CN116000457A - 激光同轴诱导多tig电弧多丝快速增材制造方法及制造系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种激光同轴诱导多TIG电弧多丝快速增材制造方法，采用多热源、多丝增材的制造方式，引入多TIG电弧热源和多焊丝，能够提高每根焊丝的送丝速度，显著提高沉积效率，进而能够实现大型复杂结构件的无模具、高自由度、定制化成形。该方法的具体步骤为：将预处理好的基板装夹固定在工作台上；利用激光热源和多个TIG电弧热源形成的对称型复合热源，按照设定的工艺参数对送入熔池的多根焊丝进行融化并在基板上铺展，并按照预设的加工路径进行增材制造，得到目标金属零件；所述对称型复合热源中，激光热源位于中心，多个TIG电弧热源和多根焊丝沿所述激光热源的周向交替均匀间隔分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种增材制造方法，具体涉及一种激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，属于金属增材制造技术领域。
背景技术
对于大型复杂构件，传统的制造工艺包括整体铸造、锻造；铸造工艺不可避免的存在缩孔和粗晶偏析等缺陷，力学性能较差，锻造可以避免较大缺陷，但生产成本高、效率较低、大型复杂构件制造困难，且两者均需要经过毛坯粗加工+样件精加工等切削处理，工序较繁琐、生产周期长。增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积原理的制造技术，通过计算机辅助设计模型，按照规划路径，采用材料逐层堆积制造金属构件的成形方法。与传统减材或等材制造技术相比，增材制造技术具有快速近净成形技术优势，材料利用率高、制造成本低、生产周期短，特别是能够实现大型复杂结构件的无模具、高自由度、定制化成形。
根据热源不同，金属增材制造主要分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造等单一热源增材制造；其中激光增材制造具有精度高、对难熔金属可以近净成形的优点，但也存在生产成本高、多用于精密构件的制造；电子束增材制造具有可以成形活性金属、效率较高的优点，但其制造条件苛刻(真空)很难实现大规模生产应用；电弧增材制造技术具体包括熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊；其中熔化极电弧增材制造具有成形效率高、焊接效率高等优点，但存在熔滴飞溅大、电弧稳定性差、力学性能较差等缺点。TIG电弧增材制造技术是较为成熟的非熔化极电弧增材制造技术之一，具有电弧稳定性高、飞溅小、成形质量好及力学性能优良的特点。然而，TIG电弧增材制造过程熔覆效率低，沉积效率仅为1.8kg/h～2.8kg/h，在制造大型零件方面受到限制。
为进一步提高电弧增材制造沉积率，近几年来相关学者提出了激光诱导电弧增材制造技术，仍是以单电弧为主(如申请号为201910238420.6的专利中公开的基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢机构件增材制造方法及制造系统)，低功率激光旁轴诱导电弧的非对称型的复合热源，一定程度上提升了电弧的稳定性及增材制造效率，但在制造大型零件仍受到限制。
综上，现有增材制造均采用的为单一热源或仅单低功率激光旁轴诱导单电弧的非对称型复合热源，存在沉积效率低，制造大型零件受限的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种激光同轴诱导多TIG电弧多丝快速增材制造方法，采用多热源、多丝增材的制造方式，引入多TIG电弧热源和多焊丝，能够提高每根焊丝的送丝速度，显著提高沉积效率，进而能够实现大型复杂结构件的无模具、高自由度、定制化成形。
激光同轴诱导多TIG电弧多丝快速增材制造方法，该方法的具体步骤为：将预处理好的基板装夹固定在工作台上；
利用激光热源和多个TIG电弧热源形成的对称型复合热源，按照设定的工艺参数对送入熔池的多根焊丝进行融化并在基板上铺展，并按照预设的加工路径进行增材制造，得到目标金属零件；
所述对称型复合热源中，激光热源位于中心，多个TIG电弧热源沿所述激光热源的周向均匀间隔分布；沿周向分布的多个TIG电弧热源所形成的多个间隔中，至少在两个间隔中设置焊丝。
作为本发明的一种优选方式，在每个间隔中均设置焊丝，即多个TIG电弧热源、多根焊丝沿激光热源的周向交替均匀间隔分布。
作为本发明的一种优选方式，利用对称型复合热源时，用于发射激光光源的激光枪垂直于基板，然后将多个TIG电弧热源以及多根焊丝分布于激光热源的四周；其中激光热源与用以提供TIG电弧的钨极最低端间的距离为1mm～7mm；激光热源与钨极间的夹角为5°～60°。
