螺纹副的一端与调整块的另一端接触。
进一步的，成形基板与运动平台之间设有基板预热装置。
进一步的，基板预热装置包括云母片支撑块、云母片压板和加热铜板，加热铜板中间设有加热孔，加热铜板的加热孔内设置陶瓷加热片，云母片支撑块上设置有凹槽，加热铜板两端分别设有一个云母片支撑块，加热铜板设置于云母片支撑块上的凹槽内，成形基板设置于加热铜板上，上端通过云母片压板29与云母片支撑块锁紧固定。
一种金属细丝增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据待成形零件的结构要求，对待成形零件进行三维建模及结构拓扑优化得到优化后的模型；
步骤2)、对待成形零件优化后的模型进行分层切片得到打印路径，根据打印路径进行送丝；
步骤3)、送丝过程中，首先利用焦耳加热装置对丝材进行加热，焦耳加热装置加热量为丝材熔化加热总量的1/5至3/5，然后利用激光装置在成形基板上形成熔池，丝材进入熔池，被熔池中的热量熔化形成打印层，按照分层切片数据逐层打印最终得到待成形零件。
进一步的，成形过程中，丝材与垂直平面的夹角为25°-55°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，利用激光装置、送丝机构、焦耳加热装置、成形基板和控制器形成激光焦耳复合增材制造装置，将焦耳加热装置设置于成形基板上端，送丝机构的送丝口与焦耳加热装置的进丝口对齐，丝材通过送丝机构送丝进入焦耳加热装置加热后到达成形基板，激光装置的加热点和焦耳加热装置的出丝口出丝均位于待成型点上，通过将电流通入丝材，丝材由于焦耳热的作用被加热至接近熔点的温度，利用激光辅助提供部分热量用于熔化丝材，并且在基板上或前一层表面形成熔池，使其形成冶金结合，能够有效的利用电能，减小所需激光的功率，提高整体能量利用率。
进一步的，本发明送丝机构采用导丝管引导丝材向前递送，防止丝材在递送的过程中因前方遇到阻力出现弯折导致堵丝，并且能够减小丝材递送过程中悬空段的长度，避免丝材递送过程中出现弯折现象导致堵丝。
进一步的，通过弹簧调节正压力，保证驱动轮能提供足够的摩擦力将丝材向前递送。
进一步的，机架上端的导丝管上端以及机架下端的导丝管下端均连接有一个导电嘴，保证丝材能够更加精确的进入熔池。
进一步的，通过将机架下端的导丝管通过光丝对准调节机构固定于机架上，能够实现激光光斑和递送到熔池时的丝材在垂直于平面方向上进行对准，提高送丝精度。
进一步的，成形基板与运动平台之间设有基板预热装置，为成型区域输入一定的能量，可以减小成型区域的温度梯度以及成型后的冷却速度，进而显著减小成型件的残余应力。
本发明一种金属细丝增材制造方法，通过焦耳热事先加热丝材可以改善激光送丝增材制造工艺的稳定性，并且可以增加成型效率，使送丝速度提高4-6倍；基于焦耳热和激光焊接配合能够节约激光功率消耗，提高焊缝的机械性能和物理性能，提高间隙桥接能力。
附图说明
图1为本发明实施例中整体装置结构示意图。
图2为本发明实施例中送丝机构结构示意图。
图3为本发明实施例中光丝对准调节机构主视图。
图4为本发明实施例中光丝对准调节机构立体图。
图5为本发明实施例中基板预热装置立体图。
图6为本发明实施例中送丝比为1的150层大尺寸薄壁件示意图。
图7为本发明实施例中送丝比为1的长度10mm的倾斜薄壁件示意图。
其中，1、激光装置；2、送丝机构；3、焦耳加热装置；4、成形基板；5、控制器；6、运动平台；7、待成形零件；8、补光灯；9、图像采集装置；10、安装支架；11、机架；12、电机；13、主动送丝轮；14、送丝从动轮；15、调紧座；16、导向槽；17、导向杆；18、固定座；19、调紧杆；20、调紧弹簧；21、导丝管；22、导电嘴；23、光丝对准调节机构；24、调节螺纹副；25、调整块；26、调整弹簧；27、调整支架；28、云母片支撑块；29、云母片压板；30、加热铜板；31、陶瓷加热片；32、固定安装板；33、移动连接架；34、温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，包括激光装置1、送丝机构2、焦耳加热装置3、成形基板4和控制器5，成形基板4设置于运动平台6上，焦耳加热装置3设置于成形基板4上端，送丝机构2的送丝口与焦耳加热装置3的进丝口对齐，丝材通过送丝机构2送丝进入焦耳加热装置3加热后到达成形基板4，激光装置1的加热点和焦耳加热装置3的出丝口出丝均位于待成型点上，激光装置1、送丝机构2和焦耳加热装置3均连接于控制器5，控制器5用于控制激光装置1的激光功率，送丝机构2的送丝速度和焦耳加热装置3的焦耳热功率。