CN111702336B - 一种激光冲击辅助电弧增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，属于增材制造领域，解决了现有技术中电弧增材构件内部晶粒粗大，存在孔洞、氧化物等缺陷的问题。本发明的激光冲击辅助电弧增材制造方法，包括以下步骤：步骤1：设计电弧增材加工路径；步骤2：设定电弧增材加工参数；步骤3：确定激光清洗头与焊枪之间的夹角及脉冲激光清洗机的加工参数；步骤4：确定激光冲击波发射头与焊枪之间的夹角及脉冲激光冲击发射机的加工参数；步骤5：焊枪、激光冲击波发射头和激光清洗头同步工作；步骤6：按照增材路径获得电弧增材零件。本发明通过电弧增材设备、激光清洗与激光冲击设备协同工作，解决了电弧增材构件内部晶粒粗大，存在孔洞、氧化物等缺陷的问题。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，适用于电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)过程。
背景技术
电弧增材制造技术是指采用电弧作为热源将金属丝材熔化，然后按设定成形路径在基材上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形结束。成形零件由全焊缝金属组成，致密性高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好，并且相比于激光、电子束增材制造技术，电弧增材制造技术具有成本低、成形速率快、能够成形尺寸较大且结构复杂的构件等优点。
目前，由于电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制，导致晶粒粗大，严重降低了材料力学性能；焊道间由于熔滴的润湿角，无法完全实现焊道或层间的闭合，产生肉眼可见孔洞；在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难；堆积过程产生的氧化物会污染熔池，降低纯度，恶化结构件性能。这些问题都直接影响堆积零件的尺寸精度和力学性能。因此，目前电弧增材制造的金属零件的力学性能无法达到锻造或减材制造的精度水平。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，在电弧增材过程中通过脉冲激光同步对液体熔池的前方进行清理、后方进行冲击振动，用以解决现有技术中电弧增材构件内部晶粒粗大、存在孔洞、氧化物等缺陷而导致构件机械性能较差的问题，从而改善电弧增材构件的性能。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：建立待加工金属零件的三维模型并设计电弧增材加工路径；
步骤2：通过工艺试验得到所需的电弧增材工艺参数，并设定加工参数；
步骤3：根据加工过程中生成的氧化物的厚度、成分及范围，确定加工过程中激光清洗头与焊枪之间的夹角及脉冲激光清洗机的加工参数；
步骤4：根据熔池的材料成分、尺寸，获得激光冲击波发射头与焊枪之间的夹角及脉冲激光冲击发射机的加工参数；
步骤5：焊枪、激光冲击波发射头和激光清洗头同步工作；
步骤6：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的成形路径逐层堆积；按照增材路径完成分层模型，获得电弧增材零件。
进一步的，步骤5中，激光清洗头、焊枪和激光冲击波发射头的位置相对固定，移动速度一致。
进一步的，激光清洗头与焊枪之间的夹角为15°-90°。
进一步的，激光清洗头的脉冲激光能够左右摆动，激光摆动的宽度大于焊道宽度。
进一步的，激光清洗头的激光光斑为直径0.8-2mm的圆形光斑，激光脉冲频率为10-30KHz、激光脉冲功率为300-1000W。
进一步的，激光清洗头包含扫描振镜，扫描振镜的扫描速度为3000-5000mm/s。
进一步的，脉冲激光清洗机具有吸尘作用。
进一步的，激光冲击波发射头与焊枪之间的夹角为15°-90°。