作为本发明的一种优选方式，所述工艺参数包括：激光热源的功率、离焦量、焊接电流、送丝速度以及焊接速度；所述激光热源的功率为500W～4000W；离焦量为-20mm～20mm；焊接电流为50A～300A；送丝速度为2m/min～8m/min；焊接速度为0.1m/min～2.0m/min。
作为本发明的一种优选方式，所述激光热源为摆动式。
作为本发明的一种优选方式，所述激光热源的摆动方式为圆形摆动、垂直摆动、8字摆动或∞摆动；摆动频率为0Hz～400Hz；摆动幅度为0mm～8mm。
作为本发明的一种优选方式，增材制造过程中，采用氩气或氦气作为保护气，保护气的流量为5L/min～40L/min。
作为本发明的一种优选方式，所述焊丝的直径为0.8mm～2.4mm。
作为本发明的一种优选方式，
步骤1：根据目标金属结构件的尺寸选择基板，对基板的表面进行预处理后放置于工作台上，用夹具进行装夹固定；
步骤2：建立目标金属结构件的三维模型，对三维模型进行切片分层处理，获得增材制造的加工路径；
步骤3：选择焊丝，并设定增材制造的工艺参数；
步骤4：将用于发射激光光源的激光枪垂直于基板，并将多个TIG电弧热源均匀间隔分布于激光热源的四周，然后在至少两个TIG电弧热源的间隔之间各设置一根焊丝；
步骤5：按照步骤3设定的工艺参数对送入熔池的多根焊丝进行融化并在基板上铺展，并按照步骤2中的加工路径进行增材制造，得到目标金属结构件；
步骤6：通过冷加工手段将基板与目标金属结构件分离。
此外，本发明提供一种激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造系统，包括：激光枪、多TIG电弧同轴焊炬、内部设置有水冷通道的环形壳体、送丝机构、焊机控制器和激光控制器；
所述激光控制器控制所述激光枪发出激光束作为激光热源；
所述多TIG电弧同轴焊炬具有多根钨极用于提供多TIG电弧热源；
所述激光热源位于环形壳体的轴线上；多TIG电弧同轴焊炬的多根钨极沿激光热源的周向均匀间隔分布；多根钨极位于同一锥形面上，该锥形面的中心轴与激光热源同轴；由此形成对称型复合热源；
所述送丝机构能够同时夹持多根焊丝并将其送入熔池稳定融化并在基板上铺展；多根焊丝沿激光热源的周向均匀间隔分布，且多根焊丝与多根钨极交替分布；
所述激光枪、多TIG电弧同轴焊炬以及所述送丝机构固定在一起，保持同步运动；且使所述对称型复合热源和多根焊丝形成的焊丝组同轴位于所述环形壳体内部；
所述焊机控制器控制多TIG电弧同轴焊炬进行电弧起弧，并控制所述送丝机构送丝。
有益效果：
(1)本发明的增材制造方法采用多热源多丝协同增材的方案，除采用激光同轴诱导外，还引入了多TIG电弧，采用激光热源、多TIG电弧热源、多根焊丝同轴输出的方式，多个TIG电弧热源沿激光热源的周向交替均匀间隔分布，并在至少两个间隔之间各设置一根焊丝，使得每根焊丝均有与之配合的热源，在增材制造时能够提高每根焊丝的送丝速度，实现多热源多丝共熔池快速增材制造，提高焊丝沉积效率，进而能够实现大型复杂结构件增材制造。
(2)本发明的增材制造方法中激光热源与多TIG电弧形成对称型复合热源，作用形式上为一个热源，激光热源在中心诱导多TIG电弧，使多根焊丝共熔池同步熔化；多热源耦合作用机制，小功率激光束热源位于多热源中心诱导、多TIG电弧均布在四周协同输出为主，沿焊接方向，位于激光热源前、后的电弧分别起到预热和后热的效果，并通过激光热源对TIG电弧进行稳弧，突破了复合热源稳弧控制、高效熔敷、精准成形等关键核心技术；由此利用低功率激光热源与多TIG电弧产生交互作用，并进一步通过激光对多电弧的稳定诱导实现多弧的稳定控制，实现多丝的稳定熔化和液态金属的均匀铺展，实现优质、稳定增材制造，解决大型复杂构件传统制造技术难题。
(3)本发明的增材制造方法利用TIG电弧焊接热源为纯惰性气体保护焊的优质性，结合激光诱导多电弧热源耦合效应，同时熔化多根焊丝，弥补了单TIG电弧焊接效率低的问题，从而兼顾了增材制造的效率和质量。
(4)本发明通过摆动激光束的引入，在保证高效、优质成形的同时，通过摆动激光对焊接熔池的搅动作用，引导了液态金属的规律流动，减少了热量累积，避免了层间未熔合、夹渣、气孔等缺陷的产生，改善了焊缝组织及其均匀性、降低了墙体变形量、提高了目标金属零件的力学性能，兼顾了增材质量和效率。由此，利用激光束对多TIG电弧的诱导和稳弧作用、多热源交互作用及摆动激光的搅动作用，实现了多热源多丝共熔池增材制造形-性同步调控。
(5)激光枪、多TIG电弧同轴焊炬以及所述送丝机构固定在一起，使其能够保持同步运动。
附图说明
图1和图2为本发明的激光同轴诱导多TIG电弧多丝增材制造技术原理图。
