CN115519252A - 一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，该方法具体步骤如下：步骤1：调整电弧焊枪和激光出射头与在带状丝材的相对位置，并设定电弧与激光的协同工作模式。步骤2：调试好设备的电流电压，选定电弧功率、丝材尺寸和送丝速度以及焊接速度等参数；步骤3：选用合适的基板，并用砂轮机对基板进行打磨，给基板进行预热；步骤4：启动制造程序，激光器工作，出射激光束，电弧开始工作至制造流程完成。本发明利用增材过程中电弧和激光两种不同的热源，激光对带状丝材起引导融化的作用，带状丝材相比于圆柱形丝材更容易摊开，从而起到让焊道变宽变薄的效果，以及降低焊道余高，使得焊道质量更加精美，性能得到提升。

Description

一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材 方法

技术领域

本发明属于三维成形制造技术领域，特别是涉及一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法。

背景技术

增材制造技术是以计算机辅助设计、材料加工与成形为基础，通过物联网(IoT)、人工智能(AI)、网络物理系统(CPS)、大数据分析(BDA)、云计算、数字孪生(DT)、5G等现代技术将选取备用的金属材料或非金属材料逐道逐层堆积而成，然后生产出结构性能优异的实物产品的先进制造技术。从1972年开始发展到现在50年左右时间，这一技术不断发展并越来越成熟，不仅在航空航海这样大型领域有所建树，而且在微小结构制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景也十分广阔。增材制造金属产品的技术基础是融化和焊接，从目前发展状况来看，国内外增材制造主要有两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把激光、电子束、电弧等高能束流热源的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。

增材制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造，在航空航天、机械制造等领域，产品开发阶段，计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前，增材制造技术是传统大批量制造技术的一个补充，相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属构件的增材制造应用于产品研发，还存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不能令人满意等问题。其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。

电弧增材制造技术具有成本低、效率高、可控参数多、力学性能良好、金属材料的适用性好等优点，但是也存在一些需要解决的问题：成型精度与净成型零件有一定的差距、残余应力较大、熔池可控性不好等。在传统焊接技术中，熔化极气体保护焊具有焊接焊接电流大、焊接效率较高等优点，但电弧不稳定，成形过程中熔池容易外溢和塌陷；非熔化极气体保护焊焊接稳定，但焊接电流小，焊接效率低。

电弧用于增材制造具有热效率高、熔滴沉积率高等优点，但电弧的热输入较高，容易造成金属结构内部晶粒组织粗大。开放的气体保护电弧作用环境也容易在成形过程形成气孔缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，采用长方体带状丝材取代圆柱形丝材可以更好的让熔滴铺开，其能够起到拓宽焊道宽度，也可以降低焊道余高，散热效果也更加好就进而能提高熔池尾部的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，焊道的性能也就更好。

本发明的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，利用电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量预热和引导焊丝融化，长方体带状丝材能够使得熔池变宽，焊道也随之变宽。其包括如下步骤：

步骤1，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，在带状丝材上方附加一道激光热源，使得激光束照射在带状丝材上。电弧焊枪位置在带状丝材的后上方，出射振荡电弧束随着激光束路径摆动起到融化丝材，形成熔池的作用。

步骤2，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝方式和送丝速度以及焊接速度等参数。

步骤3，选用钛合金作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行一段时间的打磨，去除表面的一些污渍和氧化层；然后给基板进行预热，使基板整体温度均匀达到预定温度，预热基板可以起到去除氢气、消除残余应力以及减少增材时因为温差过大而气流对流严重的效果。

步骤4，启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，形成一定宽度的熔池；电弧熔池的宽度4mm≤B₁/2≤5mm，熔池宽度7mm≤B₂/2≤9mm。

步骤5，让等离子电弧按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的焊道。

步骤6，重复步骤5的操作，直到整个构件成形。

步骤7，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理，得到性能更佳的构件；

进一步的，步骤1中调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，丝材与电弧出射方向成60°夹角，激光出射方向与电弧出射方向夹角为0～30°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在前，电弧热源作用点在后，使得激光能量作用于丝材，起预热丝材和引导电弧摆动的作用；

