一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法技术

本发明专利技术提供了一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，属于增材制造领域。针对现有的铝合金激光填丝增材制造和电弧增材制造中存在的问题，如铝合金对激光的反射率高、电弧不稳定导致成形质量较差、热输入大导致成形件组织粗大等，本发明专利技术提出采用激光‑TIG复合热源，激光与电弧的相互作用，一方面可减小热输入，成形件组织细化、强度提高；另一方面激光可稳定电弧，使得多层多道成形过程中电弧更加稳定，优化搭接效果。本发明专利技术通过调整相邻焊道间电弧电流、层间电弧电流，降低连续成形过程中的热输入，得到的成形件外形尺寸稳定、晶粒细化，且相比控制层间温度及层间停留时间，成形效率显著提高。 1

A method of adding solid material to aluminum alloy structure by adding wire

The invention provides a method for filling wire type material addition and manufacturing solid aluminum alloy structure, belonging to the field of increasing material manufacturing. In view of the existing problems in the manufacturing of aluminum alloy laser filling material and the manufacturing of arc adding, such as the high reflectivity of the laser, the poor quality of the forming and the large structure of the forming parts, such as the high reflectivity of the aluminum alloy, the instability of the arc and the large structure of the forming parts. The invention proposed the interaction of laser and arc with the laser TIG composite heat source. On the one hand, the heat input can be reduced, the microstructure of the forming parts is refined and the strength is improved. On the other hand, the laser can stabilize the arc and make the arc more stable in the multi-channel forming process and optimize the lap effect. By adjusting the arc current between adjacent channels and interlayer arc current, the heat input in the continuous forming process is reduced. The shape of the forming parts is stable and the grain is refined, and the forming efficiency is significantly improved compared with the temperature between the control layers and the interlayer residence time. One

