CN115722801A - 激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，包括：S1、构建电弧熔池；S2、采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，以牵引定向凝固的方式，增加所述电弧熔池的宽度，并减小所述电弧熔池的厚度，得到宽度和厚度受控的单元沉积层；S3、重复步骤S1至步骤S2，形成依次重叠的多个所述单元沉积层，得到增材工件。能够提高增材工件的制造精度，还能够一次性制造出变截面的增材工件，节约了材料，节省了加工工序，提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及增材加工技术领域，具体涉及一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法。
背景技术
电弧增材制造具备高效率低成本的优势，但同时成形精度低、变形大的问题，极大地限制了电弧增材的制造效率和应用拓展。现有技术通常采用的电弧增材制造方法有：(1)电弧直接成形，通过控制成形过程的基础工艺参数，形成增材毛坯件，但增材毛坯件的精度低，增材毛坯件的精度一般为厘米级。(2)电弧增材同步机械摆动的方法，其成形精度也低。
因此，本发明提供了一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，解决了现有技术中电弧增材制造方法成形精度低的技术问题。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，包括：
S1、构建电弧熔池；
S2、采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，以牵引定向凝固的方式，增加所述电弧熔池的宽度，并减小所述电弧熔池的厚度，得到宽度和厚度受控的单元沉积层；
S3、重复步骤S1至步骤S2，形成依次重叠的多个所述单元沉积层，得到增材工件。
可选地，所述步骤S3之后，还包括：
S4、对所述增材工件进行机加工，得到目标零件。
可选地，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：
沿二维螺旋线的扫描轨迹采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌。
可选地，所述二维螺旋线的螺距或振动波长为0.1mm～10mm。
可选地，所述激光的扫描搅拌速度不小于1m/s。
可选地，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：
采用激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌。
可选地，所述摆动扫描搅拌的半径为0.1mm～10mm。
可选地，所述扫描激光的摆动扫描搅拌速度不小于3m/s。
可选地，所述采用激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌，包括：
通过振镜发出并控制所述激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌。
可选地，所述电弧熔池为电弧和激光熔化金属形成的共熔池。
(3)有益效果
综上，在现有技术中，各电弧熔池直接凝固，最终依次重叠形成增材毛坯件，形成的增材毛坯件的侧面会形成第一弧面。假设现有技术中电弧熔池的厚度为a，则第一弧面的直径一般也为a。而在本发明的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法中，采用激光高速同步扫描搅拌，引导电弧熔池定向凝固沉积，能够增加所述单元沉积层的宽度，并减小所述单元沉积层的厚度，增加了增材工件侧壁成形精度和成形送丝的操控性和稳定性。由于单元沉积层的厚度一般为电弧熔池的1/10～1/5。增材工件侧面的第二弧面的直径则一般也为1/10～1/5。显然，本发明的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法制备的增材工件比现有技术中的增材毛坯件的精度更高。一般而言，现有技术中的增材毛坯件的精度为厘米级，而本发明的增材工件的精度为毫米级，同时也节约了增材工件后续加工的材料。
在现有技术中，当依次形成单元沉积层时，电弧熔丝和上一层单元沉积层之间是点与线的接触，因此，电弧熔丝在熔化的过程中，若出现左右偏移，则也会影响增材毛坯件的制造精度。在本发明中，由于电弧熔丝经过激光定向凝固，使得沉积宽度近似平面，最终，电弧熔丝形成的电弧熔池和上一层的单元沉积层之间是点与面的接触，当电弧熔丝存在左右偏移幅度较小，增加了成形精度的可控性和稳定性。现有技术中，若要制造变截面的增材毛坯件，需要将不同横截面进行多道搭接，增加了输入性缺陷的可能性。而在本发明中，通过控制激光扫描的振幅、螺距、螺旋半径等控制每个单元沉积层的宽度和厚度就可以控制增材工件各个部位的成形状态，因此，可以一次性制造出变截面的增材工件，节约了材料，节省了加工工序，提高了加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅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是现有技术中电弧熔丝制造增材毛坯件的原理示意图；
