一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法及系统技术方案

本发明专利技术属于金属增材制造领域，并具体公开了一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法及系统，其包括如下步骤：通过电弧增材制造成形金属构件时，使一束环形激光作用于成形金属，在成形金属上形成稳定的环形熔池；同时另一束诱导激光作用在环形熔池中心区域，环形熔池中心区域受热产生金属蒸汽，该金属蒸汽电离形成带电粒子，使环形熔池中心区域电导率提高，将电弧诱导至环形熔池中心区域并形成熔池；电弧热熔化金属形成的熔池与环形熔池形成一个尺寸稳定的整体熔池，该整体熔池金属凝固后成为堆积成形的下一层金属；然后不断堆积成形，直至完成金属构件成形。本发明专利技术可保证熔池尺寸稳定性，进而提高电弧增材制造过程中构件的成形精度。的成形精度。的成形精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法及系统


[0001]本专利技术属于金属增材制造领域，更具体地，涉及一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法及系统。

技术介绍

[0002]电弧增材制造技术又称3D打印技术，是利用逐层堆积的原理，通过电弧熔化丝材，自下而上一层层不断堆积金属成形构件的制造方法。它具有材料利用率高、制造效率高和易于制造成形复杂零件的特点。然而，现有的电弧增材制造技术存在成形构件尺寸可控性与成形精度低的问题，制约了电弧增材制造技术的广泛应用。
[0003]为了提高电弧增材制造金属构件的质量，人们开始考虑利用激光复合电弧工艺，优化增材制造过程。南京理工大学提出了一种双激光束电弧多热源复合增材方法(CN111571017A)，其采用双激光束作用在基板及增材件上，两束激光复合热源其作用主要是对基板进行预热，或通过分光作用使激光束分光，使光斑直径变大，分散激光的能量密度，减小材料烧损率。苏州柘电智能科技有限公司(CN108500491A)提出了一种激光
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冷金属过渡电弧同轴复合增材制造装置及方法，其采用分光镜将入射光光束分成两束以上反射激光光束，通过反射聚焦镜使两束激光成聚焦激光光束，并将CMT电弧光斑与激光聚焦光斑同轴复合成对称热源，其作用是使增材制造过程不受焊接方向的影响。华中科技大学提出了一种基于激光稳定和调控机理的电弧增材制造成形方法及系统(CN107030385A)，其采用单束激光直接作用在弧柱上，利用激光压缩和稳定电弧的机理，用于提高金属构件表面成形精度和质量。/>[0004]但现有技术仅仅是通过激光与电弧的复合作用，分散激光的能量密度、减小材料烧损率、改善热源、或压缩电弧提高电弧的稳定性，难以有效提高增材制造构件的成形精度，没有关注到电弧增材制造过程中金属构件的成形精度，其取决于每层堆积金属的高度与宽度的尺寸稳定性，而每一层堆积金属的尺寸稳定性取决于熔池尺寸稳定性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法及系统，其目的在于，通过两束激光的协同作用，其中一束环形激光用于稳定熔池尺寸，另一束激光用于诱导电弧进入环形激光中心形成电弧熔池，激光熔池和电弧熔池形成一个尺寸稳定的整体熔池，解决电弧增材制造过程中成形精度低的问题，实现电弧增材制造金属构件高精度成形。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提出了一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
[0007]S1、一束环形激光作用于金属基板，在金属基板上形成环形熔池；同时另一束诱导激光作用在环形熔池中心区域，环形熔池中心区域受热产生金属蒸汽，该金属蒸汽电离形成带电粒子，使环形熔池中心区域电导率提高，进而将电弧诱导至环形熔池中心区域并形
成电弧熔池；该电弧熔池与环形熔池形成一个尺寸稳定的整体熔池，该整体熔池金属凝固后成为堆积成形的第一层金属；
[0008]S2、一束环形激光作用于成形金属，在成形金属上形成环形熔池；同时另一束诱导激光作用在环形熔池中心区域，环形熔池中心区域受热产生金属蒸汽，该金属蒸汽电离形成带电粒子，使环形熔池中心区域电导率提高，进而将电弧诱导至环形熔池中心区域并形成电弧熔池；该电弧熔池与环形熔池形成一个尺寸稳定的整体熔池，该整体熔池金属凝固后成为堆积成形的下一层金属；
[0009]S3、重复步骤S2，直至完成金属构件的电弧增材制造成形。
[0010]作为进一步优选的，所述环形激光功率为800w～1500w，所述诱导激光功率为300w～800w。
[0011]作为进一步优选的，弧焊枪产生电弧时，弧焊枪干伸长为10mm～20mm，成形电流为10A～300A。
[0012]作为进一步优选的，弧焊枪移动速度为0.24m/min～0.84m/min。
[0013]作为进一步优选的，整个电弧增材制造成形过程中，采用氩气或二氧化碳作为保护气体，保护气体流量为5L/min～20L/min。
