CN116213938A - 一种复合热源金属丝材增材制造成形系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合热源金属丝材增材制造成形系统及方法，该系统将激光和感应加热有机结合，可有效控制丝材激光热影响区的冷却过程，减弱激光对前一道增材层自回火作用，降低热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差组织的能力。采用激光‑感应加热复合热源作为整个激光增材热源，在熔池较低热输入条件下丝材对热源能量的吸收利用率高，可极大提高金属丝材增材效率；采用激光‑感应加热复合热源作为整个激光增材热源，降低增材过程对熔池的热输入优化显微组织质量，可制备获得铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量增材层。

Description

一种复合热源金属丝材增材制造成形系统及方法
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种复合热源金属丝材增材制造成形系统及方法。
背景技术
金属增材制造技术是以高能束流(激光束/电子束/电弧等)作为热源，通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。根据所采用能量源和成形材料的不同，典型的金属增材制造主要包括激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)、电子束选区熔化(ElectronBeamMelting,EBM)、激光近净成形技术(Laser EngineeredNetShaping,LENS)、电子束熔丝沉积成形(ElectronBeamFreeform Fabrication,EBFF)和电弧增材制造(Wireandarcadditivemanufacturing,WAAM)等。以粉末为原材料的增材制造技术的成型精度相对较高，但是其材料利用率较低只有20％～30％)，而以丝材为原材料的增材制造的材料利用率接近100％，同时金属丝材成本较低，成型过程更为安全，成为了当前增材制造领域研究热点。中国专利CN207026485U提出了一种多丝材功能梯度结构的增材制造装置，现阶段不同热源的金属丝材增材制造领域主要存在效率低、费用高、时间长和成型质量较差等缺点。因此，如何高效且低成本的制备出高质量的金属激光增材层，已成为当前亟需解决的关键性技术问题。
目前已经公开的金属丝材增材制造装置，例如申请号201580075879.9美国数字合金公司的专利。例如中国发明申请CN201611186726.4，一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，主要存在(1)丝材在加热过程中有软化现象，而导电嘴必须接触才能导电，导致在送丝过程中发生无法顺利递送以及产生堵头等严重问题；(2)电阻热熔融堆积成型的金属微细丝增材制造过程中，当导电嘴带动丝材运动时，丝材和导电基板接触过程中容易发生起弧飞溅，导致成形效果差、打印不稳定、系统难以控制等问题；(3)丝材增材过程中高温金属液滴与低温基板接触容易产生球化现象，各球形金属颗粒之间无法有效亲和，造成与基板结合力变差，同理推到第二层至第N层，导致层层结合差，甚至无法成形。金属结合理论可知基板需要提高温度接近金属熔点才能和熔融金属液滴互相成形冶金结构，而通过基板整体加热升至要求温度难度较高；(4)电阻热熔融只能融化金属丝材本身，而无法和基体有效结合，导致成形缺陷甚至失败。
为了解决传统激光增材技术存在的上述问题，中国专利CN201811030070.6提出感应加热金属丝材技术在增材领域展开。感应加热加工技术可以获得大面积的增材层，生产成本低，效率高。但目前感应加热技术存在如下缺点：(1)熔化必须控制在液-固两相之间，易出现熔覆层流失，因而熔覆层的致密性稍差；(2)感应加热过程中，所能够达到的最高温度有限，因此对于一些高熔点的合金层难以实现熔覆加工；(3)单纯感应熔覆所需要消耗的能量大，易产生基体过热，产品质量不易控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种复合热源金属丝材增材制造成形系统及方法，以解决现有技术中熔化的丝材与基板结合性差，打印不稳定，高熔点合金层难以实现熔覆加工的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，包括激光器、送丝机、中空套管、感应加热线圈和基板；