进一步的，步骤1中调整光弧间距，即激光束与电弧之间的距离H，使得激光热源扫描过的带状丝材区域可以最快被电弧热源熔化但两者又不会相撞。两者之间的距离：6.00mm≤H≤10.00mm。

进一步的，步骤1中激光束的作用模式为脉冲扫描，脉冲激光束以Z形轨迹作用于即将融化的带状丝材表面，且脉冲扫描区域面积≥1/2带状丝材表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

进一步的，步骤1中激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

进一步的，步骤2中为了实现不同长宽高大小带状丝材的增材，等离子电弧的参数包括电压20V≤U≤40V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流60A≤I≤240A，其电流为连续输出的交流电弧电流；送丝速度WFS＝2.0m/min，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝；焊接速度TS＝30mm/s；电弧功率1200W≤P≤8000W；电弧的直径6mm≤D≤8mm。

进一步的，步骤3中基板的预热处理具体为：

在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在20分钟内预热至200～300℃，保温5～10min后进行增材；

增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；

增材结束后，将基板温度调至100～200℃范围内，保持在40～50min后停止，消除残余应力，进一步提升所得构件的性能。

本发明公开了一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，采用长方体的带状丝材取代圆柱体丝材，并设计脉冲激光为辅助热源对丝材进行预热和引导、电弧为主热源的共同工作模式，从而获得更宽更薄、性能更好、边缘质量更好的焊道。利用脉冲激光与材料作用产生的激光等离子体抑制脉冲电弧的不稳定性，利用激光和电弧协同脉冲实现两种能量源的充分融合，并提高材料对热源能量的热吸收率，利用脉冲等离子电弧提供的热量，实现对自动同步送进的带状丝材的熔化，并形成熔滴，使其实现堆积成形，利用设计的脉冲等离子电弧脉冲模式实现相对较低的平均热输入，降低成形构件的内应力和热变形，并起到拓宽焊道的作用。但是在该技术中，脉冲激光因为不是主要热源，其频率需要设置根据不同大小的带状焊丝进行调整，一般设置的功率不会太大，只能起到引导丝材熔化的作用，且因为丝材是长方体的带状，所以形成的熔池可能不是那么均匀，也无法起到震动熔池的作用。

本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：

1、本发明利用等离子电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助脉冲激光能量预先扫描马上要被融化的带状丝材，让焊丝按着设定的路线和方式融化，长方体带状丝材取代圆柱体丝材也能够焊道从而变宽，减少熔滴的堆积，降低焊道余高。同时可以加速熔池中气体逸出，减少宏、微观孔隙，小幅提高结构致密度。

2、本发明通过限定激光束参数，结合电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式和能量匹配方式，保证了电弧作为热源使用，激光束起到预热带状丝材和引导电弧的作用。

3、本发明采用长方体带状丝材取代圆柱形丝材，横截面积更大，熔滴更容易铺展开，铺展面积就更大，得到的焊道面积也就更宽。同理，在体积一定的情况下，横截面积更大，焊道的余高也就更低，成形质量更加精美。金属沉积率高，金属构件成形效率高，且制得的金属内部结构致密，晶粒均匀、细小。

4、本发明电弧热源稳定性好，能够实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。

5、本发明通过激光热源对丝材的预热和对电弧的引导可以控制热量的输入，使得焊道平面更加均匀平滑，焊道成形更加美观，性能质量更高。

附图说明

图1为激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法的结构示意图。

其中：1是电源；2是基板；3是电弧束；4是激光束；5是带状丝材；6是扫描激光器；7是等离子电弧增材设备；8是焊道(成品)。

图2为附加带状丝材附加激光后熔池形貌及激光路径的示意图。

图3为电弧电流脉冲与激光脉冲的波形示意图。其中上方为激光脉冲，下方为电弧电流脉冲。

具体实施方式

本发明技术方法不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

实施例1

本实施例为解决上述技术问题，本实施例提供了一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，包括以下步骤：

第一步：调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，丝材与电弧出射方向成60°夹角，激光出射方向与电弧出射方向夹角为5°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在前，电弧热源作用点在后，使得激光能量作用于丝材，电弧焊枪位置在带状丝材的后上方，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，出射振荡电弧束随着激光束路径摆动起到融化丝材，形成熔池的作用。