[0014]按照本专利技术的另一方面，提供了一种用于实现上述基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法的系统，包括电弧发生装置和激光装置，其中：所述电弧发生装置包括弧焊枪和用于带动该弧焊枪移动的机器人；所述激光装置包括激光枪夹持装置、环形激光枪和诱导激光枪，所述激光枪夹持装置固定安装在所述弧焊枪上，所述环形激光枪、诱导激光枪均安装在所述激光枪夹持装置上，所述环形激光枪用于产生环形激光，所述诱导激光枪用于产生诱导激光。
[0015]作为进一步优选的，所述环形激光枪、诱导激光枪活动安装在激光枪夹持装置上，使环形激光枪与弧焊枪间的角度和距离，及诱导激光枪与弧焊枪间的角度和距离均可调。
[0016]作为进一步优选的，所述激光装置还包括激光发射器和分光器，所述激光发射器发出的激光通过分光器分别提供给所述环形激光枪和诱导激光枪。
[0017]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0018]1.本专利技术基于电弧增材制造过程中金属构件的成形精度，其取决于每层堆积金属的高度与宽度的尺寸稳定性，而每一层堆积金属的尺寸稳定性取决于熔池尺寸稳定性的原理，提出了利用两束激光，其中一束环形激光作用于前一层堆积金属，形成环形熔池，另一束激光作用在环形激光中心区域金属，将熔化丝材的电弧诱导进入环形激光熔化区域，从而保证熔池尺寸稳定性，提高电弧增材制造过程中构件的成形精度，特别适用于尺寸精度和表面平齐度要求高的金属构件增材制造应用场景。
[0019]2.本专利技术中通过调节两束激光各自的功率大小，可以精确控制增材制造过程中熔池的尺寸，从而得到需要的增材制造金属构件尺寸精度；同时确定两束激光的具体功率范围，使增材制造过程中可以得到明确的环形熔池，并能准确诱导电弧至环形熔池中心区域，并进一步确定弧焊枪的移动速度等参数，以确保激光枪的作用效果。
[0020]3.本专利技术设计了相应的电弧增材制造系统，通过激光枪夹持装置将弧焊枪与两把激光枪集成为一体，使其能够同步移动，确保电弧增材制造过程中的准确性；同时环形激光
枪与弧焊枪枪体之间的角度和距离，以及诱导电弧激光枪与弧焊枪枪体之间的角度和距离均可调，可以适应不同情况。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例电弧增材制造系统结构示意图；
[0022]图2a为本专利技术实施例电弧增材制造系统的原理示意图(立体图)；
[0023]图2b为本专利技术实施例电弧增材制造系统的原理示意图(截面图)；
[0024]图3为本专利技术实施例1中的直壁结构示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例2中的三向管接头结构示意图；
[0026]图5为本专利技术实施例3中的火箭推力室结构示意图。
[0027]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1
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焊接电源，2
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机器人，3
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环形激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、一束环形激光作用于金属基板，在金属基板上形成环形熔池；同时另一束诱导激光作用在环形熔池中心区域，环形熔池中心区域受热产生金属蒸汽，该金属蒸汽电离形成带电粒子，使环形熔池中心区域电导率提高，进而将电弧诱导至环形熔池中心区域并形成电弧熔池；该电弧熔池与环形熔池形成一个尺寸稳定的整体熔池，该整体熔池金属凝固后成为堆积成形的第一层金属；S2、一束环形激光作用于成形金属，在成形金属上形成环形熔池；同时另一束诱导激光作用在环形熔池中心区域，环形熔池中心区域受热产生金属蒸汽，该金属蒸汽电离形成带电粒子，使环形熔池中心区域电导率提高，进而将电弧诱导至环形熔池中心区域并形成电弧熔池；该电弧熔池与环形熔池形成一个尺寸稳定的整体熔池，该整体熔池金属凝固后成为堆积成形的下一层金属；S3、重复步骤S2，直至完成金属构件的电弧增材制造成形。2.如权利要求1所述的基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法，其特征在于，所述环形激光功率为800w～1500w，所述诱导激光功率为300w～800w。3.如权利要求1所述的基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法，其特征在于，弧焊枪产生电弧时，弧焊枪干伸长为10mm～20mm，成形电流为10A～300A。4.如权利要求3所述的基于激光稳定熔池尺寸的电弧增材制造方法，其特征在于，弧焊枪移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：余圣甫，郑博，任佳，何天英，张超，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：