所述送丝机设置在中空套管的上方，激光器在中空套管的旁侧，感应加热线圈缠绕在中空套管的外侧壁上，中空套管在基板的上方；
所述中空套管的中心沿其长度方向开设有送丝通道，送丝机输出的丝材穿过送丝通道被加热，所述激光器输出的激光照射在加热后的丝材和基板的汇合处；
所述中空套管的侧壁中开设有熔池保护气通道和丝材保护气通道，所述熔池保护气通道的出口开设在中空套管的下端面上，所述丝材保护气通道的出口开设在中空套管下部分的内侧壁上；
所述基板设置在变位器上，所述基板和变位器之间设置有散热器。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述激光器发出的激光束与感应线圈中心轴线之间的夹角为10～70°。
优选的，所述熔池保护气通道的入口设置在中空套管上部分的外侧壁上；所述熔池保护气通道在中空套管的侧壁中为环形夹缝；所述熔池保护气通道出口上端面的面积小于下端面的面积；所述熔池保护气通道的出口为环状。
优选的，所述丝材保护气通道在中空套管的侧壁中为环形夹缝，所述丝材保护气通道的出口为环状。
优选的，所述丝材保护气通道和熔池保护气通道同轴线设置，所述丝材保护气通道的直径小于熔池保护气通道的直径。
优选的，所述中空套管的下端部设置有接触式测温元件，所述感应加热线圈连接有感应加热线圈温度控制器，所述接触式测温元件和感应加热线圈温度控制器连接。
优选的，所述基板上设置有若干个基板接触式测温元件，所述散热器连接有基板温度控制器，所述基板接触式测温元件和基板温度控制器连接。
优选的，所述激光器在加热后丝材和基板的汇合处形成光斑，所述光斑为圆光斑或矩形光斑，所述圆光斑的直径为0.5-10mm，所述矩形光斑的宽度为0.5-4mm，长度为2-50mm。
优选的，所述激光器、送丝机、中空套管和变位器均设置在机器人平台上。
一种基于上述复合热源金属丝材增材制造成形系统的成形方法，，包括以下步骤：
步骤1，将三维实体零件模型图进行分层切片处理，导入打印系统中；
步骤2，将丝材通过送丝机输送至中空套管的上方；
步骤3，丝材穿过中空套管，中空套管被感应加热线圈加热后成为固态、半溶滴态或溶滴态，或者是两种状态的混合物，或者是三中状态的混合物；
步骤4，被加热后的丝材与激光束汇聚于基板的表面，丝材被激光束加热熔化后成为熔池；在变位机和激光束的作用下，熔池和待增材工件做相对运动，进行增材制造；增材制造过程中，散热器对基板进行散热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，该系统将激光和感应加热有机结合，可有效控制丝材激光热影响区的冷却过程，减弱激光对前一道增材层自回火作用，降低热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差组织的能力。通过上述设计，本发明不仅适用于一般材料的熔覆，还适用于裂纹敏感性高、加工难度大的丝材增材制造，大大拓展适用范围。采用激光-感应加热复合热源作为整个激光增材热源，在熔池较低热输入条件下丝材对热源能量的吸收利用率高，可极大提高金属丝材增材效率；在熔池低热输入条件下不仅适用于一般金属丝材材料的增材过程，还适用于裂纹敏感性高、加工难度大的丝材增材制造；采用激光-感应加热复合热源作为整个激光增材热源，降低增材过程对熔池的热输入优化显微组织质量，可制备获得铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量增材层。
进一步的，在中空套管的底部设置温度计，能够实时测量丝材的温度，本发明可实现对金属丝材表面温度的精确控制，既保证金属丝材增材过程的温度要求，同时也防止温度过高造成低熔点合金元素的过量烧损，从而导致金属成型件化学成分的失衡。
进一步的，本发明无需真空环境的条件限制，可于氮气或氩气等惰性气体氛围下工作。基板和丝材的三维协调运动可实现复杂形状的金属成型零部件的制备，同时也能保证零件尺寸和粗糙度的精确控制；
进一步的，本发明增材线速度的提高可使激光束照射熔池的时间减少，从而可提高激光能量的利用率，解决了普通丝材激光熔覆线速度低、激光能量利用率、熔覆效率低的缺点高效率制备出厚度可调的高性能无裂纹凝固组织。此外对激光器的输出功率要求也有所降低，有效节约了设备成本。