进一步的，激光冲击波发射头的激光斑点为直径2-8mm的圆形光斑，激光功率密度为0.5-20GW/cm2，能量为5-30J，脉宽为10-40ns。
进一步的，电弧增材设备包括电弧熔覆控制装置，电弧熔覆控制装置对焊枪的行走路径进行控制。
本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
1.本发明激光冲击辅助增材制造的方法，在电弧增材制造过程中通过脉冲激光对熔池前方产生的氧化物及时清理，同时去除焊道间的凹槽内的氧化物，增加了电弧增材熔覆层内的材料纯度，提高了材料的性能；脉冲激光清洗机具备吸尘作用，可将气化的氧化物瞬间排走，避免对后侧的焊枪形成的熔池附近的空间产生污染。
2.本发明通过激光冲击波对熔池施加非接触式激光冲击振动以破碎熔池中的晶粒、抑制晶粒长大、提高形核率，从粗晶(＞20μm)获得细晶(1μm-10μm)，甚至超细晶(＜1μm)，从而起到细化熔池晶粒的作用；同时激光冲击振动对熔池产生的冲击作用可降低熔池温度梯度、加快熔池中气泡的溢出、促进成分的均匀混合从而减少甚至避免成形件内缺陷的产生，提高了零件的力学性能。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明脉冲激光波对晶粒结晶过程冲击的效果示意图；
图3为本发明脉冲激光波对熔覆焊道间的缺陷作用效果示意图。
附图标记：
1-基材，2-焊道，3-焊枪，4-电弧熔覆控制装置，5-熔池，6-激光冲击波发射头，7-脉冲激光冲击发射机，8-激光清洗头，9-脉冲激光清洗机，10-计算机，21-第一熔覆焊道，22-第二熔覆焊道，211-微凹槽，212-缝隙，51-第一晶粒，52-第二晶粒，61-脉冲激光波。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例提供了一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，具体步骤包括：
步骤1：建立待加工金属零件的三维模型，并设计电弧增材加工路径。
具体地，根据待加工金属零件的三维模型，获得三维模型的STL文件，由快速成形系统软件对金属零件的STL文件进行平面切片，然后输出金属零件的表层轮廓，再对轮廓进行网格划分，从而填充轮廓。根据获得的切片形状，设计电弧增材加工路径，方形截面采用直线扫描填充路径，环形截面采用轮廓扫描填充路径，复杂截面采用多种交叉扫描方式确定填充路径，最终获得电弧增材零件加工路径。
步骤2：通过工艺试验得到所需的电弧增材工艺参数，并设定加工参数。
首先，根据待加工金属零件的壁厚选择不同的成形模式，例如，壁厚小于10mm采用CMT+A模式(变极性冷金属过渡)，壁厚大于等于10mm且小于15mm时采用CMT+P+A模式(变极性脉冲冷金属过渡)或者CMT模式(冷金属过渡)，壁厚大于等于15mm时采用CMT+P模式(脉冲冷金属过渡)；其次，根据零件技术性能要求，得出相应的送丝速度、成形速度、脉冲修正、弧长修正等加工参数，确定加工参数；最后，通过用卡尺测量单层单道高度以确定每层平均厚度，以利于后续电弧增材工艺过程的稳定性。
步骤3：根据加工过程中生成的氧化物的厚度、成分及范围，确定加工过程中激光清洗头8与焊枪3之间的夹角及脉冲激光清洗机9的加工参数，如激光斑点尺寸、脉冲频率、脉冲功率、横向扫描和纵向范围、扫描速度等。
激光清洗头8与焊枪3之间的夹角由待清洗表面与焊枪3下的熔池5的位置确定，以保证激光清洗头8的激光光斑垂直照射至待清洗材料表面，以获得均匀光斑，本实施例中，激光清洗头8与焊枪3之间的夹角为15°-90°。激光光斑为直径0.8-2mm的圆形光斑，激光脉冲频率为10-30KHz、激光脉冲功率为300-1000W，从而保证激光清洗过程中激光能量密度大于氧化物的清洗阈值并小于基材1的损伤阈值，在不损伤基材1的情况下，达到较好的清洗效果；激光清洗头8包含扫描振镜，扫描振镜的扫描速度为3000-5000mm/s，从而获得所需的光斑叠加率，提高清洗效果；激光清洗头8的移动速度与焊枪3的移动速度一致，在焊接过程中同步清洗焊枪3行走的前部区域，去除焊道2内的氧化物，增加了电弧增材熔覆层内的材料纯度，提高了材料的力学性能。