其中：1-保护气、2-钨极、3-激光热源、4-焊丝、5-水冷通道、6-电弧、7-熔池、8-环形壳体。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本实施例提供一种激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，该方法是基于大型复杂构件传统工艺制造瓶颈，如大型工件锻造困难、铸件无法满足质量要求而提出，采用多热源多丝增材制造方式，能够大幅提升增材制造效率，实现多热源焊接过程稳定运行。
如图1和图2所示，该激光同轴诱导多TIG电弧多丝的高效增材制造方法采用的为激光热源3、多TIG电弧热源(即两个以上TIG电弧热源)、多根焊丝4(即两根以上焊丝4)同轴结合的方式；激光热源3在中心，多个TIG电弧热源、多根焊丝4交替均匀间隔分布在激光热源3周围(即多个TIG电弧热源所形成的圆环的轴线、多根焊丝4形成的圆环的轴线均与激光热源3同轴)，通过合理分配光-弧-丝空间位置及能量输出可实现“光-丝-弧”之间有效的能量传输与转化。
基于此，用于实现该高效增材制造方法的制造系统包括：用于发射低功率激光热源3的激光头，具有多根钨极2用于提供多TIG电弧热源的多TIG电弧同轴焊炬以及能够同时夹持多根焊丝4并将其送入熔池7稳定熔化的送丝机构；激光头、多TIG电弧同轴焊炬以及送丝机构固定在一起，保持三者同步运动。此外，该制造系统还包括内部设置有水冷通道5的环形壳体8、焊机控制器和激光控制器；其中激光头、多TIG电弧同轴焊炬以及送丝机构同轴位于该环形壳体8内部，并与环形壳体8固接。焊机控制器控制多TIG电弧同轴焊炬进行电弧起弧，并控制送丝机构进行送丝；激光控制器控制激光头发出激光束作为激光热源3。
该增材制造系统以多个TIG电弧热源为主要能量来源，小功率激光热源3在中心起到诱导电弧、稳弧的作用；多个TIG电弧热源均匀、等间距分布在激光热源3的四周(具体的多根钨极2沿周向均匀间隔分布在激光热源3的四周)，形成对称型复合热源；多热源能量协同输出，通过激光热源3、多个TIG电弧共熔池7交互作用，实现对多根焊丝4的熔化，建立光-弧-丝间协同机制，通过能量传输控制、形-性同步调控、高效稳定增材制造几方面实现激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速、优质、稳定的增材制造。
如图2所示，本例中，该对称型复合热源包括四个TIG电弧热源和一个激光热源3；激光热源3位于环形壳体8的轴线上(即激光头位于环形壳体8的轴线上)，多TIG电弧同轴焊炬的四根钨极2沿激光热源3的周向均匀间隔分布(具体的，四根钨极2相对激光热源3倾斜设置，四根钨极2位于同一锥形面上，该锥形面的中心轴与激光热源3同轴)，由此形成的四个间隔(每两个钨极2之间为一个间隔)；在至少两个间隔中各设置一根焊丝4；本例中，在每两个钨极2之间均设置一根焊丝4(即设置有四根焊丝4)，且焊丝4位于两个钨极2中间位置；激光热源3和四根钨极2产生的电弧6共熔池7，实现对四根焊丝4的熔化；由此每根焊丝4均具有与之对应的热源，能够提高焊丝4的送丝速度，进而提高增材效率，且每根焊丝4的受热均匀，能够实现优质、稳定的增材制造。
为提高增材墙体的成形效果，也可在其中两个钨极2之间不设置焊丝4；如图2所示，依然采用四个TIG电弧热源和一个激光热源3形成的对称型复合热源；但在其中两个钨极2之间不设置焊丝4，即仅在其中三个间隔中各设置一根焊丝4。使用时，未设置焊丝4的间隔所在端朝后；后方不设置焊丝4能够避免焊缝余高过大从而影响单道焊缝的平整性，进而影响增材墙体的成形效果。
激光同轴诱导多TIG电弧多丝的能量传输控制主要体现在以下两个方面：一方面用于提供激光热源3的激光头、用于提供多TIG电弧热源的多TIG电弧同轴焊炬、用于提供多根焊丝4的送丝机构的空间结构设计，三者采用同轴、对称输出方式；激光热源3位于中心，多TIG电弧热源(即多根钨极2)、多根焊丝4交替均匀分布在激光热源3周围，保证了能量输出的方向性，以提高能量利用率及焊丝有效沉积率；另一方面激光热源3、多TIG电弧热源输出能量匹配，基于光-弧-丝的空间结构设计，以多TIG电弧热源能量为主，小功率激光热源3在中心起到诱导和稳定电弧的作用，多TIG电弧热源输出能量相互协同，互为补充，以实现多丝稳定沉积。
此外，激光热源3可采用摆动激光，按设定规律摆动，由此能够扩大激光热源3的作用范围，可实现实时且均匀诱导多TIG电弧热源，避免出现某一电弧漂移或多电弧受力不均现象出现，改善熔丝效果、提升熔丝效率，提高了材料利用率，减少后续的切削加工量，提高生产效率。
由此采用上述合理分配光-弧-丝空间位置及能量输出的方式可实现“光-丝-弧”之间有效的能量传输与转化。