本发明还公开了一种复合热源金属丝材增材制造成形方法，该方法通过复合热源进行增材制造，可有效控制丝材激光热影响区的冷却过程，减弱激光对前一道增材层自回火作用，降低热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差组织的能力。
附图说明
图1为本发明所述一种高效率复合热源金属丝材增材制造成形系统的示意图；
图2为本发明增材过程示意图；
图3为本发明中空套管俯视图；
图4为分发明中空套管底面图。
附图标记：1-机器人平台；2-送丝机；3-激光器；4-感应加热线圈；5-感应加热电源；6-中空套管；7a-感应加热线圈温度控制器；7b-基板温度控制器；8a-丝材接触式测温元件；8b-基板接触式测温元件；9-1-熔池保护气通道；9-2-丝材保护气通道；10-保护气控制器；11-变位器；12-散热器；13-增材成形件；14-丝材；15-基板；16-熔池；17-自动化控制系统；18-辅助移动装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的实施例之一为公开了一种高效率复合热源金属丝材增材制造成形系统，包括：机器人平台、激光系统、感应加热系统、丝材传输系统、保护气系统、散热系统和温度检测系统和自动化控制系统组成。
参见图1，机器人平台1其中所述机器人平台1具有高负载、多轴运动特点，具有六个自由度，能够适应几乎任意角度和轨迹的加工，可以满足实际成形的需要，该六轴机器人还可以自由编程，实现全自动化的工作，具有可控的错误率。用于搭载激光系统、感应加热系统、丝材传输系统、保护气系统和温度监测系统。
机器人平台1的机械臂前端和激光系统连接，激光系统为常见的激光增材使用的装置，激光系统中设置有激光器3，激光器3发射出能量呈高斯分布或均匀分布的激光束；激光束的功率为500-20000w，并且所述激光束1在熔池16处形成直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑。激光器3设置在感应加热线圈4旁，激光器3发出的激光束与感应加热线圈4中心轴线之间的夹角范围为10-70°。作为进一步优选的，增材过程中，激光束3光斑中心在增材层表面的聚焦位置位于加热丝材14位置的前方、中间或后方，但加热丝材14必须处于激光束3光斑范围内。
丝材传输系统，所述丝材传输系统包括滚轮和送丝机2，滚轮和送丝机2均固定安装在机器人平台1上，丝材14缠绕在滚轮19上，送丝机2在滚轮19的下方，丝材14通过送丝机和自身的重力进入中空套管6中。送丝机2用于输送丝材14并引导丝材14通过感应加热线圈4，通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，被加热丝材14与激光束3汇聚于增材工件13表面上方的预设位置，以此通过激光束3与加热丝材14在增材工件13上方的交互作用将丝材继续加热，最终丝材14以固体、半固体或者液体形式于增材工件表面形成的微熔池16，并快速冷却凝固得到与增材工件呈冶金结合的增材层；其中所述送丝机2送丝速率在0-100mm/s间可调，所述金属丝材14直径为0.5-10mm，丝材14为截面尺寸范围在0.5mm～10mm；优选的，所述丝材14为直径为φ1.0mm～φ4mm的实心金属丝或者粉芯金属丝；所述激光束3的聚焦光斑直径比所述丝材14的直径大0.1mm～5mm。所述丝材14的加热温度设计为200℃～1500℃；所述增材线速度设计0-30mm/s。丝材传输装置的送丝端点和激光头的激光束3聚焦点沿自动化控制系统17设定的加工路径在基板15上移动。
感应加热系统包括感应加热线圈4、感应加热电源5、中空套管6、温度控制器7a和接触式测温元件8a。
参见图2、图3和图4，中空套管6通过连接件固定设置在机器人平台1上，中空套管6具有圆柱管状结构，中空套管6为耐高温陶瓷，具体的，耐高温陶瓷为氧化锆陶瓷材料或者氧化铝陶瓷材料，且所述感应加热线圈4沿中空套管6的外壁缠绕；所述中空套管6的中心通孔为送丝通道，送丝通道为圆管通道，内径尺寸在1-4mm，表面粗糙度均在Ra3.2-Ra0.05之间。进一步优选，所述中空套管6材质为氧化铝或氧化锆等中空套管制成，尺寸外径4-8cm，内径1-4cm,套管间隙0.2-1cm之间，中空套管6尺寸可根据不同丝材直径进行更换。中空套管6上开设有熔池保护气通道9-1和丝材保护气通道9-2，熔池保护气通道9-1和丝材保护气通道9-2均和保护气控制器10连通，通过保护气控制器10能够控制输入至熔池保护气通道9-1和丝材保护气通道9-2内气体的流量。