等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法技术

本发明专利技术公开了等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，包括以下具体步骤：步骤1，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，在并列双丝熔池后方附加一道扫描激光热源；激光热源扫描包含两个电弧熔池，根据各熔池大小设置激光宽度使得两个熔池能后合并到形成超宽超薄熔池；本发明专利技术相对于现有技术相比，具有显著优点如下：本发明专利技术产生声频或超声频振荡，焊道成形质量更好、成形精度更高，且两同行熔池沿着激光扫描区域合并成一道超宽超薄熔池，可以加速熔池中气体逸出，减少宏、微观孔隙，增材效率大幅提升。增材效率大幅提升。增材效率大幅提升。

【技术实现步骤摘要】
等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法


[0001]本专利技术属于三维成形制造
，具体为等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法。

技术介绍

[0002]现代增材制造(3D打印)技术是以计算机辅助设计、材料加工与成形为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料逐层堆积建造，最终制造出结构性能优异的实物产品的先进制造技术。经过短短数十余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微小结构制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。
[0003]增材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、机械制造等领域，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，增材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。金属构件的增材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，所以本文通过双丝增材实现超宽焊道增材提高效率，引入激光热源稳定焊道成形质量，具有非常良好的现实意义和经济意义。
[0004]电弧增材制造技术具有成本低、效率高、可控参数多、力学性能良好、金属材料的适用性好等优点，但是也存在一些需要解决的问题：成型精度与净成型零件有一定的差距、残余应力较大、熔池可控性不好等。在传统焊接技术中，熔化极气体保护焊具有焊接焊接电流大、焊接效率较高等优点，但电弧不稳定，成形过程中熔池容易外溢和塌陷；非熔化极气体保护焊焊接稳定，但焊接电流小，焊接效率低。
[0005]电弧用于增材制造具有热效率高、熔滴沉积率高等优点，但电弧的热输入较高，容易造成金属结构内部晶粒组织粗大。开放的气体保护电弧作用环境也容易在成形过程形成气孔缺陷。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。将这两种热源结合用于增材制造，为实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造质量带来了新的可能。同时运用激光热源的稳定性来稳定焊道提高成形质量，双丝同时进行增材实现超宽焊道的同时还大大提高效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，包括以下具体步骤：
[0009]步骤1，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，在并列双丝熔池后方附加一道扫描激光热源；激光热源扫描包含两个电弧熔池，根据各熔池大小设置激光宽度使得两个熔池能后合并到形成超宽超薄熔池；
[0010]步骤2，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝方式和送丝速度以及增材速度参数；
[0011]步骤3，选用不锈钢作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行一段时间的打磨，去除表面的一些污渍和用丙酮或酒精擦洗去除氧化层；然后给基板进行预热，使基板整体温度均匀达到预定温度。
[0012]步骤4，启动增材成形制造程序，引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，形成一定宽度的熔池，同时激光器工作，出射特定参数的激光束；
[0013]步骤5，让等离子电弧以及激光束扫描按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的超宽焊道；
[0014]步骤6，重复步骤5的操作，直到整个构件成形；
[0015]步骤7，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理。
[0016]优选的，步骤1中调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，激光出射方向与电弧出射方向夹角为10～30
°
，且以工作台前进方向为参照，电弧热源作用点在前，双枪并列，激光出射作用点在后，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域。
[0017]优选的，步骤1中调整光丝间距，即焊丝与激光束之间的距离H，使得激光热源接触到电弧熔池但激光出射头不会与电弧焊枪相撞，且不会因为两个热源过远而形成两个独立焊道；两者之间的距离H：L(熔池长度)≤H/2≤2L/3+M(激光扫描长度)/2，即4.00mm≤H/2≤6.00mm。
