【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及熔丝增材制造领域，具体涉及一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法。
技术介绍
1、陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有晶粒尺寸小、显微组织均匀、比强度高和耐磨性好等优势，在航空航天、轨道交通和汽车工业等领域具有良好的应用前景。熔丝增材制造以丝材为送进原材料，以电弧、激光等作为热源，沿规划路径逐层熔化并沉积丝材，从而实现构件的近净成形。与其他增材制造技术相比，熔丝增材具有成本低、材料利用率高、沉积效率高、适用于大尺度结构制造等优势，因此适用于工业领域中铝基复合材料结构的制造。由于铝合金对激光的反射率较高，目前铝基复合材料的熔丝增材方法主要为电弧增材。电弧的加热范围较大，稳定性较差。陶瓷颗粒的引入降低了熔池的导电性，使得电弧的稳定性进一步降低，导致电弧增材制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料结构的表面成形质量差，表面粗糙度较高，后续对增材件进行机械加工时需要切削掉更多的材料，增加了生产成本并降低了生产效率。同时，陶瓷颗粒在熔丝增材的过程中不发生熔化，保持固体状态，增加了熔池的黏度，降低了熔池的流动性，阻碍了熔丝增材制造过程中熔池内部气体的逸出，导致增材件内部存在大量气孔。过高的气孔率降低了增材件的有效承载面积，严重影响增材件的力学性能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决现有的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的熔丝增材方法存在制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料结构的表面成形质量差，表面粗糙度较高，增材件内部气孔数量多，气孔率过高的问题，进而提供一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，所述复合增材方法是通过以下步骤实现的，
4、步骤一、清理增材基板：
5、首先清理增材基板的表面，然后去除增材基板表面的水分、氧化膜和油污；
6、步骤二、组装增材工装并固定增材基板：
7、首先将转接件3安装在机器人4的执行末端，然后将摆动激光头1与焊枪2均安装在转接件3上，最后采用夹具5将步骤一中清理后的增材基板固定在增材试验平台6上，防止增材基板与增材件在增材过程中移动，调整摆动激光头1与增材基板表面之间的夹角以及焊枪2与增材基板表面之间的夹角；
8、步骤三、确定增材路径：
9、开启激光器、水冷机、cmt焊机、机器人和摆动激光控制柜，对步骤二中的机器人4进行增材路径中特征点的示教；
10、步骤四、摆动激光-电弧复合增材：
11、首先设定增材工艺参数，调节摆动激光头1与焊枪2的角度，调整光丝距，然后将摆动激光头1接通保护气，焊枪起弧并送进焊丝，电弧与摆动激光共同形成熔池，激光增加热输入、稳定电弧并搅动熔池，优化增材件成形，促进气孔逸出；随着机器人4按照步骤三中得到的示教的路线运动，熔化的金属被逐层沉积在步骤一中清理后的增材基板上；当完成一层的沉积后，机器人4按照预设程序中的抬高量向上移动，以确保电弧长度稳定以及离焦量不变，随后开始下一层的沉积；如此循环直至增材过程结束，最终得到铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材件。
12、进一步地，所述步骤一中，采用与焊丝化学成分相近的铝合金材料或流动性较好的铝合金材料作为增材基板，所述增材基板厚度为8～15mm。
13、进一步地，所述步骤一中，清理增材基板的方式为对增材基板表面进行机械打磨，随后采用丙酮进一步清理增材基板待焊表面。
14、进一步地，所述步骤四中，摆动激光采用光纤激光，电弧采用cmt电弧。
15、进一步地，所述步骤四中，cmt电弧采用常规cmt、脉冲cmt、变极性cmt或脉冲变极性cmt进行增材。
16、进一步地，所述步骤四中，摆动激光能够实现线性、圆形、8形和∞形的摆动，摆动频率和摆动幅度能够自由调节。
17、进一步地，所述步骤四中，采用颗粒增强铝基复合材料焊丝作为填充材料。
18、进一步地，所述步骤四中，增材工艺参数为：激光功率为500～2500w，增材电流为60～150a，热源移动速度为0.3～1.2m/min，摆动频率为50～350hz，摆动幅度为0.5～3mm，离焦量为0mm，光丝间距为0～3mm，焊丝干伸长为12-15mm，保护气流量为15～25l/min，摆动激光头1与增材基板表面的夹角为75°，焊枪2与增材基板表面的夹角为55°～75°。
19、进一步地，所述步骤四中，沿热源移动方向摆动激光头1在焊枪2的前方，摆动激光头1与焊枪2的相对位置保持不变。
20、进一步地，所述步骤四中，摆动激光-复合热源的提升量为0.8～2.0mm。
21、本专利技术与现有技术相比具有以下效果：
22、与常规电弧增材的方法相比较，本专利技术的铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法采用本专利技术的铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法能够有效地解决颗粒增强铝基复合材料熔丝增材制造构件表面成形质量差、气孔数量多的问题。