在成型的过程中，将电流通过焦耳加热装置3通入丝材，丝材由于焦耳热的作用在送入熔池之前被加热至接近其熔点的温度，然后利用激光装置作为一种精密的热源，提供部分热量用于熔化丝材，并且在基板或前一层的表面形成熔池，使其形成冶金结合，移动成形基板4，送丝和熔化持续进行，进而完成待成形零件7的加工，这一工艺可以更加有效的利用电能，减小所需激光的功率，提高整体能量利用率。使用时，本申请整体装置放在标准手套箱或者真空箱中，在特定氛围下成形。送丝机构2的送丝角度可调。
具体的，如图1所示，还包括连接于控制器5的补光灯8和图像采集装置9，补光灯用于提供图像采集亮度，图像采集装置采用摄像头，补光灯8和图像采集装置9均设置于成形基板4上端。激光装置1的光斑直接大于丝材直径，本申请采用丝材直径为0.3mm，激光装置1的光斑直径为0.35mm。
如图2所示，送丝机构2包括安装支架10和机架11，机架11固定于安装支架10一侧，安装支架10另一侧固定有电机12，电机12的输出轴上固定有主动送丝轮13，主动送丝轮13位于机架11一侧，机架11的一侧通过调紧装置安装有送丝从动轮14，机架11的上端和下端分别固定有一个导丝管21，机架11上端的导丝管的出丝口和机架11下端的导丝管的进丝口均位于主动送丝轮13和送丝从动轮14之间；丝材从送机架11上端的导丝管进入通过主动送丝轮13和送丝从动轮14之间，利用主动送丝轮13和送丝从动轮14夹紧转动送丝从送机架11下端的导丝管送出。主动送丝轮13和送丝从动轮14形成驱动轮组，在主动送丝轮13转动的同时通过摩擦力将丝材向前递送；主动送丝轮13和送丝从动轮14的表面均采用梯形齿设计，用于增加丝材和与主动送丝轮13和送丝从动轮14之间的摩擦系数，提高送丝稳定性。
如图3所示，调紧装置包括调紧座15，送丝从动轮14安装于调紧座15上，调紧座15一端与机架11转动连接，机架11上端设有导向槽16，调紧座15上端设有导向杆17，导向杆17位于导向槽16内，机架11的一侧设有固定座18，固定座18上设有与固定座18通过螺纹连接的调紧杆19，调紧座15上设有弹簧座，弹簧座上套设有调紧弹簧20，调紧弹簧20的一端与调紧杆19一端接触，调紧弹簧20的另一端与调紧座15上的限位台端面接触，调紧座15上的限位台与调紧杆19在条直线上；通过调转动调紧杆19使调紧杆19转动沿其轴线移动，从而带动调紧弹簧20压缩，从而达到调整调紧座15上的送丝从动轮14与主动送丝轮13之间压力的目的。
机架11上端的导丝管上端以及机架11下端的导丝管下端均连接有一个导电嘴22，机架11上端的导丝管上端的导电嘴能够防止丝材在进入送丝机之后出现摆动，提高送丝精度；机架11下端的导丝管下端的导电嘴用于保证丝材能够更加精确的进入熔池，同时也将电流通入丝材。机架11上端和下端均设置有安装台，导丝管安装于安装台上。
如图2、图3、图4所示，机架11下端的导丝管通过光丝对准调节机构23固定于机架11上，光丝对准调节机构包括调节螺纹副24、调整块25、调整弹簧26以及调整支架27，调整支架27固定于机架11下端的安装台上，调整块25套设于机架11下端的导丝管上，调整弹簧26设置于调整块25与机架11之间，调整弹簧26的一端与调整块25一端接触，调整弹簧26的另一端与机架11一端接触；调节螺纹副24与调整支架27通过螺纹连接，调节螺纹副24的一端与调整块25的另一端接触；具体，如图4所示，调整支架27通过螺钉固定在机架11上，调整支架27上开有螺纹孔用于固定调节螺纹副；调节螺纹副包括螺杆和螺母，螺距为0.25mm；螺杆的端部与调整块端部接触，旋转螺杆可以带动调整块运动，进而调整导丝管和导电嘴的位置，精确引导丝材进入相应的位置，实验测得调节后丝材与激光的偏差约为0.02mm；调整块的后方装有弹簧，防止调节过度的同时方便调整块回调；调整块与导丝管以及导丝管与机架的连接处均为方孔配合，防止在调整过程中调整块和导丝管旋转，进而影响整体精度。