步骤4：根据熔池5的材料成分、尺寸，获得激光冲击波发射头6与焊枪3之间的夹角及脉冲激光冲击发射机7的加工参数，如激光斑点尺寸、脉冲频率、脉冲功率、冲击频率、冲击范围等。
激光冲击波发射头6与焊枪3之间的夹角由熔池5的大小和材料成分确定，以保证激光冲击波照射至熔池5固化区域，本实施例中，激光冲击波发射头6与焊枪3之间的夹角为15°-90°。激光斑点为直径2-8mm的圆形光斑，激光功率密度为0.5-20GW/cm2，能量为5-30J，脉宽为10-40ns，从而保证激光冲击过程中激光能量密度大于晶粒凝固阈值并小于基材1的损伤阈值；激光冲击波发射头6移动速度与焊枪3的移动速度一致，在熔池5完全固化前，使得熔池5内结晶凝固的第一晶粒51破坏成第二晶粒52，从而达到细化晶粒的目的；同时脉冲激光波61会造成熔池5振动，提高熔液在微小空间的流动填充能力，促进熔液流入由第一熔覆焊道21外缘所留下的微凹槽211或缝隙212中，达到减小孔洞缺陷的目的。
步骤5：以MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)为热源，同步开启焊枪3、激光冲击波发射头6和激光清洗头8，实现同步异位工作。
焊接过程如图1所示，激光冲击辅助电弧增材制造的方法采用的装置包括：计算机10、电弧增材设备、激光清洗设备和激光冲击设备。
为了方便说明，规定在图1所示位置，激光冲击波发射头6所在的一侧为后侧，激光清洗头8所在的一侧为前侧，焊枪3行走的方向为从后向前。垂直于焊枪3行走的方向为左右。
电弧增材设备包括焊枪3和电弧熔覆控制装置4，用来实施焊接工作，电弧熔覆控制装置4对焊枪3的行走路径进行控制。
激光清洗设备包括激光清洗头8和脉冲激光清洗机9，用来清洗焊接过程中产生的氧化物，同时脉冲激光清洗机9有吸尘作用。激光清洗头8以设定的倾斜角度位于焊枪3的行走方向前侧。
激光冲击设备包括激光冲击波发射头6和脉冲激光冲击发射机7，对熔池5中产生的晶粒进行脉冲激光冲击，发射激光脉冲波，实现对固化过程中晶粒的破碎，提高材料的流动性、改善填充能力。激光冲击波发射头6以设定的倾斜角度位于焊枪3的行走方向后侧。
计算机10用来设置加工参数，控制加工过程。计算机10与电弧熔覆控制装置4、脉冲激光冲击发射机7及脉冲激光清洗机9相连。
工作时，焊枪3端部焊丝在下侧会熔化形成液滴熔池5，焊枪3向前移动时，形成出熔覆焊道2，前侧激光清洗头8对熔池5前方表面氧化物进行激光清洗，焊枪3后侧的激光冲击波发射头6发生脉冲激光波61，对熔池5进行脉冲激光冲击。
当焊枪3开始工作时，发出电弧，丝材熔化在基材1上，溅射出的熔液会在熔池5四周，溶液遇到空气氧化，沉积在熔池5附近；这时脉冲激光清洗机9发射激光并利用二维振镜，进行路径为Z字形的扫描，对基材1上出现的电弧增材熔池5前方的氧化物进行清洗，从而使基材1上的增材路径在熔池5形成之前保持清洁，降低成形的焊道2中杂质的含量，提高了电弧增材熔覆层内的材料纯度；同时，后方的脉冲激光冲击发射机7对熔池5进行脉冲激光波的脉冲冲击，在熔池5固化前碎化固化过程中的晶粒，实现三者同步异位的协同作业。
协同作业具体采用如下方式进行：
(1)根据步骤3和步骤4确定的角度，将激光清洗头8、焊枪3与激光冲击波发射头6依次按照前中后顺序固定，同步开启电弧增材设备、激光清洗设备和激光冲击设备，然后按照前述步骤3和步骤4中所述功能效果来配置相应的机器人来协调作业。
(2)前侧激光清洗头8对即时产生的表面氧化物进行激光清洗，根据氧化层的厚度调整脉冲激光清洗机9的功率和工作距离，所述功率为300-1000W，所述工作距离为激光头场镜焦距，起到去除熔覆焊道氧化层的作用；激光清洗头8控制的脉冲激光能够左右摆动，激光摆动宽度大于焊道2宽度，以保证焊道2能够完全被激光清洗头8的工作范围覆盖。同时，激光清洗头8的脉冲激光还可以清洗焊道2的凹槽处，去除凹槽内的氧化物，增加了电弧增材熔覆层内的材料纯度，提高了材料的性能。脉冲激光清洗机9具备吸尘装置，可将气化的氧化物瞬间排走，避免对后侧的焊枪3形成的熔池5附近空间产生污染。
