CN117564471A - 一种镁合金结构件激光诱导tig电弧的增材制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法及系统，所述方法包括以下步骤：S1：根据所需镁合金结构件的尺寸，确定镁合金焊丝的直径和焊接工艺参数；S2：首先制作镁合金结构件的三维模型；然后通过路径规划软件对三维模型进行路径规划：S3：根据待成形镁合金结构件的尺寸选择适用的基板；S4：设置好TIG焊枪、激光器以及镁合金焊丝的位置，调整TIG电弧、低功率激光入射角度以及镁合金焊丝与基板之间的夹角；S5：采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，逐层累加形成所需的镁合金结构件。本发明的技术方案解决了采用电弧增材制造过程中由于热输入过高造成氧化、烧损等问题所产生的成型不稳定、精度低及力学性能低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电弧增材制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法及系统。
背景技术
镁合金是目前可应用的最轻量化工程材料，具有高比强度、高比弹性模量高阻尼减震性、易于回收再利用等特点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。随着世界各国对节能减排、绿色环保及可持续发展要求的不断提高，镁合金的研究与开发出现了新的热潮。我国镁矿资源丰富，约占全球的80％，镁合金产量高居世界第一，密切关注材料轻量化发展，镁合金产品必将成为未来制造业的核心要素，镁工业的发展具有巨大的潜力与前景。
增材制造技术是一种基于分层制造原理的新型制造技术，通过三维设计软件数据，使用材料逐层累积的方法直接制造为实体零件的制造方法。增材制造技术目前已经广泛的应用于生物医疗、汽车、航空航天等领域。目前，研究最多的镁合金增材制造方法是激光选区熔化技术，但是该技术填充材料形态是粉末态，因为镁粉易燃易爆材料，增加了制造过程的危险性。电弧增材制造技术是一种以丝材为填充材料，焊接焊枪作为热源的增材制造技术，它的特点是设备简单、成本低和材料适用性广，目前已经成功应用在钢铁、铝合金和镍基合金增材制造。
镁合金电弧增材制造沉积效率高、低成本以及规避了Mg粉末易燃易爆等风险，在一体化、大尺寸镁合金结构件成形上具有独特优势。梁文奇等人，电弧增材制造AZ31镁合金组织与力学性能分析，对AZ31镁合金MIG焊的电弧增材制造工艺进行了研究，得到的墙体抗拉强度为235MP，仅达到原始焊丝75％的力学性能水平。Takagi等人，Material-propertyevaluation of magnesium alloys fabricated using wireand-arc-based additivemanufacturing.对AZ31B镁合金GMAW增材制造工艺进行了研究，得到的块体抗拉强度为240MP，其力学性能依然较低。
综上，虽然镁合金电弧增材制造技术可以制备一些大尺寸的金属结构零部件，但由于镁合金在增材制造过程中由于热输入过高造成氧化、烧损等问题，成型件通常都会存在一些缺陷，缺陷的存在严重影响了成型件的性能。
发明内容
根据上述提出采用电弧增材制造过程中由于热输入过高造成氧化、烧损等问题所产生的成型不稳定、精度低及力学性能低的技术问题，而提供一种镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法及系统，采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过外加的送丝装置将镁合金焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照指定路线进行堆焊，逐层累加形成所需结构的镁合金结构件，从而起到改善电弧增材制造所存在的问题，实现高速、高质量的镁合金电弧增材制造。
本发明采用的技术手段如下：
一种镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，具体包括以下步骤：
S1：根据所需镁合金结构件的尺寸，确定镁合金焊丝的直径和焊接工艺参数，焊接工艺参数包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、激光功率；