【技术实现步骤摘要】
一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法
本专利技术属于增材制造领域，涉及一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法。
技术介绍
铝合金是航空航天、交通运输等领域的重要轻质材料，随着轻量化制造的发展，铝合金结构的结构轻量化、性能复杂化成为一大发展趋势。增材制造是一种“自下而上”逐层累积的制造技术，制造灵活性高，用于增材制造的原材料有粉末和丝材两种。因丝材具有种类广泛、成本低廉、利用率高等优点，填丝式增材制造成为增材制造技术中的重要分支。中国专利CN106392270A公开了一种电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，本专利技术采用电弧为热源熔化铝合金丝材，可大幅降低生产成本、缩短生产周期，但电弧作为热源时热输入大，成形件变形大且晶粒粗大，强度随热输入的增大而降低。中国专利CN107442941A公开了一种铝合金双丝激光增材制造方法。本专利采用激光束同时熔化两根铝合金焊丝，激光熔化后置焊丝并形成熔池，前置焊丝利用熔池的能量进行熔化，充分利用了激光束能量。但使用激光作为热源时，因激光光斑直径较小，其对焊丝的刚直性和指向性要求较高，当焊丝过粗时，焊丝不能充分熔化，而当焊丝太细时，焊丝刚直性较差，焊丝因自身的弯曲、摆动会离开激光照射区，造成熔化不充分，这都将影响铝合金成形件的质量。且由于铝合金本身的物理性质，如对激光的反射率高、热导率高等，成形铝合金结构需要较大的热输入，而反射的激光对激光镜头危害极大。中国专利CN106077978A公开了一种等离子弧辅助MIG增材制造铝合金结构的方法。本专利采用等离子弧辅助MIG，既可以预热铝合金，又可以对铝合金表面进行重熔整形，且等离子弧的加入可降低热输入量和热影响区宽度，提高成形的可靠性。但等离子弧作为压缩后的电弧，其稳定性较差，与激光相比仍有一定差距。中国专利CN107283061A公开了一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统。本专利技术采用激光-CMT复合热源，相比激光增材制造铝合金，降低了对激光功率的要求，成形困难得到很大程度的改善；相比电弧增材制造铝合金，改善了因热输入大、变形严重、熔池容易溢出或熔塌等问题。但本专利中采用恒定电流进行增材，成形过程中采用相同的层间温度，这使得成形效率大幅下降。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，可高质量、高效率地实现实体类铝合金结构的增材制造。本专利技术采用以下技术方案：一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，该方法基于下述结构实现，将预热装置固定在数控系统工作台上方，并将基板固定在预热装置上方，TIG焊枪的轴线与水平面的夹角为45～70°，步骤如下：步骤1：采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式，激光光斑直径d为0.4mm～0.8mm，焊丝的直径d1为0.8mm～3.0mm，将焊丝端部送入激光光斑近焊丝一侧边缘处，当焊丝端部与基板间竖直距离调整至0后，继续下压焊丝的距离h满足0.3d1≥h≥0.1d1；钨针端部中心与激光光斑中心间水平距离S满足5d≥S≥d；初始激光功率密度选用1×106W/cm2～6×106W/cm2；初始电弧电流I0设置为100A～200A，基板预热温度设定为2I0℃≥H≥I0℃；步骤2：进行单层多道成形，先启动电弧，2s～6s后再同时启动送丝、激光；将数控系统工作台沿垂直扫描方向移动，以实现相邻焊道间的搭接；同层中初始激光功率密度设为1×106W/cm2～6×106W/cm2，初始焊道电弧电流设为100A～200A，之后相邻焊道的激光功率密度相对于前一焊道逐道增加0W/cm2～105W/cm2，电弧电流相对于前一焊道逐道降低0A～5A，直至第m道的激光功率密度增加至6×106W/cm2～8×106W/cm2和电弧电流降至80A～100A，第m+1道以后的激光功率密度和焊道电弧电流保持恒定；所述的步骤2中，数控系统工作台沿垂直扫描方向移动的距离L满足(0.032I0-1.29)mm≥L≥(0.028I0-1.12)mm；步骤3：进行多层多道成形，第1层初始激光功率密度设为1×106W/cm2～6×106W/cm2，初始焊道电弧电流为100A～200A，之后每一层的初始焊道激光功率密度相对于前一层逐层增加0W/cm2～105W/cm2，电弧电流逐层降低0A～5A，直至第n层初始焊道激光功率密度增加至6×106W/cm2～8×106W/cm2和电弧电流降至80A～100A，第n+1层以上的初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定，直至成形出需要的铝合金结构。本专利技术的有益效果：本专利技术采用填丝式增材制造实体类铝合金结构，采用激光-TIG复合热源，激光与电弧的相互作用，一方面可减小热输入，成形件组织细化、强度提高；另一方面激光可稳定电弧，使得多层多道成形过程中电弧更加稳定，优化搭接效果。本专利技术通过调整相邻焊道间电弧电流、层间电弧电流，降低连续成形过程中的热输入，得到的成形件外形尺寸稳定、晶粒细化，且相比控制层间温度及层间停留时间，成形效率显著提高。附图说明图1所示为激光-电弧复合热源增材制造实体类铝合金结构的示意图。图中：1数控系统工作台；2预热装置；3基板；4TIG焊枪；5激光束；6送丝嘴；7焊丝；8钨针。具体实施方式下面结合附图以及实施例对本专利技术做进一步详细描述。一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，该制造方法基于下述结构实现，采用厚度为15mm的6061铝合金基板3，对其进行机械打磨并使用无水乙醇清理；将预热装置2固定在数控系统工作台1上方，并将基板3固定在预热装置2上方，激光偏转5°，离焦量为-1.0mm，TIG焊枪4的轴线与水平面夹角为50°，钨针8端部的高度为2.0mm，送丝嘴6的轴线与水平面夹角为10°，焊丝7选用ER4043。步骤如下：步骤1：采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式，激光光斑直径d为0.6mm，焊丝直径d1为1.2mm，将焊丝端部送入激光光斑近焊丝一侧边缘，焊丝端部与基板3间竖直距离调整至0后，继续下压焊丝的距离h满足0.15mm，钨针8端部中心与激光光斑中心间水平距离S调整为2.0mm；将激光功率密度设为2×106W/cm2，初始电弧电流I0设置为150A，基板3预热温度设定为200℃；步骤2：进行成形工作时，先启动电弧，4s后再同时启动送丝、激光；进行单层多道成形，数控系统工作台1沿垂直扫描方向移动的距离L为3.216mm以实现相邻焊道间的搭接，初始焊道激光功率密度为2×106W/cm2，电弧电流为150A，相邻焊道搭接过程中激光功率密度相对于前一焊道逐道增加3×104W/cm2，电弧电流逐道降低5A，直至电弧电流降至80A，之后保持恒定的激光功率密度和电弧电流；其中，扫描速度为250mm/min，送丝速度为1000mm/min，保护气体采用氩气，流量为15L/min；步骤3：进行多层多道成形，第1层初始焊道的激光功率密度为2×106W/cm2，电弧电流为150A，之后初始焊道激光功率密度逐层降低3×104W/cm2，电弧电流逐层降低5A，直至第15层初始焊道电弧电流降至80A，并使第16层至第30层初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，其特征在于，该方法基于下述结构

【技术特征摘要】
1.一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，其特征在于，该方法基于下述结构实现，将预热装置(2)固定在数控系统工作台(1)上方，并将基板(3)固定在预热装置(2)上方，TIG焊枪(4)的轴线与水平面的夹角为45～70°，步骤如下：步骤1：采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式，激光光斑直径d为0.4mm～0.8mm，焊丝(7)的直径d1为0.8mm～3.0mm，将焊丝(7)端部送入激光光斑近焊丝(7)一侧边缘处，当焊丝(7)端部与基板(3)间竖直距离调整至0后，继续下压焊丝(7)的距离h满足0.3d1≥h≥0.1d1；钨针(8)端部中心与激光光斑中心间水平距离S满足5d≥S≥d；初始激光功率密度选用1×106W/cm2～6×106W/cm2；初始电弧电流I0设置为100A～200A，基板(3)预热温度设定为2I0℃≥H≥I0℃；步骤2：进行单层多道成形，先启动电弧，2s～6s后再同时启动送丝、激光；将数控系统工作台(1)沿垂直扫描方向移动，以实现相邻焊道间的搭接；同层中初始激光功率密度设为1×106W/cm2～6×106W/cm2，初始焊道电...

【专利技术属性】
技术研发人员：马广义，苗秋玉，刘妙然，吴东江，柴东升，于京令，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21