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CN116851885A - 一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法 - Google Patents

一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法 Download PDF

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CN116851885A CN202310747814.0A CN202310747814A CN116851885A CN 116851885 A CN116851885 A CN 116851885A CN 202310747814 A CN202310747814 A CN 202310747814A CN 116851885 A CN116851885 A CN 116851885A
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arc
flat top
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CN202310747814.0A
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张帅锋
张新杰
许亚利
廖志谦
吕逸帆
张文豪
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Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
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Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
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    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/32—Accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

本发明提供一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法，包括：焊枪，用于释放电弧使丝材熔融；焊接电源，用于控制焊枪释放电弧；平顶激光发射头，用于发射平顶激光；平顶激光器，用于产生平顶激光；基板，用于承载增材零件；计算机，用于控制焊枪、焊接电源、平顶激光发射头和平顶激光器的工作状态，在基板上进行激光‑电弧复合增材制造，获得增材零件；本申请能够精准调控熔池内部的温度场、流场，提高熔池的流动速度，增加熔池的流动性和铺展性，避免因熔池流动性不足，造成内部未熔合、产生气孔，减缓冷却速度，降低残余应力，防止开裂，此外，平顶激光还能促进熔池表面的电子发射，减少斑点飘逸，提高电弧稳定性。

Description

一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体而言，涉及一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法。
背景技术
目前，现有的复合增材制造主要是热源方式的复合，主要是高斯激光与电弧的复合热源进行增材制造，相较于单独电弧增材制造能够提高成形效率，但是其电弧不稳定、熔池铺展性差，高斯激光在熔池内部容易形成气孔，导致增材制造内部出现气孔，同时传统的激光-电弧复合增材制造的残余应力大，易开裂等现象。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法以解决现有技术中电弧-激光复合增材制造技术中存在的电弧不稳定、熔池铺展性差，高斯激光在熔池内部容易形成气孔，残余应力大，易开裂等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统，包括：
焊枪，用于释放电弧使丝材熔融；
焊接电源，用于控制焊枪释放电弧；
平顶激光发射头，用于发射平顶激光；
平顶激光器，用于产生平顶激光；
基板，用于承载增材零件；
计算机，用于控制焊枪、焊接电源、平顶激光发射头和平顶激光器的工作状态，在基板上进行激光-电弧复合增材制造，获得电弧增材零件。
本申请所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统，能够精准调控熔池内部的温度场、流场，促进熔池向焊道两侧流动，提高熔池的流动速度，增加熔池的流动性和铺展性，避免因熔池流动性不足，造成内部未熔合、产生气孔，平顶激光能够减缓冷却速度，降低残余应力，防止开裂，此外，平顶激光还能促进熔池表面的电子发射，减少斑点飘逸，提高电弧稳定性。