调整光弧间距，即激光束与电弧之间的距离H，使得激光热源扫描过的带状丝材区域可以最快被电弧热源熔化但两者又不会相撞。两者之间的距离：H＝10.00mm。

激光束的作用模式为脉冲扫描，脉冲激光束以Z形轨迹作用于即将融化的带状丝材表面，且脉冲扫描区域面积≥1/2带状丝材表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

第二步，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝速度以及焊接速度等参数。等离子电弧的参数包括电压U＝25V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流I＝150A，其电流为连续输出的交流电弧电流；选用宽为8mm，高为0.8mm的长方体带状丝材；送丝速度WFS＝2.0m/min，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝；焊接速度TS＝30mm/s；电弧功率P＝3750W；电弧的直径D＝8mm。

第三步，选用钛合金作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行3min时间的打磨，去除表面的一些污渍和氧化层；在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在20分钟内预热至280℃，保温6min后进行增材；增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；增材结束后，将基板温度调至180℃范围内，保持在40min后停止。

第四步，启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：当电弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与电弧能量为任意匹配；当电弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与电弧电流脉冲的能量匹配包括：当电弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值—峰值匹配；当电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于电弧电流脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值—峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值—基值匹配形成一定宽度的熔池；电弧熔池的宽度B₁＝10mm，激光复合后熔池宽度B₂＝18mm。

第五步，让等离子电弧按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的焊道。

第六步，重复第五步的操作，直到整个构件成形。

第七步，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理，得到性能更佳的构件；

将本实施例制备到的构件取出，表面清理后进行力学性能试验，包括拉伸测试和硬度测试。增材构件的抗拉强度和断后伸长率如下表1所述。

实施例2

本实施例为解决上述技术问题，本实施例提供了一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，包括以下步骤：

第一步：调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，丝材与电弧出射方向成60°夹角，激光出射方向与电弧出射方向夹角为15°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在前，电弧热源作用点在后，使得激光能量作用于丝材，电弧焊枪位置在带状丝材的后上方，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，出射振荡电弧束随着激光束路径摆动起到融化丝材，形成熔池的作用。

调整光弧间距，即激光束与电弧之间的距离H，使得激光热源扫描过的带状丝材区域可以最快被电弧热源熔化但两者又不会相撞。两者之间的距离：H＝9.00mm。

激光束的作用模式为脉冲扫描，脉冲激光束以Z形轨迹作用于即将融化的带状丝材表面，且脉冲扫描区域面积≥1/2带状丝材表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

第二步，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝速度以及焊接速度等参数。等离子电弧的参数包括电压U＝24V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流I＝120A，其电流为连续输出的交流电弧电流；选用宽为6mm，高为0.6mm的长方体带状丝材；送丝速度WFS＝2.0m/min，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝；焊接速度TS＝30mm/s；电弧功率P＝2880W；电弧的直径D＝7mm。

第三步，选用钛合金作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行3min时间的打磨，去除表面的一些污渍和氧化层；在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在20分钟内预热至250℃，保温8min后进行增材；增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；增材结束后，将基板温度调至160℃范围内，保持在40min后停止。

第四步，启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，与案例1一致。电弧熔池的宽度B₁＝9mm，激光复合后熔池宽度B₂＝17mm。

第五步，让等离子电弧按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的焊道。

第六步，重复第五步的操作，直到整个构件成形。

第七步，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理，得到性能更佳的构件；

将本实施例制备到的构件取出，表面清理后进行力学性能试验，包括拉伸测试和硬度测试。增材构件的抗拉强度和断后伸长率如下表1所述。

实施例3

本实施例为解决上述技术问题，本实施例提供了一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，包括以下步骤：

第一步：调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，丝材与电弧出射方向成60°夹角，激光出射方向与电弧出射方向夹角为25°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在前，电弧热源作用点在后，使得激光能量作用于丝材，电弧焊枪位置在带状丝材的后上方，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，出射振荡电弧束随着激光束路径摆动起到融化丝材，形成熔池的作用。