熔池保护气通道9-1和丝材保护气通道9-2的入口均开设在中空套管6的侧壁上部，熔池保护气通道9-1沿着中空套管6的长度方向设置，其保护气的进口开设在中空套管6侧壁的上部分，其出口开设在中空套管6的下端面上，熔池保护气通道9-1的出口为环形的“喇叭状”，即出口的上端面面积小于下端面面积，该结构的设计使得熔池保护气通道9-1能够保护更大面积的增材区域。熔池保护气通道9-1整体为一个从上到下的环形间隙通道，使得保护气在中空套管6的侧壁中从上到下运动时，保护气能够冷却中空套管6，同时能够被感应加热线圈4加热，通过加热和换热实现保护气的加热，最终吹向熔池，保护的同时不会对熔池进行冷却。丝材保护气通道9-2的开设方向为中空套管6的径向，即垂直于中空套管6的竖向轴线，丝材保护气通道9-2在中空套管6的侧壁中同样为环缝状，其出口设置在中空套管6下部分的内侧壁上，丝材保护气通道9-2的出口同为环状，环缝状的丝材保护气通道9-2和熔池保护气通道9-1同轴线，丝材保护气通道9-2相对于熔池保护气通道9-1的内径更小，丝材保护气通道9-2的出口高于熔池保护气通道9-1的出口，最终丝材保护通道9-2的输出的保护气和熔池保护通道9-1输出的保护气会汇合。的开设在中空套管6的上端部，丝材保护通道9-2的输出口和送丝通道连通，使得吹出的保护期能够在送丝通道中对丝材进行保护。所述中空套管6的下端面与熔池16之间的距离为5-30mm。熔池保护气9-a流量设计为8L/min～30L/min；丝材保护气流量9-b设计为4L/min～20L/min。
其中，所述感应加热线圈4安装于机器人平台1上，通过中空套管6缠绕在丝材传输系统路径上且与感应加热电源5相连，该感应加热线圈4根据待增材工件13的特点进行上下调节布置，以实现工件待增材区域的可以快速均匀加热，保证工件待增材区域温度梯度分布的均匀性，确保后续增材层的质量稳定性；所述感应加热装置上设置有接触式测温元件8a，具体的接触式测温元件8a安装在中空套管6的下端面上，用于测量丝材14表面感应加热区域的温度，并将温度反馈给所述感应加热线圈温度控制器7a，感应加热线圈温温度控制器7a基于测温元件8a反馈的温度控制感应加热电源5的输出功率，使感应加热线圈达到预设温度；所述感应加热电源5为输出功率在1kw-200kw、交流频率在100khz-2000khz的中频或高频加热电源，输出电流在0-500A可调；所述感应加热线圈4加热丝材温度为200℃-2000℃。其中，所述感应加热线圈4由中空紫铜管制成，中空铜管中通有冷却水。所述测温元件8a测温范围为100℃-2000℃。
基板15设置在变位器11上，变位器11为移动装置，能够带动基板15移动，散热器12安装于变位器11与基板15之间，保证变位器11在高温下正常运行，同时可降低基板的热累积，降低温度梯度细化增材结构底部晶粒。进一步，所述散热器12可以根据不同条件选择风冷，水冷，半导体制冷等等。所述基板15上设置有基板测温元件8b平铺在基板非增材区域，所述基板测温元件8b根据测量需求阵列设置，用于测量基板15的温度并将温度反馈给所述温度控制7b器，该温度控制器7b基于测温元件8b反馈的温度控制散热器12的输出功率，使基板15降至预设温度；所述变位器11主要由X水平轴、Y水平轴、Z竖直轴这三部分组成，X水平轴、Y水平轴、Z竖直轴使该变位器具备了三个自由度。变位器11通过辅助移动装置18进行移动，辅助移动装置18通过滚珠丝杠结构进行移动，各轴运动速率0-10mm/s，行程为0-1000mm用于调整增材件13的成形角度，以同时配合机器人平台1的运动，便于增材加工。行程优选为X方向0-1000mm，Y方向0-800mm,Z方向0-300mm。
进一步的根据本发明所述的一种高效率复合热源金属丝材增材制造成形系统，其中所述自动化控制系统17控制该装置其他各组成部分，具有集成化、模块化的特点，能够实现“一站式”控制。自动化控制系统17同时与机器人平台、送丝机2、激光器3、感应加热电源5、感应加热线圈温度控制7a、基板温度控制7b、保护气控制器10、变位器11和散热器12连通。