成形基板4与运动平台6之间设有基板预热装置，如图5所示，基板预热装置包括云母片支撑块28、云母片压板29和加热铜板30，加热铜板30中间设有加热孔，加热铜板30的加热孔内设置陶瓷加热片31，云母片支撑块28上设置有凹槽，加热铜板30两端分别设有一个云母片支撑块28，加热铜板30设置于云母片支撑块28上的凹槽内，成形基板4设置于加热铜板30上，上端通过云母片压板29与云母片支撑块28锁紧固定；两个云母片支撑块28固定安装于固定安装板32上，固定安装板32固定于移动连接架33上，通过移动连接架33带动成形基板4移动。加热铜板30的加热孔内设有温度传感器34，用于检测加热温度。
激光金属增材制造技术成型的过程中，由于激光的能量密度非常高，导致成型区域的温度梯度过大且冷却速度过快，最终导致成型件内部残余应力过大，造成成型结构件出现如热裂纹和翘曲变形等缺陷；通过对基板进行预热，可以减小成型区域的温度梯度以及成型后的冷却速度，进而显著减小成型件的残余应力；与此同时，基板预热系统可以为成型区域输入一定的能量，且其直接由电能转换为热能，能量利用率高。本申请采用陶瓷加热片作为热源，陶瓷加热片工作可靠、坚固耐用且热效率高，具有安装方便、传热快、绝缘良好等优点；陶瓷加热片电阻丝的材料为钨丝等高温材料，最高加热温度可达600℃，外壳采用白色多层氧化铝陶瓷，α-AL2O3的含量高于95％，耐高温且绝缘性好，引线由直径0.5mm的镍丝组成，并配有铁氟龙套管和耐高温胶纸。
一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据待成形零件的结构要求，对待成形零件进行三维建模及结构拓扑优化得到优化后的模型；
具体的，通过CAD/CAE/CAM对进行待成形零件进行三维建模及及拓扑优化。
步骤2)、对待成形零件优化后的模型进行分层切片得到打印路径，根据打印路径进行送丝；
具体的，根据成型材料的属性、控形指标和控性指标要求确定工艺参数；优化增材制造成形工艺；
工艺参数包括激光功率、焦耳热功率、基板加热温度、送丝速度、成形基板运动速度、激光入射角、送丝角、干伸长和气氛环境。
输出变量：控形指标Q1(h，w)，h为成形层高，w为道宽；控性指标Q2(m1,m2,m3…mn…)：mn表示各项力学性能；力学性能包括强度，硬度，韧性，和疲劳。输入变量：PL(激光功率)，PJ(焦耳热功率)，T(基板温度)，VS，(送丝速度)，Vm(运动速度)，A1(激光入射角)，A2(送丝角)，D(干伸长)，E(气氛环境)。
根据成形零件的要求及输入的丝材尺寸及材料的属性进行仿真计算，得到输入和输出变量之间的量化及最优关系式：
Q1(h，w)＝F(P，PJ，T，VS，Vm，A1，A2，D)
Q2(m1,m2,m3……)＝F(P，PJ，T，VS，Vm，A1，A2，D，E)
激光和焦耳热金属细丝增材制造过程中包含了大量的物理现象：电光转换，激光吸收、电热转换，丝材熔化/再凝固、熔化铺展过程润湿性、打印工件及基板中的热传导及和周围环境的热对流热辐射等复杂热交换过程、及打印过程中金属熔池受到的蒸发、重力作用等，通过实验的方法研究这些物理现象对激光和焦耳热金属细丝增材制造过程成型件质量的影响非常困难，需要通过仿真计算的方法来找出规律。对激光和焦耳热金属细丝增材制造成形过程中的传热传质计算主要采用三种方法：有限差分法、有限单元法、有限体积法。
考虑金属材料热物性随温度依赖关系的基础上，建立激光和焦耳热金属送丝增材过程数值计算模型，描述金属熔化凝固过程的复杂热变化过程与熔体动态铺展形态，采用模型模拟在重力及微重力条件下金属丝材熔敷成形与预成形基板、熔体热毛细区间的相互作用机制、非稳态凝固相变演化规律。其内部的传热传质可以通过传统的流体流动和传热方程来求解，即纳维-斯托克斯方程组(Navier-Stokes equations，N-S)及三维温度场控制方程如下：
在用于描述金属流动和热传导的控制方程中，质量守恒方程如下：
Figure BDA0002915310290000111
式中，v为速度矢量。
能量守恒方程表达如下：
Figure BDA0002915310290000112