调整光弧间距，即激光束与电弧之间的距离H，使得激光热源扫描过的带状丝材区域可以最快被电弧热源熔化但两者又不会相撞。两者之间的距离：H＝8.00mm。

激光束的作用模式为脉冲扫描，脉冲激光束以Z形轨迹作用于即将融化的带状丝材表面，且脉冲扫描区域面积≥1/2带状丝材表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

第二步，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝速度以及焊接速度等参数。等离子电弧的参数包括电压U＝20V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流I＝70A，其电流为连续输出的交流电弧电流；选用宽为5mm，高为0.5mm的长方体带状丝材；送丝速度WFS＝2.0m/min，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝；焊接速度TS＝30mm/s；电弧功率P＝1400W；电弧的直径D＝6mm。

第三步，选用钛合金作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行3min时间的打磨，去除表面的一些污渍和氧化层；在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在16分钟内预热至230℃，保温10min后进行增材；增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；增材结束后，将基板温度调至130℃范围内，保持在45min后停止。

第四步，启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，与案例1一致。电弧熔池的宽度B₁＝9mm，激光复合后熔池宽度B₂＝17mm。

第五步，让等离子电弧按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的焊道。

第六步，重复第五步的操作，直到整个构件成形。

第七步，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理，得到性能更佳的构件；

将本实施例制备到的构件取出，表面清理后进行力学性能试验，包括拉伸测试和硬度测试。增材构件的抗拉强度和断后伸长率如下表1所述。

表1

	抗拉强度/MPa	断后伸长率/％	硬度/HV
				实施例1	1367	15.7	355
实施例2	1293	13.4	356
				实施例3	1424	11.8	339

Claims (7)

1.一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，在带状丝材上方附加一道激光热源，使得激光束照射在带状丝材上；电弧焊枪位置在带状丝材的后上方，出射振荡电弧束随着激光束路径摆动起到融化丝材，形成熔池的作用；

步骤2，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝方式和送丝速度以及焊接速度参数；

步骤3，选用钛合金作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行一段时间的打磨，去除表面的一些污渍和氧化层；然后给基板进行预热，使基板整体温度均匀达到预定温度；

步骤4，启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，形成一定宽度的熔池；电弧熔池的宽度4mm≤B₁/2≤5mm，熔池宽度7mm≤B₂/2≤9mm；

步骤5，让等离子电弧按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的焊道；

步骤6，重复步骤5的操作，直到整个构件成形；

步骤7，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理。

2.根据权利要求1所述的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，步骤1中，调整电弧焊枪、激光出射头与带状丝材的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，丝材与电弧出射方向成60°夹角，激光出射方向与电弧出射方向夹角为0～30°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在前，电弧热源作用点在后，使得激光能量作用于丝材，起预热丝材和引导电弧摆动的作用。

3.根据权利要求1所述的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，步骤1中，调整光弧间距，即激光束与电弧之间的距离H，保证两个热源不会因为距离太远使得激光预热效果不佳，也不会因为距离太近导致两者相撞；两者之间的距离：6.00mm≤H≤10.00mm。

4.根据权利要求1所述的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，步骤1中，激光束的作用模式为脉冲扫描，脉冲激光束以Z形轨迹作用于即将融化的带状丝材表面，且脉冲扫描区域面积≥1/2带状丝材表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比。

5.根据权利要求1所述的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，步骤1中，激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

6.根据权利要求1所述的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，步骤2中，为了实现不同长宽高大小带状丝材的增材，等离子电弧的参数包括电压20V≤U≤40V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流60A≤I≤240A，其电流为连续输出的交流电弧电流；送丝速度WFS＝2.0m/min，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝；焊接速度TS＝30mm/s；电弧功率1200W≤P≤8000W；电弧的直径6mm≤D≤8mm。

7.根据权利要求1所述的一种激光与电弧复合热源带状丝材实现超宽超薄焊道的增材方法，其特征在于，步骤3中，基板的预热处理具体步骤如下：

在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在20分钟内预热至200～300℃，保温5～10min后进行增材；

增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；

增材结束后，将基板温度调至100～200℃范围内，保持在40～50min后停止，消除残余应力，进一步提升所得构件的性能。

Images