通过自动化控制系统控制感应加热系统的功率以控制所述金属丝材14加热，根据功率的高低调节丝材14状态包含固态或半熔滴态或熔滴。激光系统产生的激光束3的聚焦光斑位于不同加热状态丝材14与待增材基板15表面的接触点位置附近，一部分光斑预热待增材区域引导微熔池16按照预定方向移动，一部分光斑熔化固态或半熔滴态丝材形成熔滴落入熔池16沉积形成增材层。光斑一部分在原来的增材层，一部分在新的增材层，使得新旧增材层能够融合在一起，避免了已成形金属对未成型金属的影响，形成的零件精密度高。液滴随着光斑移动，该结构使得液态的熔池因液滴表面张力向熵值高的地方移动，熔池能够随着光斑移动，液滴随着光斑移动，使得成型性能好，零件的精密程度高；所述基板15设置于变位器11上，考虑到变位器11无法长期承受高温容易发生形变，因此在变位器上设置了散热系统，散热系统中的散热器12可以根据不通过条件选择风冷，水冷，半导体制冷等等。通过变位器11的移动，基板15上进而制备出冶金结合的无气孔、无裂纹且致密的高质量增材层。
本发明的实施例之一为公开了一种基于本发明所述高效率复合热源金属丝材增材制造成形方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将待增材的三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入自动化控制系统17中。
步骤二：将常温圈状丝材14固定于机器人平台1上，开启丝材输送装置中的送丝机2通过电机向下输送丝材14，丝材14经送丝机输送至感应加热线圈4上方。
步骤三：开启感应加热电源5，感应加热系统中的感应加热线圈4是经过中空套管6的常温丝材14加热变为包含固态或半熔滴态或熔滴的状态；
步骤四：经中空套管6前端面输出的高温丝材14与激光束3汇聚于待增材工件表面，高温固态或半熔滴态或熔滴的状态的丝材14被激光束3熔化后在待增材工件表面形成熔池，并通过自动化控制系统17控制变位机11和机器人平台1按照预定路径使熔池16与待增材工件13做相对运动，从而在待增材工件13表面形成增材层。
步骤五：基板下方的散热装置经测温元件8b温度通过自动化控制系统17开启散热器12进行散热保持基板15恒温状态。
作为进一步优选的，本发明丝材14直径可以根据增材工件13的形状特点增加到4.0mm，通过上述设计可保证极高效率的完成增材过程。其中，步骤四通过设计激光-感应加热增材的具体增材工艺及感应加热的具体加热工艺，并利用上述工艺激光-感应复合热源增材以实现激光与感应加热的联动控制，进而利用激光与感应加热的协同作用保证制备获得铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量增材层。
优选的：激光束3直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑，优选为1-5mm,矩形光斑优选为宽度1.5-3mm、长度5-20mm；激光功率设计为500W～20kW，优选为1kW～10kW；熔池保护气9-a流量设计为8L/min～30L/min，优选为20L/min～30L/min；丝材保护气9-b流量设计为4L/min～20L/min，优选为8L/min～10L/min；变位器11速度设计为0-10mm/s,优选为1-5mm/s；感应加热线圈4与增材工件13表面的距离设计为5mm～30mm，优选为10mm-20mm；丝材14的加热温度设计为200℃～1500℃，优选为400-1400℃。激光器与感应加热线圈4中心轴线之间的夹角设计10-70°，优选为30-60o。送丝机2送丝速率设计0-100mm/s，优选0-20mm/s，送丝机2适应丝材直径0.5-10mm，优选为1-6mm；金属丝材14直径设计0.5-10mm，优选为φ1.0mm～φ4mm；所述丝材14的加热温度设计为200℃～1500℃；增材线速度设计0-30mm/s,优选为0-15mm/s；基板15预热设计温度300-600℃，优选为350-450℃。
作为进一步优选的，熔覆过程保护气9选用氩气或氮气为通过中空套管6的气体。
通过以上技术构思，本发明通过激光与感应加热的配合协作可同时在较低热输入下，实现基板的预热和丝材14的熔化，降低熔池16温度梯度，确保能够制备出铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量增材层，并使丝材增材效率和利用率大浮动提升，明显提升增材线速度使得激光束3照射熔池16的时间减少，从而提高激光束3能量的利用率，解决了普通丝材激光增材线速度低、激光能量利用率、增材效率低的缺点，此外对激光器的输出功率要求也有所降低，有效节约了设备成本。
本发明的实施例之一为公开了一种基于本发明所述高效率复合热源金属丝材增材制造成形方法，包括以下步骤：