激光同轴诱导多TIG电弧多丝形(焊缝成形)-性(增材零件的力学性能)同步调控主要体现在以下三个方面：第一方面，位于中心位置的小功率激光热源3对多TIG电弧具有稳弧作用，可以提高多TIG电弧的稳定性，防止多TIG电弧的不规则漂移，从而减小液态金属的不规则流动，避免墙体下榻、侧边成形不规则现象出现，降低增材制造墙体粗糙度，改善成形效果，减少加工余量，提高材料利用率及生产效率；第二方面，激光热源3与分散多TIG电弧的交互作用(即：激光与TIG电弧复合焊接时，工件表面的光致等离子体/金属蒸汽可以进入电弧区，由于金属蒸汽的电离能较小，所以很容易被电离，这样就减少了电弧的电阻率，使得电弧电流密度明显提高，因此促进了电弧的稳定燃烧，提升了电弧的能量利用率。与此同时激光小孔周围具有较高的温度，这样易于使电子产生热发射，导致电弧容易被压缩并吸引到小孔中，能量更为集中，大大提升了能量利用率，二者产生较强的相互协同作用，使得复合焊接的稳定性及热源效率进一步提升)，可以增强对熔池7的搅动效果，避免层间未熔合、夹渣、气孔等缺陷的产生，增加熔池7面积，拓宽单层增材宽度，有利于液态金属平整铺展，改善成形、提高效率；第三方面，引入摆动激光热源，延长了液态金属接触时间，进一步抑制焊接缺陷的产生，并能够通过摆动路径、幅度的调控诱导熔池金属定方向、定幅度的流动，实现墙体逐层逐道规律抬升，此外，摆动激光热源对熔池7的搅动作用可以细化晶粒尺寸、改善组织，提高力学性能，从而实现多热源多丝共熔池增材制造形-性同步调控。
激光同轴诱导多TIG电弧多丝高效稳定增材制造体现在以下两方面：电弧热源选择TIG电弧焊接热源，主要考虑到其为纯惰性气体保护焊，焊接过程中，惰性保护气1本身不溶于金属，且不与金属反应，避免金属氧化物的生成，显著提高增材零件的力学性能；第二方面，利用激光诱导多TIG电弧热源耦合效应同时添加多根焊丝同步熔化，弥补了单TIG电弧焊接效率低的问题，提高了多热源能量利用率和焊丝沉积率，从而兼顾了效率和质量。
基于此，激光同轴诱导多TIG电弧多丝的高效增材制造方法，将预处理好的基板装夹固定在工作台上；利用激光热源和多个TIG电弧热源形成的对称型复合热源，按照设计的工艺参数对送入熔池的多根焊丝4进行熔化并在基板上铺展，并按照预设的加工路径进行增材制造，得到目标金属零件。具体步骤为：
步骤1：根据目标金属结构件(即待成形金属结构件)的尺寸选择适用的基板，对增材制造所需的基板的表面进行预处理，去除表面油污，干燥待用，将预处理好的基板测量尺寸后放置于工作台上，用夹具进行装夹固定。
上述基板可以为钛合金、钢、铝合金等金属材料中的任一种，厚度为20mm～100mm；预处理为铣平打磨、激光清洗和基板预热等。
步骤2：通过CAD、UG、SolidWorks、3dsmax或MAYA等三维建模软件建立待成形金属结构件的三维模型，获取三维模型文件，通过路径规划软件Materialisemagics、EasyPrint3D或RepetierHost等将三维模型进行切片分层处理，获得增材制造的加工路径。
步骤3：根据目标金属结构件的尺寸和使用需求选择焊丝4，并设定增材制造的工艺参数；增材制造的工艺参数包括：激光热源3的摆动方式、摆动频率、摆动幅度、激光功率、离焦量、激光热源3与用以提供TIG电弧的钨极2间的距离、激光热源3与用以提供TIG电弧的钨极2间的夹角、焊接电流、送丝速度以及焊接速度等；
进一步的，焊丝4的直径为0.8mm～2.4mm；保护气为1氩气或氦气，保护气1的流量为5L/min～40L/min；
进一步的，激光热源3的摆动方式为圆形摆动、垂直摆动、8字摆动或∞摆动；激光热源3的摆动频率为0Hz～400Hz；激光热源3的摆动幅度为0mm～8mm；激光热源3的功率为500W～4000W；离焦量为-20mm～20mm；激光热源3与用以提供TIG电弧的钨极2最低端间的距离为1mm～7mm；激光热源3与钨极2间的夹角(即钨极2相对于激光热源3的轴线向外倾斜的角度)为5°～60°；焊接电流为50A～300A；送丝速度为2m/min～8m/min；焊接速度为0.1m/min～2.0m/min。
进一步的，多TIG电弧热源中钨极2的数量和焊丝4的数量可依据使用需要进行选择，激光热源3可为单光束或双光束、不摆动或摆动模式，不限于以上热源数量、焊丝数量和热源模式。
上述步骤1-步骤3之间没有特定的先后顺序，只需在步骤4之前完成上述工作即可。
步骤4：将用于发射激光光源3的激光头垂直于基板，然后依据设定的工艺参数(激光热源3与钨极2间的距离、夹角)将多TIG电弧热源以及多根焊丝4分布于激光热源3的四周，并将激光头与多TIG电弧同轴焊炬和送丝机构固定；
步骤5：采用低功率激光同轴诱导多TIG电弧多丝增材制造方法进行增材制造；
按照步骤3中设定的激光摆动方式、激光摆动频率、激光摆动幅度、激光功率、离焦量、焊接电流、送丝速度和焊接速度进行增材参数设置，通过焊机控制器进行电弧起弧和送丝，通过激光控制器控制激光头发出激热源3，并控制激光热源3按步骤3中设定的摆放方式摆动，由此进行增材制造，完成目标金属零件的增材制造。
步骤6：完成目标金属结构件的增材制造后，通过线切割等冷加工手段将基板与目标金属结构件分离。
