[发明专利]一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法

说明书

本发明公开了一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，所述方法利用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，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的熔凝组织结构，其包括如下步骤：1）调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置；2）设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式；3）设定激光束作用模式；4）启动增材成形制造程序，激光器工作，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，开始成形制造过程至制造流程完成。其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

技术领域

本发明涉及三维成形制造，具体涉及一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法。

背景技术

现代增材制造（3D打印）技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件增材制造的技术基础是焊接/连接，近20年来，国内外增材制造实现了两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把激光、电子束、电弧等高能束流热源的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。

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。其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。

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。

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。

CN105772945B公开了一种基于协同脉冲激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法，其设计了电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，从而获得有利于三维快速成形制造的熔滴过渡模式和传热模式。利用脉冲激光与材料作用产生的激光等离子体抑制脉冲电弧的不稳定性，利用激光和电弧协同脉冲实现两种能量源的充分融合，并提高材料对热源能量的热吸收率，利用脉冲MIG电弧提供的热量，实现对自动同步送进的金属丝材的熔化，并形成熔滴，使其实现堆积成形，利用设计的脉冲MIG电弧脉冲模式实现相对较低的平均热输入，降低成形构件的内应力和热变形。但是在该技术中，脉冲激光是作为辅助热源，其频率设置的较低，不能起到振荡熔池的作用，成形构件的结构致密度较低，晶粒细化效果不明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其能够提高材料熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。