CN113020797A - 一种铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于铜及其合金的增材制造方法，属于金属材料增材制造与堆焊技术领域。本发明以电弧和激光为热源，采用电弧/激光复合增材方法，进行铜及其合金的增材制造。通过预热温度、电弧电流、激光功率、层间温度的调整，保证增材过程稳定进行。最终得到了宏观形貌良好，内部无气孔、裂纹的薄壁件。经检测，薄壁件具有良好的抗拉强度。

Description

一种铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料增材制造与焊接技术领域，具体涉及一种铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法。
背景技术
新一代高科技重点发展领域为信息技术、先进轨道交通装备、航空航天装备、节能与新能源汽车等。铜及其合金材料因具有良好的导电性、导热性、较高的强度、较好的耐腐蚀性能，已经成为航空航天、汽车能源、集成电路、交通轨道等领域发展离不开的材料之一。
增材制造工艺作为一种新兴的加工工艺，与传统的减材加工工艺相比，具有产品制造周期短，生产效率高，无需模具，成本低，材料利用率高等一些列优点。但铜合金材料由于具有高熔点、高反射性、高导热性等特点，使得以电弧为热源的铜合金增材制造存在微观组织粗大，性能较差的问题；以激光为热源的铜合金增材制造存在反射率高，成型困难，成形薄壁件致密度低的问题。中国专利CN109807560A公开了一种铜合金的丝材电弧增材制造方法，该方法利用冷却辊压辅助进行铜合金电弧增材成形，实现了高致密度铜合金增材制造，但铜合金丝材电弧增材制造过程中存在热输入大导致的微观组织粗大，增材体的力学性能差的缺陷。中国专利CN104625412A公开了一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法。该方法采用激光与冷金属过渡电弧作为复合热源，通过熔化铜合金焊丝进行堆焊，实现铜合金制品的增材制造。但该方法采用的激光功率较大，增材过程容易引起铜合金飞溅，产生增材工艺缺陷。
激光/电弧复合热源进行铜合金的增材制造，可以在保持采用单一热源增材制造优点的同时，避免上述单一热源增材制造组织粗大，致密度低等工艺缺陷和不足，产生1+1>2的增材制造效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法。该方法无需夹具，过程简单；成型薄壁件致密度高，内部无裂纹、气孔缺陷。复合热源的铜合金增材制造扩大了铜合金在航空航天、电子机械、军工国防等领域的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于铜及其合金的增材制造方法，所述方法为铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法，具体包括以下步骤：
(1)预热基板，预热温度T1＝800-5A电，其中A电为第一层电弧电流大小；
(2)调整激光与焊枪之间的夹角θ，θ＝θ1+θ2，保证θ角在45°～55°之间，实现激光热源与电弧热源之间的良好耦合，其中θ1为激光器与竖直方向的夹角，为3°～15°，θ2为焊枪与竖直方向的夹角，为35°～50°；
(3)在预热后的基板上进行铜及其合金的电弧/激光复合增材制造，先启动电弧，后同时启动激光器和送丝机构；增材过程中保证4≤V丝/V扫≤6，其中V丝为送丝速度，V扫为扫描速度；增材过程中激光平均功率依据电弧电流的大小进行调整，层间温度依据激光平均功率进行调整；激光平均功率P＝200-5(A电-110)，层间温度T2＝400-P；
(4)增材过程中，每成型一层，电弧电流增加10～14A，当电流达到160A～180A时，后续增材电弧电流保持不变；
进一步地，步骤(1)中，第一层电弧电流A电为110A～130A的交流电流。