图2是本发明一实施例中电弧熔丝制造增材工件的原理示意图；
图3是本发明一实施例中制造变截面增材工件原理示意图，其中激光采用二维螺旋线的扫描轨迹对电弧熔池进行搅拌；
图4是本发明一实施例中不同螺距的二维螺旋线的对比图，其中，螺距越小，则二维螺旋线的两侧越平滑，表示最终加工的增材工件的两侧也越平滑，精度也更高；
图5是本发明一实施例中不同螺旋半径和振幅的摆动曲线的对比图。
图中：1-单元沉积层；2-电弧熔丝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
主承力结构件的增材制作工艺一般依次包括：数模、增材制造成形毛坯、机加工制成零件，在整个制造全流程中，增材制造成形毛坯是主承力结构件制造质量和效率的关键。增材制造技术本质来说是堆焊技术的延续。增材制造技术也是信息技术推动堆焊技术数字化快速发展的结果，由于数据处理能力和对机床控制能力的提升，沉积熔池可以按照特定的轨迹进行，但沉积成形工艺熔池尺度是粉末床熔池尺寸的数百倍，现阶段无法达到粉末床成形的自动化程度，仍然需要人工全流程跟踪，自动化程度偏低，批次不确定性因素多，还属于半自动化的劳动密集型产业。从技术方面讲，沉积成形凝固过程中产生的横向、纵向收缩应力，在反复加热和快速凝固过程得不到有效释放，导致结构应力增大，变形开裂倾向增加、堆叠几何精度差、效率低、周期长、成本高。因此如何从结构上、工艺上控制应力变形，提高成形精度和构件内部质量、成形效率、自动化水平、批次稳定性是主承力结构件增材制造批量应用和领域拓展的关键所在。
本实施例提出了一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，包括：
S1、构建电弧熔池；
S2、采用激光对所述以牵引定向凝固的方式对所述电弧熔池进行同步扫描搅拌，增加所述电弧熔池的宽度，并减小所述电弧熔池的厚度，得到宽度和厚度受控的单元沉积层；
S3、重复步骤S1至步骤S2，形成依次重叠的多个所述单元沉积层，得到增材工件。
步骤S1中，构建电弧熔池是为增材制造提供原材料，以及为后续步骤提供材料准备。具体的，采用电弧熔化金属丝形成电弧熔池，电弧熔池为电弧、激光熔化金属形成的共熔池。步骤S2中，采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，将电弧熔池受控拓宽，电弧熔池的厚度自然变薄，最终形成一个宽而薄的单元沉积层，该单元沉积层的厚度比步骤S1中的电弧熔池的厚度更薄，该单元沉积层的宽度也比步骤S1中的电弧熔池的宽度更宽。重复步骤S1至S2时，能够形成多层依次重叠的单元沉积层，多层单元沉积层最终能够形成增材工件。
电弧增材具有热输入大，成形精度低的特征，且热输入会随着多道沉积成形的增加而逐渐增加，电弧丝材的熔化速度变大，沉积量会增加，因此，沉积量与热输入具有正向关系。但热输入对于增材沉积熔宽和余高的影响较为复杂。在一定范围内，热输入增加，熔池变大，则熔宽变大，另一方面，热输入变大也会导致温度升高，熔融金属的表面张力减小，更易于向外扩散，也会使熔宽增大，但热输入过大，熔深的加深程度导致熔宽有一定的减小趋势。热输入增大导致金属熔敷速率增大，金属熔敷量会随之增多，稳定性会降低，层间精度降低。在现有技术中，各电弧熔池直接凝固，最终依次重叠形成增材毛坯件形成的增材毛坯件的侧面会形成第一弧面。假设现有技术中电弧熔池的厚度为a，则第一弧面的直径一般也为a。而在本实施例增材工件中，采用激光高速同步扫描搅拌，引导电弧熔池定向凝固沉积，能够扩展所述单元沉积层的宽度，并减小所述单元沉积层的厚度，增加了增材工件侧壁成形精度和成形送丝的操控性和稳定性。由于单元沉积层的厚度一般为电弧熔池的1/10～1/5。增材工件侧面的第二弧面的直径则一般也为1/10～1/5。显然，本实施例的增材工件比现有技术中的增材毛坯件的精度更高。一般而言，现有技术中的增材毛坯件的精度为厘米级，而本实施例的增材工件的精度为毫米级，同时也节约了增材工件后续加工的材料。
请参照图1，在现有技术中，当依次形成单元沉积层1时，电弧熔丝2和上一层单元沉积层1之间是点与线的接触，因此，电弧熔丝2在熔化的过程中，若出现左右偏移，则也会影响增材毛坯件的制造精度。请参照图2，在本实施例中，由于电弧熔丝2经过激光定向凝固，使得沉积宽度近似平面，最终，电弧熔丝2形成的电弧熔池和上一层的单元沉积层1之间是点与面的接触，当电弧熔丝2存在左右偏移时，对于增材工件的精度影响较小。
请参照图3，现有技术中，若要制造变截面的增材毛坯件，需要将不同横截面的增材毛坯件进行多道搭接，增加了输入性缺陷的可能性。而在本实施例中，通过控制激光扫描的振幅、螺距、螺旋半径等控制每个单元沉积层1的宽度和厚度就可以控制增材工件各个部位的成形状态，因此，可以一次性制造出变截面的增材工件，节约了材料，节省了加工工序，提高了加工效率。
其中，步骤S1和步骤S2之间的间隔时间不大于1S，这样能够确保激光有效的搅拌电弧熔池，避免电弧熔池凝固。
在一实施例中，所述重复上述步骤，形成依次重叠的多个所述单元沉积层1，得到增材工件之后，还包括：
S4、对所述增材工件进行机加工，得到目标零件。
通过对增材工件进行机加工，可以加工成目标零件，由于获取到的增材工件的精度较高，因此，在加工目标零件的过程中，能够减少材料的浪费，同时提高目标材料的加工精度和加工效率。