步骤一，将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入自动化控制系统17中。
步骤二，首先进行本发明所述丝材传输系统送丝机2和感应加热系统感应加热线圈4的组装。将本发明所述送丝机2安装于感应加热线圈4上端面轴线延长线上方5-10cm；所述感应加热线圈4安装在距基板2-10cm，其高度可在上下方向进行高度调节，通过机器人平台1可调节感应加热线圈4与增材区域表面之间的距离，以选择合适的热感应高度。感应加热线圈4内壁安装中空套管6，且中空套管6分别与熔池保护气9-a和丝材保护气9-b相接，并且耐高温中空套管6下端面安装有丝材接触式测温元件7a且位置与感应加热线圈4轴线相垂直且接近感应加热线圈中心线，用于测量加热金属丝材14表面温度；并将送丝机2、感应加热线圈4和测温元件8连接于自动控制系统；
步骤三，将激光器3安装于机器人平台1上，固定于感应加热线圈4旁并与感应加热线圈中心轴线之间的夹角处于10-70°之间变换，优选的处于30-60°之间。激光器3可根据自动化控制系统17信号精准控制不同功率，经激光器3产生直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑。将本发明所述激光器3打开演示斑引导激光，检查光斑情况，确保激光束3无障碍通过感应加热线圈4直达基板待增材区域；
步骤四，将基板接触式测温元件8b均布位于基板15待增材区域的附近正上方，散热器12固定于基板15与变位器11之间，将基板温度控制器7b、散热器12和变位器11连接线分别连接于自动控制系统17。
步骤五，将送丝机2中的金属丝材14进入感应加热线圈4之前先在本发明所述自动化系统17中输入增材工艺要求的金属丝材14加热的温度参数，开启感应加热系统的电源5，通过感应加热线圈4开始对金属丝材14进行加热，当通过丝材接触式测温元件7a检测到丝材14表面温度达到预先输入的温度参数，自动化控制系统17识别感应加热线圈4功率并进行记录；根据基板接触式测温元件8b温度通过自动化控制系统17实时调节感应加热线圈4高度提升基板15温度梯度，若基板温度过高则通过自动化系统开启17散热器12进行散热保持基板15恒温状态。同时自动化控制系统17待加热金属丝材14抵达基板15待增材区域后延时开启激光光束进行增材工序。
步骤六，激光-感应加热丝材增材成型过程中，金属丝材14通过送丝机3不断通过感应加热线圈4加热后进给到基板15上方某位置，高能量密度的激光束在待增材区域聚焦点熔化金属丝材14，离开激光聚焦点后的熔融金属形成的微熔池16快速凝固并逐层沉积在基板15上，激光感应加热丝材增材成型过程中，增材区域仅为较小的热输入和较低的温度梯度，在一定程度上细化晶粒、改善组织、减小应力集中、提高材料成型的力学性能。
进一步优选地，所述激光束3的功率为500-20000w，并且所述激光束3在熔池16处形成直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑；
进一步优选地，所述感应加热电源5为输出功率在1kw-200kw、交流频率在100khz-2000khz的中频或高频加热电源，输出电流在0-500A可调；所述感应加热线圈4丝材的加热温度为200℃-2000℃。其中，所述感应加热线圈4由中空紫铜管制成，中空铜管中通有冷却水。所述测温元件测温8范围为100℃-2000℃。所述中空套管6上材质优选为氧化铝或氧化锆。
进一步优选地，其中所述送丝机2送丝速率在0-100mm/s间可调，送丝丝材直径0.5-10mm。所述金属丝材14直径为0.5-4mm。
本发明激光-感应复合热源增材实现激光与感应加热的联动控制，进而利用激光与感应加热的协同作用保证制备获得铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量增材层。并使丝材增材效率和利用率大浮动提升，增材线速度的提高使得激光束照射熔池的时间减少，从而提高激光能量的利用率，解决了普通丝材激光增材线速度低、激光能量利用率、增材效率低的缺点；此外对激光器的输出功率要求也有所降低，有效节约了设备成本。
再者，本发明通过将激光和感应加热有机结合，可有效控制丝材激光热影响区的冷却过程，减弱激光对前一道增材层自回火作用，降低热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差组织的能力。通过上述设计，本发明不仅适用于一般材料的增材，还适用于裂纹敏感性高、加工难度大的丝材增材制造，大大拓展适用范围。因为激光熔敷、激光熔融沉积、选择性激光沉积、金属3D打印都属于激光增材制造，同样属于本专利的保护范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，包括激光器(3)、送丝机(2)、中空套管(6)、感应加热线圈(4)和基板(15)；
