一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法，该方法借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉，借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量。利用微束等离子弧优良的电弧稳定性和挺直性，提高粉末材料的送粉精度，利用微束等离子弧能量作用集中的特性，提高粉末的熔化率和沉积率，以及提高粉末材料和成形区域对激光热源能量的热吸收率。其微束等离子弧主弧电流为30A～50A，脉冲激光束脉冲峰值功率为4kW～10kW，通过调整激光束与微束等离子弧载粉流的相对位置关系、束斑重合度以及微束等离子弧和激光束的输出能量，实现金属材料和结构的三维快速成形制造，具有成形效率高、精度高、变形小、技术适应性强等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光三维快速成形制造方法，适用于以同步送粉形式实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料的激光三维快速成形制造。
技术介绍
三维快速成形制造(3D打印)技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件三维快速成形制造的技术基础是焊接/连接，近20年来，国内外三维快速成形制造实现了两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把高能束流热源(电子束、激光束)的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。三维快速成形制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造，在航空航天、医疗等领域，产品开发阶段，计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前，三维快速成形制造技术是传统大批量制造技术的一个补充，相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属构件的三维快速成形制造应用于产品研发，还存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不能令人满意等问题。其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。相对于常用于焊接制造的TIG、MIG、MAG等自由电弧，微束等离子弧具有能量作用集中、电弧稳定且挺直性好、能量消耗小、制造质量重复精度高等优点，将其作为载粉热源将有非常突出的优势。脉冲激光热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点，可以实现高效率和高重复精度成形制造。这两种热源的结合用于三维快速成形制造，为实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造精度带来了新的可能。
技术实现思路
本专利技术针对金属材料结构件的成形制造，提供一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法。该方法能够实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料结构的三维快速成形制造。本专利技术采取以下技术方案：一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法，该方法借助微束等离子弧良好的挺直性和稳定性，实现对粉末的载流和同步送粉，并提供辅热作用实现粉末流预熔和提高材料对
激光热源能量的热吸收率；借助脉冲激光热源提供金属材料结构成形所需要的主要能量，所述制造方法的步骤如下：(1)调整脉冲激光出射方向，使其与铅垂面成0°～10°夹角；(2)调整微束等离子焊枪，使微束等离子弧出射粉末流方向与激光束成15°～30°夹角。(3)校准激光出射头与微束等离子弧枪相对位置，使出射激光束与出射微束等离子弧位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，微束等离子弧枪在前，激光出射头在后。(4)安装基板，并可靠装夹，水平固定。(5)零件三维建模、分层切片，生成成形制造程序。(6)使微束等离子弧的引燃弧工作，校准激光出射头与微束等离子枪相对位置，使激光束在基板平面的束斑与微束等离子弧束斑重合；重合度判断原则为：使激光束处于上聚焦位置，产生的激光束斑与微束等离子弧束斑重合度不低于60％。(7)引弧使微束等离子弧的主弧开始工作，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流；微束等离子弧主弧电流范围为30A～50A，且为连续输出的直流电弧电流。产生微束等离子弧的电源为直流电源，电极接法为钨极为阴极接电源负极，基板为阳极接电源正极。(8)激光器工作，出射激光束，成形制造过程开始；激光束为脉冲激光束，脉冲峰值功率范围为4kW～10kW，额定激光功率不超过600W。(9)制造过程结束时，先关停激光束出射，再停止送粉，并熄灭微束等离子弧，延迟停止保护气，结束全部制造流程。本专利技术借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉，借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量。其创新在于利用微束等离子弧优良的电弧稳定性和挺直性，提高粉末材料的送粉精度，利用微束等离子弧能量作用集中的特性，提高粉末的熔化率和沉积率，以及提高粉末材料和成形区域对激光热源能量的热吸收率，从而充分发挥激光三维快速成形的技术优势，能够实现常用金属结构的高效成形制造。