该方法在多TIG电弧热源基础上引入激光热源3，多TIG电弧作为主要热源，小功率激光热源3在中心起到诱导多TIG电弧的作用，通过“光-丝-弧”同轴空间位置设计、多热源能量匹配实现多根焊丝高效、精准熔覆，显著提高焊丝的沉积率，提升单道抬升量，与传统熔化极电弧焊相比，焊接效率相当或提高。与传统单电弧增材制造相比，激光热源3对多个分散TIG电弧具有压缩和引导的作用，避免多个分散TIG电弧出现电弧漂移、电弧力不集中、热量分布不均匀等现象，从而引起液态金属不规则流淌、铺展不均匀，最终导致单层墙体成形精度差，多层累加后须进行切削处理，难以实现自动化生产的问题。此外多TIG电弧热源与激光热源的复合热源模式，不仅体现在比单一TIG电弧焊接成形效果好、性能质量高等方面的优质性，而且通过将两种物理性质、能量传输机制截然不同的多个热源复合在一起，同时作用于同一个熔池7，利用激光热源3对TIG电弧的相互作用，增强了TIG电弧焊接优势，形成一种全新高效的热源，焊接质量达到传统氩弧焊水平，通过多丝的引入，在保证焊接质量的前提下大幅提升了焊接效率。
综上，上述激光同轴诱导多TIG电弧多丝增材制造方法，结合了多热源复合的优质性和高效性，一方面体现在小功率激光同轴诱导多TIG电弧对称型多热源能量的稳定、均匀输出，保证了多丝熔覆质量和效率，提升了单道增材量；另一方面体现在小功率激光同轴诱导多TIG电弧多热源耦合优质焊接特性，利用激光对多个TIG电弧的稳定和压缩作用及多热源之间的交互作用，实现单道焊缝的无缺陷、低变形、高质量成形，从而提高目标构件整体制造水平；进一步地，采用摆动激光束实现对熔池定方向、定幅度的有规律均匀搅动，避免焊接缺陷的产生、细化晶粒、改善组织及其均匀性，最终提高力学性能，实现大型复杂构件高效、快速、优质、高精度、低成本制造。
实施例1：
本实施例的一种激光同轴诱导多TIG电弧多丝的高效增材制造方法，按以下步骤进行：
将增材制造所需的30mm厚钢基板的表面进行机械打磨，去除表面油污，干燥待用，将预处理好的基板测量尺寸后放置于工作台上，用夹具进行装夹固定。建立待加工金属零件的三维模型，获取三维模型文件，通过切片软件进行切片处理，获得增材制造的加工路径。
根据待加工金属零件使用ER50-6焊丝，根据焊丝的种类选择保护气1为氩气；其中焊丝4的直径为1.2mm，保护气1为氩气，保护气的流量为30L/min；设定增材制造的工艺参数：激光热源3的摆动方式为圆形摆动、摆动频率为100Hz、激光摆动幅度为2mm；激光热源3的功率为1000W、离焦量为5mm、激光热源3与钨极2间距离为2mm、激光热源3与钨极2间夹角为10°、焊接电流为50A、送丝速度为4m/min、焊接速度为0.6m/min。
将激光头与多TIG电弧同轴焊炬和送丝机构固定；通过焊机控制器进行电弧起弧和送丝，通过激光控制器控制激光头发出激光束作为激光热源3进行增材制造，由此完成目标金属零件的增材制造。最后通过线切割将基板与目标金属零件分离。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：
将预处理好的基板装夹固定在工作台上；
利用激光热源和多个TIG电弧热源形成的对称型复合热源，按照设定的工艺参数对送入熔池的多根焊丝进行融化并在基板上铺展，并按照预设的加工路径进行增材制造，得到目标金属零件；
所述对称型复合热源中，激光热源位于中心，多个TIG电弧热源沿所述激光热源的周向均匀间隔分布；沿周向分布的多个TIG电弧热源所形成的多个间隔中，至少在两个间隔中设置焊丝。
2.如权利要求1所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：在每个间隔中均设置焊丝，即多个TIG电弧热源、多根焊丝沿激光热源的周向交替均匀间隔分布。
3.如权利要求1所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：利用对称型复合热源时，用于发射激光光源的激光枪垂直于基板，然后将多个TIG电弧热源以及多根焊丝分布于激光热源的四周；其中激光热源与用以提供TIG电弧的钨极最低端间的距离为1mm～7mm；激光热源与钨极间的夹角为5°～60°。
4.如权利要求1所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：所述工艺参数包括：激光热源的功率、离焦量、焊接电流、送丝速度以及焊接速度；所述激光热源的功率为500W～4000W；离焦量为-20mm～20mm；焊接电流为50A～300A；送丝速度为2m/min～8m/min；焊接速度为0.1m/min～2.0m/min。
5.如权利要求1所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：所述激光热源为摆动式。
6.如权利要求5所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：所述激光热源的摆动方式为圆形摆动、垂直摆动、8字摆动或∞摆动；摆动频率为0Hz～400Hz；摆动幅度为0mm～8mm。