在一实施例中，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：
沿二维螺旋线的扫描轨迹采用激光对所述电弧熔池扫描搅拌。请参照图3和图4，二维螺旋线是在二维平面内连续缠绕的曲线。在一实施例中，所述二维螺旋线的螺距或振动波长为0.1mm～10mm。二维螺旋线包括多个单元环，当二维螺旋线的扫描螺距或振动波长越小，每个单元环之间的连接更加紧密，各单元环形成的侧面的直线度就越高，则最后形成的增材工件的精度也越高。通过对二维螺旋曲线的螺距进行控制和调控，能够有效地改变电弧熔池的热输入状态，达到增材工件成形效率和精度均提高的目的，为大型承力构件一体化高质量、高精度低成本制造提供技术支持。改变现有电弧增材制造直接沉积控形控性难及复合制造操作装备复杂、工序繁杂、工艺标准和规范执行难、成本高、周期长、精度差的问题，使现有增材制造精度提高一个数量级，可为大型较复杂变截面、瞬变角等结构一体化制造提供技术保障。
在一实施例中，所述激光的扫描搅拌速度不小于1m/s，避免电弧熔池凝固，激光扩展电弧熔池时，单元沉积层1各部分更加均匀。
请参照图5，在一实施例中，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌。在一实施例中，所述摆动扫描搅拌的半径为0.1mm～10mm。在一实施例中，所述扫描激光的摆动扫描搅拌速度不小于3m/s。激光的摆动波长越小，则增材工件的精度更高，同样的，采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌也可以制造变截面的增材工件，其远离和上述原理相同，在此不再赘述赘述。
在一实施例中，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：
通过振镜发出并控制所述激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌。
在一实施例中，所述电弧熔池为钛合金电弧熔池。在一具体的实施例中，固定住基板，将钛合金电弧熔丝2在基板上熔化形成钛合金电弧熔池，然后采用振镜控制激光对钛合金电弧熔池扫描，将钛合金电弧熔池进行扩展，降低单元沉积层1的厚度，其中，激光扫描和钛合金电弧熔池形成之间的间隔时间不大于1S。然后依次完成多个单元沉积层1的制备，最终形成了增材工件。
以上仅为本发明的实施例而已，并不限制于本发明。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，包括：
S1、构建电弧熔池；
S2、采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，以牵引定向凝固的方式，增加所述电弧熔池的宽度，并减小所述电弧熔池的厚度，得到宽度和厚度受控的单元沉积层；
S3、重复步骤S1至步骤S2，形成依次重叠的多个所述单元沉积层，得到增材工件。
2.根据权利要求1所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述步骤S3之后，还包括：
S4、对所述增材工件进行机加工，得到目标零件。
3.根据权利要求1或2所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：
沿二维螺旋线的扫描轨迹采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌。
4.根据权利要求3所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述二维螺旋线的螺距或振动波长为0.1mm～10mm。
5.根据权利要求4所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述激光的扫描搅拌速度不小于1m/s。
6.根据权利要求1或2所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述采用激光对所述电弧熔池同步扫描搅拌，包括：
采用激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌。
7.根据权利要求6所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述摆动扫描搅拌的半径为0.1mm～10mm。
8.根据权利要求7所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述扫描激光的摆动扫描搅拌速度不小于3m/s。
9.根据权利要求6所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述采用激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌，包括：
通过振镜发出并控制所述激光对所述电弧熔池摆动扫描搅拌。
10.根据权利要求1或2任一项所述的激光辅助提高电弧增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述电弧熔池为电弧和激光熔化金属形成的共熔池。
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