(3)同时，焊枪3后侧的激光冲击波发射头6对熔池5发生脉冲激光波61，根据熔池5的大小和区域，调整激光冲击波发射头6位置，形成有效的脉冲激光冲击范围和强度；调控激光冲击波发射头6的功率密度(0.5-20GW/cm2)及脉宽(10-40ns)，对熔池5发出脉冲激光波61，使得熔池5内结晶凝固的第一晶粒51破坏成第二晶粒52，如图2所示，第二晶粒52的体积小于第一晶粒51，从而达到细化晶粒的目的；同时脉冲激光波61会造成熔池5振动，提高熔液在微小空间的流动填充能力，促进熔液流入由第一熔覆焊道21和第二熔覆焊道之间的微凹槽211或焊道内的缝隙212中，如图3所示，达到减小孔洞缺陷的目的，从而使得熔池5的形状在脉冲激光波61的作用下发生改变，平整熔覆层，提高型面精度，而且降低了材料后处理工作，同时提高了电弧增材结构件的应用范围。
步骤6：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的成形路径逐层堆积；按照增材路径完成分层模型，获得电弧增材零件。
实施例2
为了便于本领域技术人员更清楚地了解本发明的技术方案，下面以5A06铝合金长方体凸台构件增材为例，具体说明本发明激光冲击辅助电弧增材制造方法。
待加工零件尺寸为50mm(长)*50mm(宽)*30mm(高)，焊丝采用5B06铝合金。
具体加工步骤如下：
步骤1：建立5A06铝合金长方体构件的三维模型，获得三维模型的STL文件，对该STL文件进行单层切片处理，层间高度为6mm，电弧增材加工路径为层内单向运动。
步骤2：采用CMT+P模式(脉冲冷金属过渡)，通过工艺试验得到所需的电弧增材工艺参数，并设定加工参数。焊丝采用5B06铝合金焊丝，焊丝直径为1.2mm，焊丝干伸长10mm，层间停留时间设置1min，焊接频率初步定为5Hz，摇摆幅度适所需焊道宽度而定，焊道两侧停留时间为0.15s，成形方向为往复摆动堆积成形，焊接过程中采用氩气作为保护气体，流量20L/min，送丝速度6m/min，行进速度为7mm/s。
步骤3：确定焊枪3和激光清洗头8之间的夹角为60°。根据5A06铝合金材料特性，确定激光清洗时激光清洗头8发生的激光光斑直径为1mm圆形光斑，激光脉冲频率为10KHz、脉冲功率为350W，从而保证激光清洗过程中激光能量密度大于氧化物的清洗阈值并小于基材1的损伤阈值。扫描振镜扫描速度为3500mm/s。
步骤4：确定焊枪3和激光冲击波发射头6之间的夹角为60°。激光冲击波发射头6发射的激光斑点直径为6mm，斑点中心与熔池5中心距离4mm，激光功率密度为1GW/cm2，能量为5J，脉宽为12ns，从而保证激光冲击过程中激光能量密度大于晶粒凝固阈值并小于基材1的损伤阈值，实现熔池5固化过程中第一晶粒51实现破碎成第二晶粒52，如图2所示，以及提高充填间隙作用，如图3所示。
步骤5：将焊枪3、激光清洗头8与激光冲击波发射头6三者按照设定的角度刚性固定，开启电弧增材设备工作后，同时开启激光清洗与激光冲击设备，实现同步异位工作。当焊枪3开始工作时，发出电弧，丝材熔化在基材1上，溅射出的熔液会在熔池5四周，溶液遇到空气氧化，沉积在熔池5附近；这时脉冲激光清洗机9发射激光并利用二维振镜，进行路径为Z字形的扫描，对基材1上出现的电弧增材熔池5前方的氧化物进行清洗；同时，后方的脉冲激光冲击发射机7对熔池5进行脉冲激光波的脉冲冲击，实现三者同步异位的协同作业。
步骤6：采用同步送丝的方式将铝合金焊丝按照步骤1设定的成形路径逐层堆积。
具体的，每层堆积的高度为6mm，按照层内单向运动的成形路径完成6层长度和宽度都大于50mm的堆积，获得电弧增材铝合金零件。完成后，对铝合金零件进行切削加工，得到尺寸为50mm(长)*50mm(宽)*30mm(高)的铝合金。