23、复合增材件的成形优于常规电弧增材件的成形，这是因为导电性差的陶瓷颗粒不利于电流在熔池中稳定导通，导致电弧的稳定性降低。摆动激光产生了带电粒子密度高的导电通道，使电弧稳定在激光作用区域周围，电弧稳定性大幅提升。同时，cmt电弧热输入低的特点导致熔池温度较低，液态金属凝固速率快，来不及在上一沉积层表面充分地铺展润湿。摆动激光的引入增加了热输入，形成了能量密度更高的复合热源，因此熔池温度更高，液态金属铺展程度大，侧壁波动程度降低。稳定性更高的电弧和铺展程度更大的熔池使得摆动激光-电弧复合增材件的表面成形更好。
24、陶瓷颗粒在熔池中以固体的形式存在，降低了熔池的流动性，增加了熔池的黏度，导致增材过程中大量气体无法逸出熔池，形成了气孔。摆动激光能够促进熔池流动，起到了提升熔池的流动性的作用，有利于气体逸出熔池。由于陶瓷颗粒的电阻率远高于铝合金，在cmt电弧增材的过程中，颗粒增强焊丝产生的电阻热也要高于常规铝合金焊丝，导致了颗粒增强铝合金焊丝形成了大滴过渡，且大尺寸熔滴并未落入熔池中心，而是过渡至低温的熔池边缘后迅速凝固，不利于大尺寸熔滴内部的气孔逸出，因此电弧增材件内部气孔较多。摆动激光形成的羽辉在从激光作用区域向外喷发的过程中，对熔滴施加一个羽辉作用力，羽辉作用力的方向向斜上方，阻碍熔滴过渡，因此摆动激光-电弧复合增材时，大滴过渡被抑制，熔滴过渡方式为短路过渡。摆动激光促进熔池流动以及大滴过渡得到抑制使得摆动激光-电弧复合增材件内部的气孔大幅减少。
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1.一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述复合增材方法是通过以下步骤实现的，
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中，采用与焊丝化学成分相近的铝合金材料或流动性较好的铝合金材料作为增材基板，所述增材基板厚度为8～15mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中，清理增材基板的方式为对增材基板表面进行机械打磨，随后采用丙酮进一步清理增材基板待焊表面。
4.根据权利要求3所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，摆动激光采用光纤激光，电弧采用CMT电弧。
5.根据权利要求5所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，CMT电弧采用常规CMT、脉冲CMT、变极性CMT或脉冲变极性CMT进行增材。
6.根据权利要求4所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，摆动激光能够实现
7.根据权利要求6所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，采用颗粒增强铝基复合材料焊丝作为填充材料。
8.根据权利要求7所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，增材工艺参数为：激光功率为500～2500W，增材电流为60～150A，热源移动速度为0.3～1.2m/min，摆动频率为50～350Hz，摆动幅度为0.5～3mm，离焦量为0mm，光丝间距为0～3mm，焊丝干伸长为12-15mm，保护气流量为15～25L/min，摆动激光头(1)与增材基板表面的夹角为75°，焊枪(2)与增材基板表面的夹角为55°～75°。
9.根据权利要求8所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，沿热源移动方向摆动激光头(1)在焊枪(2)的前方，摆动激光头(1)与焊枪(2)的相对位置保持不变。
10.根据权利要求9所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，摆动激光-复合热源的提升量为0.8～2.0mm。
...【技术特征摘要】
1.一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述复合增材方法是通过以下步骤实现的，
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中，采用与焊丝化学成分相近的铝合金材料或流动性较好的铝合金材料作为增材基板，所述增材基板厚度为8～15mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中，清理增材基板的方式为对增材基板表面进行机械打磨，随后采用丙酮进一步清理增材基板待焊表面。
4.根据权利要求3所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，摆动激光采用光纤激光，电弧采用cmt电弧。
5.根据权利要求5所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，cmt电弧采用常规cmt、脉冲cmt、变极性cmt或脉冲变极性cmt进行增材。
6.根据权利要求4所述的一种铝基复合材料摆动激光-电弧复合增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，摆动激光能够实现线性、圆形、8形和∞形的摆动，摆动...
【专利技术属性】
技术研发人员：李炳尘，段祥宇，陈曦，姜梦，杜文淏，刘哲维，屠远，陈彦宾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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