进一步地，步骤(3)中，V丝为750mm/min～1600mm/min，V扫为125mm/min～400mm/min。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
(1)本发明的一种铜及其合金的增材制造方法中，以电弧和激光复合热源进行增材制造，材料利用率高，工艺步骤简单，效率高。
(2)本发明的一种铜及其合金的增材制造方法中，通过激光与电弧两热源的耦合，以及对电弧电流与预热温度的调整，避免了电弧增材铜合金薄壁件微观组织粗大、拉伸性能较差的问题。
(3)本发明的一种铜及其合金的增材制造方法中，通过每层电流的调整，层间温度的控制，实现了表面平整，无塌陷，致密度高，内部无裂纹和气孔缺陷的铜合金薄壁件的增材制造。
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为本发明增材制造示意图。
图2是采用本发明方法的实施例1中铜合金薄壁件和基板结合界面微观组织图。
图3是采用本发明方法的实施例3中铜合金薄壁件金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于铜及其合金的增材制造方法，所述方法为铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法，具体包括以下步骤：
(1)预热基板，预热温度T1＝800-5A电，其中A电为第一层电弧电流大小，第一层电弧电流A电为110A～130A的交流电流；
(2)调整激光与焊枪之间的夹角θ，θ＝θ1+θ2，保证θ角在45°～55°之间，实现激光热源与电弧热源之间的良好耦合，其中θ1为激光器与竖直方向的夹角，为3°～15°，θ2为焊枪与竖直方向的夹角，为35°～50°；
(3)在预热后的基板上进行铜及其合金的电弧/激光复合增材制造，先启动电弧，后同时启动激光器和送丝机构；增材过程中保证4≤V丝/V扫≤6，其中V丝为送丝速度，V扫为扫描速度；增材过程中激光平均功率依据电弧电流的大小进行调整，层间温度依据激光平均功率进行调整；激光平均功率P＝200-5(A电-110)，层间温度T2＝400-P；
工艺参数取值范围：V丝为750mm/min～1600mm/min，V扫为125mm/min～400mm/min；
(4)增材过程中，每成型一层，电弧电流增加10～14A，当电流达到160A～180A时，后续增材电弧电流保持不变。
实施例1
从图2可以看出，电弧/激光复合增材制造铜合金薄壁件与基体形成良好的冶金结合，经力学性能检测，薄壁件抗拉强度为244.42MPa。成型过程的工艺参数为：激光离焦量：负离焦量；光丝间距：0；钨针伸出焊枪长度：10mm；焊丝：直径1.0mm的铜合金焊丝；保护气为高纯氩气，气体流量为15L/min；基板尺寸：长×宽×高＝200mm×200mm×16mm。
具体工艺过程为：
步骤1：增材前，用钢丝刷除去基板表面的氧化物，用酒精溶液擦拭基板表面，后进行预热。
步骤1中，基板预热温度T1为150℃。
步骤2：调整激光与焊枪之间的夹角θ，θ＝θ1+θ2，保证θ角为45°，实现激光热源与电弧热源之间的良好耦合。
步骤2中，θ1为激光器与竖直方向的夹角，为5°；θ2为焊枪与竖直方向的夹角，为40°。
步骤3：在预热后的基板上进行铜及其合金的电弧/激光复合增材制造，先启动电弧，后同时启动激光器和送丝机构。
步骤3中，第一层增材所用电弧电流A电：130A的交流电流。
步骤3中，送丝速度V丝：1200mm/min，扫描速度V扫：200mm/min，激光平均功率P：100W，层间温度T2：300℃。
步骤4：增材过程中，每成型一层，电弧电流增加10A，当电流达到160A时，后续增材电弧电流保持不变。
实施例2
电弧/激光复合增材制造铜合金薄壁件形貌良好，表面平整，起始端和末端无塌陷。薄壁件金相组织如图3所示，从图可以看出，薄壁件内部无裂纹气孔缺陷。经力学性能检测，薄壁件抗拉强度为249.31MPa。成型过程的工艺参数为：激光离焦量：负离焦量；光丝间距：0；钨针伸出焊枪长度：10mm；焊丝：直径1.2mm的铜合金焊丝；保护气为高纯氩气，气体流量为16L/min；基板尺寸：长×宽×高＝200mm×200mm×16mm。