7.如权利要求1-5任一项所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：增材制造过程中，采用氩气或氦气作为保护气，保护气的流量为5L/min～40L/min。
8.如权利要求1-5任一项所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：所述焊丝的直径为0.8mm～2.4mm。
9.如权利要求1-5任一项所述的激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造方法，其特征在于：
步骤1：根据目标金属结构件的尺寸选择基板，对基板的表面进行预处理后放置于工作台上，用夹具进行装夹固定；
步骤2：建立目标金属结构件的三维模型，对三维模型进行切片分层处理，获得增材制造的加工路径；
步骤3：选择焊丝，并设定增材制造的工艺参数；
步骤4：将用于发射激光光源的激光枪垂直于基板，并将多个TIG电弧热源均匀间隔分布于激光热源的四周，然后在至少两个TIG电弧热源的间隔之间各设置一根焊丝；
步骤5：按照步骤3设定的工艺参数对送入熔池的多根焊丝进行融化并在基板上铺展，并按照步骤2中的加工路径进行增材制造，得到目标金属结构件；
步骤6：通过冷加工手段将基板与目标金属结构件分离。
10.激光同轴诱导多TIG电弧多丝的快速增材制造系统，其特征在于：包括：激光枪、多TIG电弧同轴焊炬、内部设置有水冷通道的环形壳体、送丝机构、焊机控制器和激光控制器；
所述激光控制器控制所述激光枪发出激光束作为激光热源；
所述多TIG电弧同轴焊炬具有多根钨极用于提供多TIG电弧热源；
所述激光热源位于环形壳体的轴线上；多TIG电弧同轴焊炬的多根钨极沿激光热源的周向均匀间隔分布；多根钨极位于同一锥形面上，该锥形面的中心轴与激光热源同轴；由此形成对称型复合热源；
所述送丝机构能够同时夹持多根焊丝并将其送入熔池稳定融化并在基板上铺展；多根焊丝沿激光热源的周向均匀间隔分布，且多根焊丝与多根钨极交替分布；
所述激光枪、多TIG电弧同轴焊炬以及所述送丝机构固定在一起，保持同步运动；且使所述对称型复合热源和多根焊丝形成的焊丝组同轴位于所述环形壳体内部；
所述焊机控制器控制多TIG电弧同轴焊炬进行电弧起弧，并控制所述送丝机构送丝。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116460441A (zh) * | 2023-05-15 | 2023-07-21 | 广东省科学院中乌焊接研究所 | 一种铝钛合金复合热源增材制造方法 |
Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5076974A (en) * | 1988-04-18 | 1991-12-31 | 3 D Systems, Inc. | Methods of curing partially polymerized parts |
| US5407514A (en) * | 1988-02-03 | 1995-04-18 | E. O. Butts Consultants Ltd. | Method for welding thermoplastic materials |
| JPH11216572A (ja) * | 1998-01-30 | 1999-08-10 | Mazda Motor Corp | 再溶融処理方法およびその装置 |
| GB0519757D0 (en) * | 2004-10-19 | 2005-11-09 | Snecma | A welding tool |
| CN108672936A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-10-19 | 湖南科技大学 | 一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法 |
| CN109158599A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-08 | 西南交通大学 | 金属零部件损伤的3d打印原位修复系统及其修复方法 |
| CN109759707A (zh) * | 2019-01-13 | 2019-05-17 | 大连理工大学 | 一种铝合金环形件激光-tig复合热源增材制造方法 |
| CN109834390A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-06-04 | 华中科技大学 | 一种多自由度柔性增材制造设备及方法 |