所述送丝机(2)设置在中空套管(6)的上方，激光器(3)在中空套管(6)的旁侧，感应加热线圈(4)缠绕在中空套管(6)的外侧壁上，中空套管(6)在基板(15)的上方；
所述中空套管(6)的中心沿其长度方向开设有送丝通道，送丝机(2)输出的丝材(14)穿过送丝通道被加热，所述激光器(3)输出的激光照射在加热后的丝材(14)和基板(15)的汇合处；
所述中空套管(6)的侧壁中开设有熔池保护气通道(9-1)和丝材保护气通道(9-1)，所述熔池保护气通道(9-1)的出口开设在中空套管(6)的下端面上，所述丝材保护气通道(9-1)的出口开设在中空套管(6)下部分的内侧壁上；
所述基板(15)设置在变位器(11)上，所述基板(15)和变位器(11)之间设置有散热器(12)。
2.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述激光器(3)发出的激光束与感应线圈(4)中心轴线之间的夹角为10～70°。
3.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述熔池保护气通道(9-1)的入口设置在中空套管(6)上部分的外侧壁上；所述熔池保护气通道(9-1)在中空套管(6)的侧壁中为环形夹缝；所述熔池保护气通道(9-1)出口上端面的面积小于下端面的面积；所述熔池保护气通道(9-1)的出口为环状。
4.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述丝材保护气通道(9-1)在中空套管(6)的侧壁中为环形夹缝，所述丝材保护气通道(9-1)的出口为环状。
5.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述丝材保护气通道(9-1)和熔池保护气通道(9-1)同轴线设置，所述丝材保护气通道(9-1)的直径小于熔池保护气通道(9-1)的直径。
6.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述中空套管(6)的下端部设置有接触式测温元件(8a)，所述感应加热线圈(4)连接有感应加热线圈温度控制器(7a)，所述接触式测温元件(8a)和感应加热线圈温度控制器(7a)连接。
7.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述基板(15)上设置有若干个基板接触式测温元件(8b)，所述散热器(12)连接有基板温度控制器(7b)，所述基板接触式测温元件(8b)和基板温度控制器(7b)连接。
8.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述激光器(3)在加热后丝材(14)和基板(15)的汇合处形成光斑，所述光斑为圆光斑或矩形光斑，所述圆光斑的直径为0.5-10mm，所述矩形光斑的宽度为0.5-4mm，长度为2-50mm。
9.根据权利要求1所述的一种复合热源金属丝材增材制造成形系统，其特征在于，所述激光器(3)、送丝机(2)、中空套管(6)和变位器(11)均设置在机器人平台(1)上。
10.一种基于权利要求1所述复合热源金属丝材增材制造成形系统的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将三维实体零件模型图进行分层切片处理，导入打印系统中；
步骤2，将丝材(14)通过送丝机(2)输送至中空套管(6)的上方；
步骤3，丝材(14)穿过中空套管(6)，中空套管(6)被感应加热线圈(4)加热后成为固态、半溶滴态或溶滴态，或者是两种状态的混合物，或者是三中状态的混合物；
步骤4，被加热后的丝材(14)与激光束汇聚于基板(15)的表面，丝材(14)被激光束加热熔化后成为熔池(16)；在变位机(11)和激光束的作用下，熔池(16)和待增材工件(13)做相对运动，进行增材制造；增材制造过程中，散热器(12)对基板(15)进行散热。
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