本发明还提供一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，包括以下步骤：
步骤1：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该三维模型文件进行切片处理，并进行增材路径设计；
步骤2：对基板的表面进行机械打磨，再分别用丙酮、酒精溶剂进行清洗，去除基板表面的油污，然后将基板放置在工作台上；
步骤3：根据熔池的材料、尺寸，确定加工过程中，焊枪和平顶激光发射头之间的夹角，以及焊接电源和平顶激光器的加工参数；
步骤4：焊枪和平顶激光发射头同步工作；
步骤5：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的增材路径逐层堆积，获得平顶激光-电弧复合增材零件。
采用本申请所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造方法，其零部件的内部缺陷能够得到有效的控制，满足工业无损检测的要求。
进一步的，在步骤4中，焊枪和平顶激光发射头的位置相对固定，移动速度一致。
这种设置使平顶激光能够精准调控熔池内的温度场、流场，促进熔池向焊道两侧流动，提高熔池的流动速度，增加熔池的流动性和铺展性。
进一步的，在步骤3中，焊枪与基板水平面的夹角为a，焊枪与平顶激光发射头之间的夹角为b，0°≤a≤45°，30°≤b≤60°。
这种设置能够使平顶激光作用于熔池表面，使熔池表面的激光照射区域温度显著升高，发射更多的电子，有效稳定电弧的斑点飘逸，提高电弧稳定性。
进一步的，在步骤3中，焊枪的下端与基板上表面的距离为c，10mm≤c≤20mm。
这种设置便于控制电弧的状态。
进一步的，在步骤3中，平顶激光的离焦量为-10mm～+10mm，功率为0.5～1.0kw，光斑直径1.5～2mm。
这种设置能够降低熔池内的热输入，避免产生气孔。
进一步的，在步骤5中，送丝速度为5.5～8m/min，增材成型速度为0.3～0.5m/min。
这种设置既能提高增材成型的速度，还能确保零件的成型质量。
进一步的，在步骤3中，保护气流量为10～20L/min，电弧增材制造在惰性气体环境中进行。
这种设置能够避免零件在成型过程中发生氧化。
进一步的，焊道的宽度为e，相邻焊道之间的偏移量为0.5e～0.75e。
这种设置使后一道沉积材料在前一道沉积材料的基础上进行偏移，直至完成该层的堆积成型，能够提高零件的致密性。
进一步的，在步骤5中，完成一层增材后，将焊枪和平顶激光发射头提升一层焊道的高度，直至零件制造完成。
这种设置便于增材制造。
相对于现有技术，本发明所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法具有以下优势：
1)提高熔池的流动速度，增加熔池的流动性和铺展性，避免因熔池流动性不足，造成内部未熔合、产生气孔，减缓冷却速度，降低残余应力，防止开裂；
2)促进熔池表面的电子发射，减少斑点飘逸，提高电弧稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例所述基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统结构示意图；
图2为图1中去除焊接电源、平顶激光器和计算机的结构示意图；
图3，ac为电弧增材成型钛合金零件的低倍组织图，bd为基于平顶激光辅助的电弧增材制造成型钛合金零件的低倍组织图；
图4，a为电弧增材制造成型钛合金零件的射线探伤底片，b为基于平顶激光辅助的电弧增材制造钛合金零件的射线探伤底片；
图5，a为电弧增材制造时钛合金熔池的温度场分布图，b为基于平顶激光辅助的电弧增材制造时钛合金熔池的温度场分布图，c为电弧增材制造时钛合金熔池的流动方向及速度示意图，d为基于平顶激光辅助的电弧增材制造时钛合金熔池流动方向及速度示意图；
图6，a为电弧增材制造时熔池的流动规律示意图，b为基于平顶激光辅助的电弧增材制造时熔池的流动规律示意图；
图7，a为电弧增材纵向残余应力示意图，b为平顶激光-电弧复合增材纵向残余应力示意图；
图8为采用现有技术中的电弧增材，与采用本申请中的平顶激光-电弧增材生成零件的数据对比示意图。
附图标记说明：
1、焊枪；2、焊接电源；3、平顶激光发射头；31、平顶激光；4、平顶激光器；5、计算机；6、基板；61、熔池；62、焊道；7、增材前进方向。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
如图1～7所示，一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统，包括：
焊枪1，用于释放电弧使丝材熔融；
焊接电源2，用于控制焊枪1释放电弧；
平顶激光发射头3，用于发射平顶激光31；
平顶激光器4，用于产生平顶激光；
基板6，用于承载增材零件；
计算机5，用于控制焊枪1、焊接电源2、平顶激光发射头3和平顶激光器4的工作状态，在基板6上进行激光-电弧复合增材制造，获得电弧增材零件。