式中，k为导热系数，T为温度，h为热焓。
动量守恒方程表达如下：
Figure BDA0002915310290000113
Figure BDA0002915310290000114
式中，ρ为流体密度,υ为动态粘滞度,P为压力,K为糊状区的阻力系数,C为常数,反映糊状区的相貌,FS为固体分数,B为大于0的数(以防止除数为0),G为重力加速度,因为为微重力环境,所以G为0。
采用VOF方法来追踪液面位置，方程表达如下：
Figure BDA0002915310290000115
三维温度场控制方程：
Figure BDA0002915310290000121
式中：
ρ——材料密度；
c——材料比热；
k——热传导系数；
T(x,y,z,t)——温度场分布函数；
Q(x,y,z,t)——热源强度分布；
t——传热时间。
其中ρ、c、k参数值都随温度变化。
根据以上金属送丝熔敷成形传热传质数值分析的基础上，得出金属熔炼温度、激光功率、焦耳热功率、基板加热温度的、送丝速度，运动速度、激光入射角、送丝角、干伸长、打印头尺寸、气氛环境等对金属成形形貌及质量的影响规律。分析工艺参数对成形件微组织结构形貌、孔隙率、裂纹的影响，对成形件质量和精度的影响规律，研究不同工艺条件下多重搭接区域显微组织、性能及其对构件整体性能的影响规律。根据计算结果得到各项最优的工艺参数，包括激光功率，焦耳热功率，基板加热温度的，送丝速度，运动速度，入射角，送丝角，干伸长，气氛环境。
步骤3)、送丝过程中，首先利用焦耳加热装置对丝材进行加热，焦耳加热装置加热量为丝材熔化加热总量的1/5至3/5，然后利用激光装置在成形基板上形成熔池，丝材进入熔池，被熔池中的热量熔化形成打印层，按照分层切片数据逐层打印最终得到待成形零件。
通过焦耳热事先加热丝材可以改善激光送丝增材制造工艺的稳定性，并且可以增加成型效率，使送丝速度提高4-6倍。
通过在成形基板底部设置基板预热装置，辅助激光焊接可以降低激光功率消耗，提高焊缝的机械性能和物理性能，提高间隙桥接能力。本申请打印工艺采用液桥过渡模式，即在基底上形成熔池，焊丝进入熔池，被熔池中的热量熔化，这种情况下表面成形连续，解决了熔滴过渡方式的表面成形不规则，成形精度差的问题，第一层和基材之间以及和其他单道之间的结合是均匀的、无缺陷的。与粉末工艺相比，丝材工艺试样表面呈现出明亮、有光泽的金属表面；
送丝角度对熔丝成形的影响。在角度过大时，金属丝不能完全熔化，也就不能顺畅的进入熔池。同时，角度过大造成熔池内垂直漩涡增大，金属丝在熔池底部的“反弹效应”造成熔覆表面产生波纹。而角度较小时，水平漩涡占主导，熔覆表面波纹变小。但小角度意味着即使熔池固化产生的很小的压力也将会使金属丝被抬起，最终产生较差的成形表面。由于熔池内复杂漩涡的存在，金属丝在垂直平面内的夹角A1应该控制在一定范围内，当A1＝25°-55°时，沉积率和表面粗糙度都比较理想。
保证金属丝材表面无氧化物及干燥处理，使用气氛保护结构实现保护气氛或者真空环境，将金属丝材通过送丝机构构送入导电嘴并与基板保持接触。通过预设好的工艺参数，启动打印机，在运动机构，基板温控电源、焦耳热电源及激光器及送丝机构的自动协同工作下，并通过工艺过程检测系统进行闭环控制，实现金属材料逐层累加堆积成型，实现金属零件的增材制造。
实施例
本申请采用本发明方法打印薄壁件，以送丝比为1进行了150层大尺寸薄壁件成型的实验(长度40mm)，如图6所示。
相对于长度为10mm的小尺寸薄壁件来说，大尺寸样件的传热面积更大，若以同样的工艺参数成型，成型区域的温度相对较低，导致成型单道的宽度变小，高度变大，所以需要调整成型过程中不同层的层高，通过多次实验对比发现，将每层层高提高0.01mm会得到比较好的成型结果。在成型样件的上方和下方各取4个点，对其宽度进行了测量，结果如表1所示，整体宽度分布较为均匀，且略小于长度10mm的薄壁件。
表1送丝比为1的150层薄壁件不同位置处宽度对比(单位：mm)
Figure BDA0002915310290000141