S2：首先制作镁合金结构件的三维模型；然后通过路径规划软件对三维模型进行路径规划：将三维模型逐层切片，根据三维模型生成的不同的路径得到增材制造的加工路径；
S3：根据待成形镁合金结构件的尺寸选择适用的基板，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并固定于水平工作台上；
S4：设置好用于产生TIG电弧的TIG焊枪、用于发射低功率激光的激光器以及镁合金焊丝的位置，调整TIG电弧、低功率激光入射角度以及镁合金焊丝与基板之间的夹角；
S5：采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过送丝装置将镁合金焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照步骤S1设置的焊接工艺参数和步骤S2规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需的镁合金结构件。
进一步地，步骤S1中，镁合金焊丝直径尺寸为0.6mm-1.6mm。
进一步地，步骤S1中，焊接速度为100-2000mm/min，焊接电流为50-150A，送丝速度为150-300mm/min，激光功率为0-1000W。
进一步地，步骤S1中，焊接工艺参数还包括保护气体流量5-20L/min。
进一步地，步骤S4中，低频率激光的入射角度与基板垂直；TIG电弧与基板之间的夹角β为10-85°；镁合金焊丝与基板之间的夹角α为5-85°。
进一步地，步骤S5中，焊接时，层间停留时间为5s-10min，待基板温度下降到50℃-200℃时，再进行下一道堆积；采用往复行走的焊接路径，起弧处多余的熔敷量与收弧处电弧吹力产生的凹坑相互弥补。
本发明还提供了一种所述镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法采用的增材制造系统，包括：
激光器，用于发射激光功率为0-1000W的低功率激光；
TIG焊枪，用于产生TIG电弧，与激光器发射的低功率激光作为复合热源进行焊接；
送丝装置，用于夹持镁合金焊丝，送入熔池稳定融化并在基板上铺展；
焊接夹持装置，用于安装激光器、TIG焊枪和送丝装置并保持同步运动。
进一步地，TIG焊枪的钨极距离基板1-5mm；镁合金焊丝距离基板0-5mm；根据需要调整激光器的离焦量，保证低功率激光斑点能够打在熔池内部。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法及系统，以丝材为填充材料，低功率激光与TIG电弧作为复合热源，焊丝与工作台的距离、TIG焊枪与工作台的角度为固定值，通过外加的送丝装置将镁合金焊丝送入熔池，稳定融化并在处理后的基板上铺展，按照规划好的路线进行堆焊，逐层累加形成所需镁合金结构件，本发明通过低功率激光的加入有效避免了镁合金在增材制造过程中由于热输入过高造成氧化、烧损等问题，同时也增加了电弧稳定性，减少熔池不规则流动，增材墙体侧壁粗糙度得到有效改善，提高了成形质量，减少加工余量，提高了材料的利用率；本发明具有高效、节能的特点，在制造复杂的大型构件上有其出众的快速、高精度、短周期、低成本等特点。
基于上述理由本发明可在电弧增材制造领域广泛推广。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述增材制造系统示意图。
图2为本发明所述增材制造方法的增材制造路径示意图。
图3(a)和(b)分别为采用现有的电弧增材制造方法与本发明所述激光透导电弧增材制造方法得到的镁合金结构件的微观组织金相。
图中：1、基板；2、TIG焊枪；3、激光束；4、镁合金焊丝。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明提供了一种镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，具体包括以下步骤：
S1：根据所需镁合金结构件的尺寸，确定镁合金焊丝的直径和焊接工艺参数，焊接工艺参数包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、激光功率和其他相关参数；