本申请所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统，所述计算机5通过控制平顶激光器4和平顶激光发射头3的工作状态，能够控制平顶激光31精准调控熔池61内部的温度场、流场，促进熔池61向焊道62两侧流动，提高熔池61的流动速度，增加熔池61的流动性和铺展性，避免因熔池61流动性不足，造成内部未熔合、产生气孔，通过平顶激光能够减缓冷却速度，降低残余应力，防止开裂。此外，平顶激光31还能促进熔池61表面的电子发射，减少斑点飘逸，提高电弧稳定性。
优选的，基板6的化学成分为(质量分数，％)Al：5.5～6.5、Nb：2.5～3.5、Zr：1.5～2.5、Mo：0.6～1.5、Fe：0.25、Si：0.15、C：0.10、N：0.05、H：0.015、O：0.15、Ti：余量。
本实施例还提供一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，包括以下步骤：
步骤1：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该三维模型文件进行切片处理，并进行增材路径设计；
步骤2：对基板6的表面进行机械打磨，再分别用丙酮、酒精溶剂进行清洗，去除基板6表面的油污，然后将基板6放置在工作台上；
步骤3：根据熔池61的材料、尺寸，确定加工过程中，焊枪1和平顶激光发射头3之间的夹角，以及焊接电源2和平顶激光器4的加工参数；
步骤4：焊枪1和平顶激光发射头3同步工作；
步骤5：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的增材路径逐层堆积，获得平顶激光-电弧复合增材零件。
具体的，采用本申请所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造方法，与现有技术的电弧增材制造方法相比，其零部件的内部缺陷能够得到有效的控制，满足工业无损检测的要求。
优选的，在步骤3中，当基板6准备完成后，利用机器人将焊枪1和平顶激光发射头3移动到设定位置；
优选的，步骤1中的三维模型文件为现有技术中通用的文件；
优选的，所述基于平顶激光辅助的电弧增材制造方法，能够应用于钛合金、钢、铝合金等金属材料的增材制造。
优选的，采用本申请的基于平顶激光辅助的电弧增材制造方法制造的钛合金工件，其射线无损检测能够达到NB/T47013 I级要求。
优选的，本申请的基于平顶激光辅助的电弧增材制造方法制造的钛合金工件，能达到同级别锻件的力学性能，各向异性≤10％。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤4中，焊枪1和平顶激光发射头3的位置相对固定，移动速度一致。
具体的，焊枪1和平顶激光发射头3在增材前进方向7上依次排布，这种设置使平顶激光31能够精准调控熔池61内的温度场、流场，促进熔池61向焊道62两侧流动，提高熔池61的流动速度，增加熔池61的流动性和铺展性，解决熔池61流动性不足导致内部未熔合、产生气孔等缺陷。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤3中，焊枪1与基板6水平面的夹角为a，焊枪1与平顶激光发射头3之间的夹角为b，0°≤a≤45°，30°≤b≤60°。
具体的，这种设置能够使平顶激光31作用于熔池表面，使熔池表面的激光照射区域温度显著升高，发射更多的电子，有效稳定电弧的斑点飘逸，提高电弧稳定性。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤3中，焊枪1的下端与基板6上表面的距离为c，10mm≤c≤20mm。
具体的，这种设置便于控制电弧的状态。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤3中，平顶激光31的离焦量为-10mm～+10mm，功率为0.5～1.0kw，光斑直径1.5～2mm。
具体的，这种设置采用低功率、大光斑的平顶激光31，使平顶激光31的能量均匀分布在熔池61内，能够降低熔池61内的热输入，避免产生气孔。
优选的，平顶激光31的的功率为1.0kw，光斑直径为2mm。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤5中，送丝速度为5.5～8m/min，增材成型速度为0.3～0.5m/min。
具体的，这种设置既能提高增材成型的速度，还能确保零件的成型质量。
优选的，成形原材料为Ti80钛合金丝材，规格φ1.2mm。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤3中，保护气流量为10～20L/min，电弧增材制造在惰性气体环境中进行。
具体的，在焊枪1上设置有喷气口，用于向熔池61处喷射保护气，这种设置能够避免零件在成型过程中发生氧化。
优选的，保护气选用氩气。
作为本发明的一个较佳示例，焊道62的宽度为e，相邻焊道62之间的偏移量为0.5e～0.75e。
具体的，这种设置使后一道沉积材料在前一道沉积材料的基础上进行偏移，直至完成该层的堆积成型，能够提高零件的致密性。