具体工艺过程为：
步骤1：增材前，用钢丝刷除去基板表面的氧化物，用酒精溶液擦拭基板表面，后进行预热。
步骤1中，基板预热温度T1为200℃。
步骤2：调整激光与焊枪之间的夹角θ，θ＝θ1+θ2，保证θ角为50°，实现激光热源与电弧热源之间的良好耦合。
步骤2中，θ1为激光器与竖直方向的夹角，为5°；θ2为焊枪与竖直方向的夹角，为45°。
步骤3：在预热后的基板上进行铜及其合金的电弧/激光复合增材制造。先启动电弧，后同时启动激光器和送丝机构。
步骤3中，第一层增材所用电弧电流A电：120A的交流电流。
步骤3中，送丝速度V丝：1200mm/min，扫描速度V扫：200mm/min，激光平均功率P：150W，层间温度T2：250℃。
步骤4：增材过程中，每成型一层，电弧电流增加12A，当电流达到168A时，后续增材电弧电流保持不变。
实施例3
激光/电弧复合增材制造铜合金薄壁件成型尺寸为90mm×6mm×30mm。每层高度为1mm。增材过程熔覆效果好，工艺过程稳定，成形质量高。经力学性能检测，薄壁件抗拉强度为239.97MPa。成型过程的工艺参数为：激光离焦量：负离焦量；光丝间距：0；钨针伸出焊枪长度：10mm；焊丝：直径1.2mm的铜合金焊丝；保护气为高纯氩气，气体流量为16L/min；基板尺寸：长×宽×高＝200mm×200mm×16mm。
具体工艺过程为：
步骤1：增材前，用钢丝刷除去基板表面的氧化物，用酒精溶液擦拭基板表面，后进行预热。
步骤1中，基板预热温度T1为250℃。
步骤2：调整激光与焊枪之间的夹角θ，θ＝θ1+θ2，保证θ角为55°，实现激光热源与电弧热源之间的良好耦合。
步骤2中，θ1为激光器与竖直方向的夹角，为10°；θ2为焊枪与竖直方向的夹角，为45°。
步骤3：在预热后的基板上进行铜及其合金的电弧/激光复合增材制造。先启动电弧，后同时启动激光器和送丝机构。
步骤3中，第一层增材所用电弧电流A电：110A的交流电流。
步骤3中，送丝速度V丝：1200mm/min，扫描速度V扫：200mm/min，激光平均功率P：200W，层间温度T2：200℃。
步骤4：增材过程中，每成型一层，电弧电流增加14A，当电流达到180A时，后续增材电弧电流保持不变。
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 (3)

1.一种基于铜及其合金的增材制造方法，其特征在于，所述方法为铜及其合金的电弧/激光复合增材制造方法，具体包括以下步骤：
(1)预热基板，预热温度T1＝800-5A电，其中A电为第一层电弧电流大小；
(2)调整激光与焊枪之间的夹角θ，θ＝θ1+θ2，保证θ角在45°～55°之间，实现激光热源与电弧热源之间的良好耦合，其中θ1为激光器与竖直方向的夹角，为3°～15°，θ2为焊枪与竖直方向的夹角，为35°～50°；
(3)在预热后的基板上进行铜及其合金的电弧/激光复合增材制造，先启动电弧，后同时启动激光器和送丝机构；增材过程中保证4≤V丝/V扫≤6，其中V丝为送丝速度，V扫为扫描速度；增材过程中激光平均功率依据电弧电流的大小进行调整，层间温度依据激光平均功率进行调整；激光平均功率P＝200-5(A电-110)，层间温度T2＝400-P；
(4)增材过程中，每成型一层，电弧电流增加10～14A，当电流达到160A～180A时，后续增材电弧电流保持不变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，第一层电弧电流A电为110A～130A的交流电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，V丝为750mm/min～1600mm/min，V扫为125mm/min～400mm/min。
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