| CN109909616A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-06-21 | 大连理工大学 | 一种基于低功率激光诱导tig电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统 |
| CN110834133A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-25 | 西南交通大学 | 一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法 |
| CN111014993A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-17 | 北京理工大学 | 一种金属材料超高效增材制造方法 |
| CN212330013U (zh) * | 2020-02-18 | 2021-01-12 | 空客(北京)工程技术中心有限公司 | 增材制造系统 |
| CN112518082A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-19 | 上海交通大学 | 一种基于多传感信息的机器人热丝tig增材质量监控系统 |
| US20210252622A1 (en) * | 2020-02-18 | 2021-08-19 | Airbus (Beijing) Engineering Centre Company Limited | Additive manufacturing system and additive manufacturing method |
| CN113319430A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-08-31 | 青岛尚禹环境科技有限公司 | 一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置 |
| CN113751877A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-12-07 | 燕山大学 | 一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法 |
| CN115213576A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-10-21 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备 |
| CN115283870A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-11-04 | 西安优弧智熔增材制造有限公司 | 一种复合热源增材制造方法及装置 |
-
2022
- 2022-12-06 CN CN202211556581.8A patent/CN116000457B/zh active Active
Patent Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5407514A (en) * | 1988-02-03 | 1995-04-18 | E. O. Butts Consultants Ltd. | Method for welding thermoplastic materials |
| US5076974A (en) * | 1988-04-18 | 1991-12-31 | 3 D Systems, Inc. | Methods of curing partially polymerized parts |
| JPH11216572A (ja) * | 1998-01-30 | 1999-08-10 | Mazda Motor Corp | 再溶融処理方法およびその装置 |
| GB0519757D0 (en) * | 2004-10-19 | 2005-11-09 | Snecma | A welding tool |
| CN1762647A (zh) * | 2004-10-19 | 2006-04-26 | 斯奈克玛公司 | 焊接工具 |
| CN108672936A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-10-19 | 湖南科技大学 | 一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法 |
| CN109158599A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-08 | 西南交通大学 | 金属零部件损伤的3d打印原位修复系统及其修复方法 |