为了进一步验证工艺的稳定性，以送丝比为1进行了倾斜结构薄壁件的成型实验，如图7所示。当成型倾斜结构时，成型过程中熔化的丝材更容易向侧面流动，造成单层厚度减小，且随着倾角的增大，单层厚度逐渐减小，在成型不同角度薄壁件的过程中需要调整层高。图中右侧样件在前后方向的倾角为76°，采用与垂直件相同的工艺进行实验得到了较好的成型结果，其理论成型高度为16.9mm，实际成型高度为16.4mm；左侧样件在前后和左右方向的倾角均为66°，将每层高度减小0.01mm进行实验得到了较好的成型结果，其理论成型高度为15.4mm，实际成型高度为15.6mm。
表面粗糙度是评价零件表面质量的一项重要指标，较小的表面粗糙度可以提高零件的配合稳定性、疲劳强度、耐腐蚀性和密封性等，并减少磨损，延长零件寿命。现有常见金属增材制造工艺成型样件的表面粗糙度参数如表2所示，成型件表面相对较为粗糙，因此都需要进行后处理，这对生产时间及成本都有很大影响。
表2常见金属增材制造工艺成型件表面粗糙度
Figure BDA0002915310290000151
描述表面粗糙度最常用的是轮廓算术平均偏差Ra和轮廓最大偏差Rz。在取样长度内，沿着测量方向轮廓上的点与基线之间距离绝对值的算术平均值即为Ra，轮廓上的最高点和最低点之间的距离即为Rz。被测样件表面为周期性轮廓，其周期为层高，约为0.15mm，根据测试标准，取样长度应为0.8mm，由于样件表面各部分的粗糙度并不均匀，一个取样长度往往不能准确地反映其表面粗糙度值，故需在表面取多个取样长度进行测量，本实验选择5个取样长度进行测量，即评定长度为4mm。使用MarSurf M 300C粗糙度仪对成型薄壁样件的表面粗糙度Ra和Rz进行测量，分别对送丝比为1和1.5的150层薄壁件侧面表面粗糙度进行了测量，测试分为水平方向和垂直方向，每个方向选择三个位置进行测试，其结果如表3所示。
表3薄壁件表面粗糙度
Figure BDA0002915310290000152
单道多层薄壁件工艺实验首先研究了导电嘴与基板的距离z对成型质量的影响，之后在仿真结果的基础上通过实验确定了送丝比为1和1.5时薄壁件成型过程中不同层的层高参数，完成了150层薄壁件的成型，得到了高宽比为40左右的薄壁件，成型过程较为稳定，成型薄壁件在不同高度处的宽度较为均匀，其高度与理论值偏差平均值为0.8％，验证了仿真结果的准确性；在此基础上对工艺参数进行了优化，完成了大尺寸薄壁件以及前后和左右方向倾角均为66°的倾斜薄壁件的成型。
表4不同处理时间后的样件及其表面粗糙度
Figure BDA0002915310290000161
对不同处理时间后的样件及其表面粗糙度性能进行了测试，如表4所示，其无气孔和裂纹等缺陷，水平方向和垂直方向的表面粗糙度Ra均小于5μm，远小于现有的金属丝材增材制造工艺；与316L不锈钢退火板材标准件相比，其水平方向的拉伸强度500Mpa左右，略低于标准值565Mpa，断裂延伸率为66％，略高于标准值55％，且断裂面具有均匀细小的韧窝，断裂过程为韧性断裂，成型样件具有良好的韧性；样件的显微维氏硬度为170HV左右，略高于标准值的155HV，且在不同高度处分布较为均匀；其致密度为99.37％；对成型样件进行电化学抛光后处理，样件的表面粗糙度Ra可从最初的3.6μm减小到0.4μm。经X射线检查，未发现裂纹、气孔、夹杂物或者未熔合现象；抗拉强度和断裂延伸率沿横向和纵向的结果符合AMS4999标准。

Claims (10)

1.一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，包括激光装置(1)、送丝机构(2)、焦耳加热装置(3)、成形基板(4)和控制器(5)，成形基板(4)设置于运动平台(6)上，焦耳加热装置(3)设置于成形基板(4)上端，送丝机构(2)的送丝口与焦耳加热装置(3)的进丝口对齐，丝材通过送丝机构(2)送丝进入焦耳加热装置(3)加热后到达成形基板(4)，激光装置(1)的加热点和焦耳加热装置(3)的出丝口出丝均位于待成型点上，激光装置(1)、送丝机构(2)和焦耳加热装置(3)均连接于控制器(5)，控制器(5)用于控制激光装置(1)的激光功率，送丝机构(2)的送丝速度和焦耳加热装置(3)的焦耳热功率。