作为本发明的一个较佳示例，在步骤5中，完成一层增材后，将焊枪1和平顶激光发射头3提升一层焊道62的高度，直至零件制造完成。
具体的，这种设置便于增材制造。
作为本发明的一个较佳示例，采用金相显微镜对接头组织进行分析，采用电子万能实验机对焊接接头进行拉伸测试，采用摆锤式冲击试验机对接头进行冲击韧性测试。
具体的，这种方法能够降低零件接头的拉伸性能的各向异性，提高材料不同方向的均匀性，采用以下公式对材料力学性能的各向异性进行描述：
式中:σx为X方向强度，σz为Z方向强度；
图8所示为采用现有技术中的电弧增材，与采用上述平顶激光-电弧增材生成零件的数据对比示意图，可知采用本申请所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造方法成型的零件，其屈服强度的各向异性为1.94％，抗拉强度的各向异性为1.07％，延伸率的各向异性为9.75％；采用现有技术中的电弧增材方法成型的零件，其屈服强度的各向异性为3.23％，抗拉强度的各向异性为2.24％，延伸率的各向异性为50％，可知采用本申请所述的电弧增材制造方法成型的零件其综合性能更好。
综上可知，本申请所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统及方法与现有技术相比具有以下优势：1、计算机5通过控制平顶激光器4和平顶激光发射头3的工作状态，能够控制平顶激光31精准调控熔池61内部的温度场、流场，促进熔池61向焊道62两侧流动，提高熔池61的流动速度，增加熔池61的流动性和铺展性，避免因熔池61流动性不足，造成内部未熔合、产生气孔，通过平顶激光能够减缓冷却速度，降低残余应力，防止开裂；2、平顶激光31能促进熔池61表面的电子发射，减少斑点飘逸，提高电弧稳定性。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统，其特征在于，包括：
焊枪(1)，用于释放电弧使丝材熔融；
焊接电源(2)，用于控制焊枪(1)释放电弧；
平顶激光发射头(3)，用于发射平顶激光(31)；
平顶激光器(4)，用于产生平顶激光；
基板(6)，用于承载增材零件；
计算机(5)，用于控制焊枪(1)、焊接电源(2)、平顶激光发射头(3)和平顶激光器(4)的工作状态，在基板(6)上进行激光-电弧复合增材制造，获得增材零件。
2.权利要求1所述基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该三维模型文件进行切片处理，并进行增材路径设计；
步骤2：对基板(6)的表面进行机械打磨，再分别用丙酮、酒精溶剂进行清洗，去除基板(6)表面的油污，然后将基板(6)放置在工作台上；
步骤3：根据熔池(61)的材料、尺寸，确定加工过程中，焊枪(1)和平顶激光发射头(3)之间的夹角，以及焊接电源(2)和平顶激光器(4)的加工参数；
步骤4：焊枪(1)和平顶激光发射头(3)同步工作；
步骤5：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的增材路径逐层堆积，获得平顶激光-电弧复合增材零件。
3.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤4中，焊枪(1)和平顶激光发射头(3)的位置相对固定，移动速度一致。
4.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤3中，焊枪(1)与基板(6)水平面的夹角为a，焊枪(1)与平顶激光发射头(3)之间的夹角为b，0°≤a≤45°，30°≤b≤60°。
5.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤3中，焊枪(1)的下端与基板(6)上表面的距离为c，10mm≤c≤20mm。
6.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤3中，平顶激光(31)的离焦量为-10mm～+10mm，功率为0.5～1.0kw，光斑直径1.5～2mm。
7.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤5中，送丝速度为5.5～8m/min，增材成型速度为0.3～0.5m/min。
8.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤3中，保护气流量为10～20L/min，电弧增材制造在惰性气体环境中进行。
9.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，焊道(62)的宽度为e，相邻焊道(62)之间的偏移量为0.5e～0.75e。
10.根据权利要求2所述的基于平顶激光辅助的电弧增材制造系统的方法，其特征在于，在步骤5中，完成一层增材后，将焊枪(1)和平顶激光发射头(3)提升一层焊道(62)的高度，直至零件制造完成。
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