[0018]优选的，步骤1中激光束横跨两个熔池尾部侧边区域，两焊道之间的距离S需要进行限定，为了更有效地提高增材效率且防止两个焊道距离过远而导致相互间接触不好不能形成一道完整的焊道，影响成形质量；两焊道之间的距离S：B(熔池宽度)＜S＜11B/10。
[0019]优选的，步骤1中为了稳定焊道成形质量，激光束应避免加在中间热量高的区域，应加在两熔池侧边热量较低的区域，使得两熔池合并为一个完整熔池，实现增大熔宽、降低熔深的作用，激光束扫描区域直径d与熔池宽度B1和B2之间应满足以下关系式：
[0020]0.4＜d/B1＜0.6，2＜B2/d＜3，
[0021]B1和B2根据不同的实际需求选择相应直径的焊丝，2mm＜B1(或B2)＜6mm。
[0022]优选的，步骤1中激光束作用模式为脉冲扫描模式，脉冲激光束以Z形轨迹作用于熔池区域，微动扫描区域为电弧熔池尾部，且脉冲扫描区域面积≥1/4熔池表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比。
[0023]优选的，步骤1中激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，所述电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。
[0024]优选的，步骤2中，为了实现不同直径焊丝的增材，所述等离子电弧的参数包括电压20V≤U≤22.5V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流80A≤I≤230A，其电流为连续输出的交流电弧电流；送丝速度2.0m/min≤WFS≤4.0m/min，送丝方式为同排并列送丝；增材速度4.0mm/s≤TS≤5.0mm/s；功率1200W≤P≤4500W；电弧的直径8mm≤D≤11mm。
[0025]优选的，步骤3中基板的预热处理具体为：
[0026]在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在30分钟内预热至200～300℃，保温5～10min后进行增材；
[0027]增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；
[0028]增材结束后，将基板温度调至100～200℃范围内，保持在30～40min后停止，消除残余应力，进一步提升所得构件的性能。
[0029]本专利技术相对于现有技术相比，具有显著优点如下：
[0030]1、本专利技术利用等离子电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，辅助脉冲激光能量扫描电弧熔池尾部热量较低区域，使电弧双熔池产生熔合，形成增大熔宽，降低熔深的作用；另外产生声频或超声频振荡，焊道成形质量更好、成形精度更高，且两同行熔池沿着激光扫描区域合并成一道超宽超薄熔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，在并列双丝熔池后方附加一道扫描激光热源；激光热源扫描包含两个电弧熔池，根据各熔池大小设置激光宽度使得两个熔池能后合并到形成超宽超薄熔池；步骤2，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝方式和送丝速度以及增材速度参数；步骤3，选用不锈钢作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行一段时间的打磨，去除表面的一些污渍和用丙酮或酒精擦洗去除氧化层；然后给基板进行预热，使基板整体温度均匀达到预定温度。步骤4，启动增材成形制造程序，引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，形成一定宽度的熔池，同时激光器工作，出射特定参数的激光束；步骤5，让等离子电弧以及激光束扫描按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的超宽焊道；步骤6，重复步骤5的操作，直到整个构件成形；步骤7，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理。2.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，激光出射方向与电弧出射方向夹角为10～30
°
，且以工作台前进方向为参照，电弧热源作用点在前，双枪并列，激光出射作用点在后，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域。3.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中调整光丝间距，即焊丝与激光束之间的距离H，使得激光热源接触到电弧熔池但激光出射头不会与电弧焊枪相撞，且不会因为两个热源过远而形成两个独立焊道；两者之间的距离H：L(熔池长度)≤H/2≤2L/3+M(激光扫描长度)/2，即4.00mm≤H/2≤6.00mm。4.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中激光束横跨两个熔池尾部侧边区域，两焊道之间的距离S需要进行限定，为了更有效地提高增材效率且防止两个焊道距离过远而导致相互间接触不好不能形成一道完整的焊道，影响成形质量；两焊道之间的距离S：B(熔池宽度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克鸿，郭顺，王波，彭勇，黄勇，周明，
申请(专利权)人：广东艾迪特智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：