2.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，送丝机构(2)包括安装支架(10)和机架(11)，机架(11)固定于安装支架(10)一侧，安装支架(10)另一侧固定有电机(12)，电机(12)的输出轴上固定有主动送丝轮(13)，主动送丝轮(13)位于机架(11)一侧，机架(11)的一侧通过调紧装置安装有送丝从动轮(14)，机架(11)的上端和下端分别固定有一个导丝管(21)，机架(11)上端的导丝管的出丝口和机架(11)下端的导丝管的进丝口均位于主动送丝轮(13)和送丝从动轮(14)之间。
3.根据权利要求2所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，主动送丝轮(13)和送丝从动轮(14)的表面均设有用梯形齿。
4.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，调紧装置包括调紧座(15)，送丝从动轮(14)安装于调紧座(15)上，调紧座(15)一端与机架(11)转动连接，机架(11)上端设有导向槽(16)，调紧座(15)上端设有导向杆(17)，导向杆(17)位于导向槽(16)内，机架(11)的一侧设有固定座(18)，固定座(18)上设有与固定座(18)通过螺纹连接的调紧杆(19)，调紧座(15)上设有弹簧座，弹簧座上套设有调紧弹簧(20)，调紧弹簧(20)的一端与调紧杆(19)一端接触，调紧弹簧(20)的另一端与调紧座(15)上的限位台端面接触。
5.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，机架(11)上端的导丝管上端以及机架(11)下端的导丝管下端均连接有一个导电嘴(22)。
6.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，机架(11)下端的导丝管通过光丝对准调节机构(23)固定于机架(11)上，光丝对准调节机构包括调节螺纹副(24)、调整块(25)、调整弹簧(26)以及调整支架(27)，调整支架(27)固定于机架(11)下端的安装台上，调整块(25)套设于机架(11)下端的导丝管上，调整弹簧(26)设置于调整块(25)与机架(11)之间，调整弹簧(24)的一端与调整块(25)一端接触，调整弹簧(26)的另一端与机架(11)一端接触；调节螺纹副(24)与调整支架(27)通过螺纹连接，调节螺纹副(24)的一端与调整块(25)的另一端接触。
7.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，成形基板(4)与运动平台(6)之间设有基板预热装置。
8.根据权利要求7所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，基板预热装置包括云母片支撑块(28)、云母片压板(29)和加热铜板(30)，加热铜板(30)中间设有加热孔，加热铜板(30)的加热孔内设置陶瓷加热片(31)，云母片支撑块(28)上设置有凹槽，加热铜板(30)两端分别设有一个云母片支撑块(28)，加热铜板(30)设置于云母片支撑块(28)上的凹槽内，成形基板(4)设置于加热铜板(30)上，上端通过云母片压板29与云母片支撑块(28)锁紧固定。
9.一种基于权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置的金属细丝增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、根据待成形零件的结构要求，对待成形零件进行三维建模及结构拓扑优化得到优化后的模型；
步骤2)、对待成形零件优化后的模型进行分层切片得到打印路径，根据打印路径进行送丝；
步骤3)、送丝过程中，首先利用焦耳加热装置对丝材进行加热，焦耳加热装置加热量为丝材熔化加热总量的1/5至3/5，然后利用激光装置在成形基板上形成熔池，丝材进入熔池，被熔池中的热量熔化形成打印层，按照分层切片数据逐层打印最终得到待成形零件。
10.根据权利要求9所述的一种金属细丝增材制造方法，其特征在于，成形过程中，丝材与垂直平面的夹角为25°-55°。
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