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：(1)激光热源和微束等离子弧热源能量密度大，热输入低，热变形小，容易实现高重复精度制造；(2)微束等离子弧具有优良的电弧稳定性和挺直性，送粉精度高，粉末熔化率、沉积率高；(3)适应性强，适合多种金属材料和结构的三维快速成形制造；(4)能量消耗低，成形效率高，且可以实现较高的成形精度，后期机械加工量小。附图说明图1是微弧载粉激光三维快速成形制造系统组成示意图。图中，1激光器、2微束等离子弧电源、3光学系统、4激光出射头、5气瓶、6送粉器、7微束等离子弧枪、8激光束、9微弧载粉流、10基板、11前进方向、12成形件。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。参见图1，实现本专利技术方法的微弧载粉激光三维快速成形制造系统包括激光器1、微束等离子弧电源2、光学系统3、激光出射头4、气瓶5、送粉器6、微束等离子弧枪7。激光器1发出的技术激光经光学系统3后由激光出射头4出射。微束等离子弧电源2为微束等离子弧枪7提供主弧电流，为直流电源，提供连续输出的直流电弧电流。气瓶5提供保护气氛，送粉器6用于喷射粉末流。实施例1：本例采用的基板为厚度4mm的304不锈钢板，粉末材料选用粒度200～300目的奥氏体不锈钢粉末。所使用的钨极为铈钨电极，电极接法为钨极为阴极接电源负极，基板为阳极接电源正极。微束等离子弧主弧电流为35A，脉冲激光峰值功率为5.5kW，脉冲宽度为5ms，离焦量为4mm。调整激光出射头4，使激光束与铅垂面夹角为5°，设定工作台前进速度为12mm/s。微束等离子弧和激光使用的保护气体和工作气体均为纯氩气，且保护气体流量为15L/min，送粉器6的送粉量为20g/min。校正激光出射头4与微束等离子弧枪7相对位置，使微束等离子弧出射方向与激光束成25°夹角，且以工作台前进方向11为参照，使微束等离子枪7在前，激光出射头4在后。安装固定基板，完成成形零件的三维建模、分层切片，并生成制造程序。引燃微束等离子弧引燃弧，校准激光出射头4与微束等离子枪7相对位置，使激光束8在基板10平面的束斑与微束等离子弧束斑重合。引燃主弧，启动送粉器6喷射粉末流，形成微弧载粉流9，同时出射激光束8，开始成形制造，使工作台按照编程预设轨迹分层运动。成形制造过程结束后，关停激光束出射，再停止送粉器送粉，并熄灭微束等离子弧，延迟停止保护气，结束全部制造流程，得到成型件12。实施例2：本例采用的基板为厚度4mm的6061铝合金板，粉末材料选用粒度200～300目的AlSi系铝合金粉末。所使用的钨极为铈钨电极，电极接法为钨极为阴极接电源负极，基板为阳极接电源正极。微束等离子弧主弧电流为40A，脉冲激光峰值功率为5.5kW，脉冲宽度为4.5ms，离焦量为4.5mm。激光束与铅垂面夹角为5°，微束等离子弧出射方向与激光束成25°夹角。
设定工作台前进速度为10mm/s。微束等离子弧和激光使用的保护气体和工作气体均为纯氩气，且保护气体流量为20L\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法，该方法借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉，借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量，所述制造方法的步骤如下：(1)调整脉冲激光出射方向，使其与铅垂面成0°～10°夹角；(2)调整微束等离子焊枪，使微束等离子弧出射粉末流方向与激光束成15°～30°夹角；(3)校准激光出射头与微束等离子弧枪相对位置，使出射激光束与出射微束等离子弧位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，微束等离子弧枪在前，激光出射头在后；(4)安装基板，并可靠装夹，水平固定；(5)零件三维建模、分层切片，生成成形制造程序；(6)使微束等离子弧的引燃弧工作，校准激光出射头与微束等离子枪相对位置，使激光束在基板平面的束斑与微束等离子弧束斑重合；(7)引弧使微束等离子弧的主弧开始工作，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流；所述微束等离子弧主弧电流范围为30A～50A，且为连续输出的直流电弧电流；(8)激光器工作，出射激光束，成形制造过程开始；所述激光束为脉冲激光束，脉冲峰值功率范围为4kW～10kW，额定激光功率不超过600W；(9)制造过程结束时，先关停激光束出射，再停止送粉，并熄灭微束等离子弧，延迟停止保护气，结束全部制造流程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于微弧载粉的激光三维快速成形制造方法，该方法借助微束等离子弧实现对粉末的载流和同步送粉，借助脉冲激光热源提供金属结构成形所需要的主要能量，所述制造方法的步骤如下：(1)调整脉冲激光出射方向，使其与铅垂面成0°～10°夹角；(2)调整微束等离子焊枪，使微束等离子弧出射粉末流方向与激光束成15°～30°夹角；(3)校准激光出射头与微束等离子弧枪相对位置，使出射激光束与出射微束等离子弧位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，微束等离子弧枪在前，激光出射头在后；(4)安装基板，并可靠装夹，水平固定；(5)零件三维建模、分层切片，生成成形制造程序；(6)使微束等离子弧的引燃弧工作，校准激光出射头与微束等离子枪相对位置，使激光束在基板平面的束斑与微束等离子弧束斑重合；(7)引弧使微束等离子弧的主弧开始工作，同时启动送...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗怡，韩静韬，谢小健，朱亮，陈东，郭继钊，李正，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50