S2：首先制作镁合金结构件的三维模型；然后通过路径规划软件对三维模型进行路径规划：将三维模型逐层切片，根据三维模型生成的不同的路径得到增材制造的加工路径；
S3：根据待成形镁合金结构件的尺寸选择适用的基板，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并固定于水平工作台上；
S4：根据焊接环境，设置好用于产生TIG电弧的TIG焊枪、用于发射低功率激光的激光器以及镁合金焊丝的位置，调整TIG电弧、低功率激光入射角度以及镁合金焊丝与基板之间的夹角；低功率激光起改善熔池和电弧的目的，压缩电弧，稳定电弧形态，而且低功率激光的能量对增材过程中热积累影响较小，低功率激光对电弧的压缩作用可以使电弧力的作用面积变小，有效的阻止了熔融镁合金金属液不规则的收缩和铺展；
S5：采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过送丝装置将镁合金焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照步骤S1设置的焊接工艺参数和步骤S2规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需的镁合金结构件。
进一步地，步骤S2中，制作三维模型可采用CAD、UG、SolidWorks、3dsmax、MAYA等软件；路径规划软件可采用Materialise magics、EasyPrint3D、RepetierHost，路径规划软件的主要作用是将模型分层切片，根据模型生成不同的路径，然后转换成控制设备运动的程序输出，得到增材制造的加工路径。
进一步地，步骤S1中，镁合金焊丝直径尺寸根据镁合金的壁厚确定，通常情况下，壁厚为2mm-15mm时，镁合金焊丝直径尺寸为0.6mm-1.6mm。
进一步地，步骤S1中，焊接速度为100-2000mm/min，焊接电流为50-150A，送丝速度为150-300mm/min，激光功率为0-1000W。
进一步地，步骤S1中，焊接工艺参数还包括保护气体流量5-20L/min，保护气体一般采用氩气(普氩，高纯氩等)。
进一步地，步骤S4中，低频率激光的入射角度与基板垂直呈90°角；TIG电弧与基板之间的夹角β为10-85°，优选的β为10-45°；镁合金焊丝与基板之间的夹角α为5-85°，优选地α为5-45°。
进一步地，步骤S5中，焊接时，层间停留时间为5s-10min，保证连续增材过程中过渡稳定，待基板温度下降到50℃-200℃时，再进行下一道堆积；为保证连续增材过程中过渡稳定、减小两侧的高度差，采用往复行走的焊接路径，起弧处多余的熔敷量与收弧处电弧吹力产生的凹坑相互弥补。
如图1所示，本发明还提供了一种所述镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法采用的增材制造系统，包括：
激光器3，用于发射激光功率为0-1000W的低功率激光；
TIG焊枪2，用于产生TIG电弧，与激光器发射的低功率激光作为复合热源进行焊接；
送丝装置，用于夹持镁合金焊丝4，送入熔池稳定融化并在基板1上铺展；
焊接夹持装置，用于安装激光器3、TIG焊枪2和送丝装置并保持同步运动；焊接夹持装置为焊接龙门工装或者焊接机器人，激光器、TIG焊枪和送丝装置在焊接夹持装置上可调整角度，焊接龙门工装或者焊接机器人可保证在焊接过程中激光器、TIG焊枪和送丝装置同时运动。
进一步地，TIG焊枪2的钨极距离基板1-5mm；镁合金焊丝4距离基板0-5mm；根据需要调整激光器3的离焦量，保证低功率激光斑点能够打在熔池内部。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
首先，本发明引入的激光为低功率激光，激光功率范围为0W-1000W，低功率激光不是主要热源，因此，相对于大功率激光与电弧复合增材制造，其能量消耗较少。另一方面，大功率激光与电弧复合发明技术中，激光和电弧同时提供大量热量，电弧热量主要用于熔化金属，激光热量主要用于增加熔深，这种方式对电弧的改善作用较小；而低功率激光起改善熔池和电弧的目的，不但可以改善镁合金由于热输入过高造成氧化、烧损等问题，同时也可以压缩电弧，稳定电弧形态，而且低功率激光的能量对增材过程中热积累影响较小。