| CN109759707A (zh) * | 2019-01-13 | 2019-05-17 | 大连理工大学 | 一种铝合金环形件激光-tig复合热源增材制造方法 |
| CN109834390A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-06-04 | 华中科技大学 | 一种多自由度柔性增材制造设备及方法 |
| CN109909616A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-06-21 | 大连理工大学 | 一种基于低功率激光诱导tig电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统 |
| CN110834133A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-25 | 西南交通大学 | 一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法 |
| CN111014993A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-17 | 北京理工大学 | 一种金属材料超高效增材制造方法 |
| CN212330013U (zh) * | 2020-02-18 | 2021-01-12 | 空客(北京)工程技术中心有限公司 | 增材制造系统 |
| US20210252622A1 (en) * | 2020-02-18 | 2021-08-19 | Airbus (Beijing) Engineering Centre Company Limited | Additive manufacturing system and additive manufacturing method |
| CN112518082A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-19 | 上海交通大学 | 一种基于多传感信息的机器人热丝tig增材质量监控系统 |
| CN113319430A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-08-31 | 青岛尚禹环境科技有限公司 | 一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置 |
| CN113751877A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-12-07 | 燕山大学 | 一种激光诱导电弧震荡的多丝同步增材制造方法 |
| CN115213576A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-10-21 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备 |
| CN115283870A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-11-04 | 西安优弧智熔增材制造有限公司 | 一种复合热源增材制造方法及装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 何双;陈辉;陈勇;徐力栋;车小莉;: "激光功率对激光-MAG复合焊熔滴过渡行为的影响", 激光与光电子学进展, vol. 1, no. 02, 20 September 2017 (2017-09-20), pages 253 * |
| 温阳;汪苏;李晓辉;: "304~#不锈钢旋转双焦点激光-TIG焊接组织性能", 激光技术, no. 06, pages 39 - 42 * |
| 西姆斯: "3D打印技术与应用", vol. 1, 大连理工大学出版社, pages: 253 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116460441A (zh) * | 2023-05-15 | 2023-07-21 | 广东省科学院中乌焊接研究所 | 一种铝钛合金复合热源增材制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116000457B (zh) | 2024-03-22 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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