综上所述，本发明实施例提供的一种激光冲击辅助电弧增材制造的方法，通过电弧增材设备、激光清洗设备和激光冲击设备的协同工作，在增材的同时对熔池进行清洗和脉冲激光冲击，抑制晶粒的长大，实现晶粒细化，减少焊接孔洞，从而改善电弧增材制造所得的构件的力学性能，同时，降低了材料后处理工作，提高了电弧增材结构件的应用范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，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并设计电弧增材加工路径；
步骤2：通过工艺试验得到所需的电弧增材工艺参数，并设定加工参数；
步骤3：根据加工过程中生成的氧化物的厚度、成分及范围，确定加工过程中激光清洗头(8)与焊枪(3)之间的夹角及脉冲激光清洗机(9)的加工参数；
激光清洗头(8)的激光光斑垂直照射至待清洗材料表面，以获得均匀光斑；
激光清洗头(8)包含扫描振镜，扫描振镜的扫描速度为3000-5000mm/s；
激光清洗头(8)的移动速度与焊枪(3)的移动速度一致，激光清洗头(8)以设定的倾斜角度位于焊枪(3)的行走方向前侧，在焊接过程中同步清洗焊枪(3)行走的前部区域；
步骤4：根据熔池(5)的材料成分、尺寸，获得激光冲击波发射头(6)与焊枪(3)之间的夹角及脉冲激光冲击发射机(7)的加工参数；
激光冲击波发射头(6)移动速度与焊枪(3)的移动速度一致，以设定的倾斜角度位于焊枪(3)的行走方向后侧，激光冲击波发射头(6)和脉冲激光冲击发射机(7)对熔池(5)中产生的晶粒进行脉冲激光冲击，发射激光脉冲波，对固化过程中的晶粒进行破碎；
步骤5：焊枪(3)、激光冲击波发射头(6)和激光清洗头(8)同步工作；
工作时，焊枪(3)端部焊丝在下侧会熔化形成液滴熔池(5)，焊枪(3)向前移动时，形成出熔覆焊道(2)，前侧激光清洗头(8)对熔池(5)前方表面氧化物进行激光清洗，焊枪(3)后侧的激光冲击波发射头(6)发生脉冲激光波(61)，对熔池(5)进行脉冲激光冲击；
步骤6：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的成形路径逐层堆积；按照增材路径完成分层模型，获得电弧增材零件。
2.根据权利要求1所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，激光清洗头(8)与焊枪(3)之间的夹角为15°-90°。
3.根据权利要求2所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，激光清洗头(8)的脉冲激光能够左右摆动，激光摆动的宽度大于焊道宽度。
4.根据权利要求3所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，激光清洗头(8)的激光光斑为直径0.8-2mm的圆形光斑，激光脉冲频率为10-30KHz、激光脉冲功率为300-1000W。
5.根据权利要求1所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，脉冲激光清洗机(9)具有吸尘作用。
6.根据权利要求2所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，激光冲击波发射头(6)与焊枪(3)之间的夹角为15°-90°。
7.根据权利要求6所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，激光冲击波发射头(6)的激光斑点为直径2-8mm的圆形光斑，激光功率密度为0.5-20GW/cm2，能量为5-30J，脉宽为10-40ns。
8.根据权利要求1所述的激光冲击辅助电弧增材制造方法，其特征在于，电弧增材设备包括电弧熔覆控制装置(4)，电弧熔覆控制装置(4)对焊枪(3)的行走路径进行控制。
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