其次，对于传统单TIG电弧增材制造时，一方面电弧不稳定，另一方面，电弧作用半径较大，能量不集中。不稳定的电弧将是各部分熔池受到的电弧力不均匀，而电弧力不均匀作用导致熔融金属的发生不规则流淌、熔池铺展不均匀，当金属液受电弧力沿高度方向上收缩时，表现为层高较大，而层宽较小，当金属液受电弧力沿宽度方向上铺展时，表现为层宽较大，而层高较小；不集中的能量导致热量作用不均匀，当金属液凝固时，将导致成形件各部分力学性能产生差距。两者同时影响时将导致对于成形件每一层的层高增长不稳定，层宽边缘成形不光滑，最终导致成型件精度较低。增材过程中每一层层宽边缘成形不光滑及金属液无规律流淌，多层累积后使整体成形件侧壁不平整，最终将增加侧壁的切削量，而层高增长不稳定影响堆积抬高量，最终难以自动化生产。
本发明中低功率激光对电弧的压缩作用可以使电弧力的作用面积变小，有效的阻止了熔融镁合金金属液不规则的收缩和铺展。熔融金属的稳定沉积保证了相对稳定的层宽和层高。同时，低功率激光的引入稳定了电弧使熔融金属的流动范围缩小，电弧能量集中且作用范围较小，因此层与层熔合过渡较好，所获得的成形件侧面成形也较好。由于低功率激光诱导TIG电弧进行增材制造，增加了堆积过程的稳定性，可以实现高速度的熔敷堆积，焊接速度较单TIG电弧增材可提高1倍以上，从而实现高效增材制造。
其次，低功率激光诱导TIG电弧进行增材制造，焊接速度能够提高，一方面提高了增材制造的效率，另一方面减少了增材制造过程中的热输入，由于单位时间内热源的移动速度增加，单位长度内的热输入减少，可实现低热输入的堆积，避免形成表面粗糙的焊缝，热输入降低优化了墙体的成形质量。
综上，本发明结合电弧和激光两种热源的优势，一方面低功率激光未带入大量的热输入，另一方面焊接速度的增加可降低总体的热输入，避免热量积累严重造成晶粒长大，使组织更加致密，进而提高其力学性能。在增材制造过程中，热源的集中作用使更多重熔组织的熔融金属参与新的沉积层的熔合，而低功率激光的搅拌作用使这个结合层被细化，使结合处两侧的熔池流动均匀，强化了原本力学性能最差的结合层。引入低功率激光后成型件的抗拉强度均有较大的提高。
实施例1
对于镁合金增材制造，由于热输入过高造成氧化、烧损，流动性较强，金属热导率较差，造成堆焊成型不稳定，容易产生下榻、侧边成形不规则等问题，此时需要增加切削量，这会增加材料的加工量，出现不必要的浪费；因此考虑引入低功率激光诱导电弧，进行镁合金墙体的制造；本实施例以AZ31B镁合金增材制造墙体为例说明本发明所述的增材制造方法：
本实施例采用最大输出功率1000W的Riton LWS-1000作为低功率激光发射的激光器，采用OTC ACCUTIG-500P TIG焊枪和WF-007多功能自动氩弧填丝机(送丝装置)，采用三轴联动龙门式焊接工装作为焊接夹持装置固定激光器、TIG焊枪和送丝装置；
实验过程运用数控系统进行焊接操作，运用cnc2000-PIC控制系统编写程序，其中包括行走路径、行走长度、行走速度和起弧、熄弧点，控制焊接装置运动路径；
采用UG软件制作镁合金结构件的三维模型，然后导入Materialise magics软件进行路径规划，将模型切片，并生成加工路径；
基板选用150mm×150mm×8mm的AZ31B板材，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并将其固定于水平工作台上；
设定焊接电流为90A，焊接速度为110mm/min、送丝速度为190mm/min、激光功率为136W；
镁合金焊丝选用直径为1.6mm的AZ61，保护气体选用纯度为99.9996％的高纯氩气，保护气流量为10L/min；
TIG焊枪钨极距离基板3mm，镁合金焊丝距离基板2mm、镁合金焊丝与基板之间的夹角为15°、TIG电弧与基板之间的夹角为45°；
增材过程中，送丝装置将所述镁合金焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照设置的工艺参数和规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需镁合金结构件；稳定的电弧可以保证层高以1mm稳定增长，层宽则大致浮动于2.6mm，根据该焊接参数得到高300mm，长120mm的墙体构件。
