[发明专利]一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜合金焊接方法，具体涉及一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法。

背景技术

目前铜/铜合金制品/部件主要采用铸造和机械加工方式制造，其中机械加工方法尽管加工精度高，但存在材料利用率低、工序繁多复杂、生产周期长、制造成本高等问题；而铸造方法则易产生组织缺陷，影响焊接等后续生产工艺，因此，目前两种制造工艺都无法满足新品快速研制及批量生产的进度要求。金属增材制造技术是在CAD软件驱动下，利用热源熔化金属材料，逐层沉积叠加形成部件的方法，具有生产周期短、成本低、节省材料、制造速度快、受部件几何形状影响小等优点，已成为快速制造金属部件越来越有吸引力的解决方案，适合铜合金制品/部件的快速成形以及零件的修复。

在金属增材制造过程中，熔化的金属材料主要分为粉末状和丝材状。相对于前者，后者材料利用率高、金属沉积率快，组织致密性好、经济性强，且无粉尘污染，因此，受到人们越来越多的重视。而增材制造中采用的热源主要有激光、TIG电弧、电子束等。其中激光热源由于能量密度高、作用范围小、能量精确可控且不需要真空，成为目前增材制造中采用最为广泛的热源，但在激光送丝增材制造时，粘丝、顶丝、层间未熔合等问题严重，工艺稳定性较差；TIG电弧热源作用面积大且制造成本较低，适于采用丝状材料，但电弧能量密度低、热流分布可控性较差、热影响区较大，且电弧形态受其运行速度限制较大，热源移动速度慢；而电子束由于成本高、且需要真空条件，使其应用受到限制。可以看出，现有送丝方式金属增材制造技术都存在各自的不足，无法满足优质、高效的要求。

而对于铜合金材料，由于其热导率较大，且对激光的反射率很高，因此，采用送丝方式激光增材制造工艺时，除存在上述问题外，激光热效率较低，需要更高功率峰值的激光器功，从而进一步提高成本。而采用TIG电弧热源时，需要较大热输入，从而导致更大的焊接应力及热影响区范围，晶粒长大严重，严重损害制品/部件力学性能和机械性能。此外，铜及铜合金熔融金属流动性强，若热源功率过大，熔池成形较为困难。采用MIG电弧时，焊丝作为熔化极可以较好的避免粘丝、顶丝等问题，但传统MIG电弧对形件热输入较TIG电弧更大，影响其组织性能。

冷金属过渡技术(C°ld Metal Transfer，CMT)作为一种新型焊接工艺，其通过焊丝的机械回抽促使熔滴脱离焊丝，可实现极低电流或无电流条件下的熔滴过渡，降低了熔池及熔滴的温度，具有热输入低、熔滴过渡稳定、无飞溅、变形小等优点，具有应用于铜合金丝材方式增材制造的巨大潜力。但焊接速度较快时，由于热输入较少，仍会出现焊缝成形较差、层间未熔合等问题。

为了克服激光与电弧两者的缺点，研究者将激光与电弧向结合，形成激光+电弧复合热源焊接技术。目前针对该焊接工艺的研究主要集中于激光与传统MIG/MAG焊的联合，针对激光+CMT复合热源焊接研究较少，仅应用于钢材的初步焊接实验，但尚未开展铜合金送丝方式复合热源增材制造研究。专利《一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法》(及其文献材料)公开了一种激光+CMT复合热源法，但主要用于不锈钢、高强钢等钢材的焊接过程，目的是为了提高CMT焊的熔深及熔宽，改善焊缝成形。与不锈钢、高强钢等相比，铜合金对光和热的反射能力强、热导率高，难于熔化；更易于氧化及形成气孔；热膨胀系数及收缩率大，易出现裂纹；此外，铜合金表面张力小，成形困难，因此，钢的焊接工艺规范(工艺参数、保护措施等)不适于铜合金激光+CMT复合焊。如，针对上述专利方案缺乏额外气体保护，保护效果较差，易造成氧化和气孔；而激光与焊件垂直，易造成激光器的损害。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法，由于CMT焊可在电流极低或为零条件下实现熔滴过渡，热输入少，避免了形件过热，从而实现了铜合金的优质、高效增材制造。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法，其中采用激光与冷金属过渡电弧作为复合热源，通过熔化铜合金焊丝进行堆焊，铜合金制品由堆焊层逐层叠加，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将激光与冷金属过渡过渡电弧组成复合热源，焊丝作为熔化极由冷金属过渡电弧焊枪送出，冷金属过渡电弧焊枪位于基板上方，冷金属过渡电弧焊枪外设有保护气喷嘴，激光焊枪发射的激光照射在基板上；