本实施例制得的成型件宏观成形质量相比于采用单电弧增材制造较高，层与层之间冶金质量良好，几乎不存在杂质和气孔等缺陷，其平均抗拉强度达到245Mpa，延伸率达到21.5％，具有良好的力学性能，对比两种方法的微观组织金相，如图3(a)和(b)所示，本实施例制得的成型件的微观组织也未发现明显的缺陷，组织多为共晶组织，如图3(b)所示。
本发明通过低功率激光的加入有效改善了电弧增材制造的过程，不但解决了镁合金由于热输入过高造成氧化、烧损等问题，而且增加电弧稳定性，减少熔池不规则流动，增材墙体侧壁粗糙度得到有效改善，提高了成形质量，减少加工余量，增加了材料的利用率。低功率激光的诱导作用使增材制造过程更加稳定，可实现高速的增材制造，提高了增材制造的效率。低功率激光提供了稳定的阳极斑点，压缩电弧，增加了电弧中心的能量密度，低功率激光充分搅拌熔池，细化晶粒，有效提高了工件的抗拉强度，优化其力学性能。
最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：根据所需镁合金结构件的尺寸，确定镁合金焊丝的直径和焊接工艺参数，焊接工艺参数包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、激光功率；
S2：首先制作镁合金结构件的三维模型；然后通过路径规划软件对三维模型进行路径规划：将三维模型逐层切片，根据三维模型生成的不同的路径得到增材制造的加工路径；
S3：根据待成形镁合金结构件的尺寸选择适用的基板，打磨铣平基板表面，用无水乙醇清洗并固定于水平工作台上；
S4：设置好用于产生TIG电弧的TIG焊枪、用于发射低功率激光的激光器以及镁合金焊丝的位置，调整TIG电弧、低功率激光入射角度以及镁合金焊丝与基板之间的夹角；
S5：采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过送丝装置将镁合金焊丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照步骤S1设置的焊接工艺参数和步骤S2规划的加工路径进行堆焊，逐层累加形成所需的镁合金结构件。
2.根据权利要求1所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，镁合金焊丝直径尺寸为0.6mm-1.6mm。
3.根据权利要求1所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，焊接速度为100-2000mm/min，焊接电流为50-150A，送丝速度为150-300mm/min，激光功率为0-1000W。
4.根据权利要求1所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，焊接工艺参数还包括保护气体流量5-20L/min。
5.根据权利要求1所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，步骤S4中，低频率激光的入射角度与基板垂直；TIG电弧与基板之间的夹角β为10-85°；镁合金焊丝与基板之间的夹角α为5-85°。
6.根据权利要求1所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，步骤S5中，焊接时，层间停留时间为5s-10min，待基板温度下降到50℃-200℃时，再进行下一道堆积；采用往复行走的焊接路径，起弧处多余的熔敷量与收弧处电弧吹力产生的凹坑相互弥补。
7.根据权利要求1-6任一项所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造方法，其特征在于，采用的增材制造系统包括：
激光器，用于发射激光功率为0-1000W的低功率激光；
TIG焊枪，用于产生TIG电弧，与激光器发射的低功率激光作为复合热源进行焊接；
送丝装置，用于夹持镁合金焊丝，送入熔池稳定融化并在基板上铺展；
焊接夹持装置，用于安装激光器、TIG焊枪和送丝装置并保持同步运动。
8.根据权利要求7所述的镁合金结构件激光诱导TIG电弧的增材制造系统，其特征在于，TIG焊枪的钨极距离基板1-5mm；镁合金焊丝距离基板0-5mm；根据需要调整激光器的离焦量，保证低功率激光斑点能够打在熔池内部。
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