[发明专利]一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统

说明书

本发明提供一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统，该方法采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，根据焊接环境，设置焊枪、激光与基板之间的夹角关系，通过外加的送丝装置将不锈钢焊丝送入熔池，稳定融化并在处理后的基板上铺展，按照规划好的路线进行堆焊，逐层累加形成所需结构的不锈钢工件。本发明通过低功率激光的加入有效改善了电弧增材制造的过程，增加电弧稳定性，减少熔池不规则流动，增材墙体侧壁粗糙度得到有效改善，提高了成形质量，减少加工余量，增加了材料的利用率。本发明具有高效、节能的特点，在制造复杂的大型构件上有其出众的快速、高精度、短周期、低成本等特点。

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种增材制造方法，具体而言，尤其涉及一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统。

背景技术

不锈钢的成形性好、制备简单、来源广泛、成本低廉，并且力学性能好，结构强度高，有良好的耐蚀性和耐大气腐蚀性。例如：316奥氏体不锈钢以其良好的延伸率可以应用于船体部件、飞机部件以及核电容器钢管的制造中；304不锈钢耐高温，加工性能好，韧性高，广泛应用于工业、家具装饰行业和食品医疗行业；309不锈钢耐腐蚀，耐高温性能好，主要用于锅炉、化工等行业。利用传统技术制造大型构件难度大，制造成本高，在制造过程中极易产生缺陷，力学性能较差。增材制造是一种基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。相对于传统的材料的加工技术，增材制造可以在无需模具的前提下得到所需的成形件，既可以提高效率又可以实现数字化。

激光增材制造虽成形件精度较高、技术较为成熟，但制造成本高且所涉及的金属有限，对于制造大型构件的制造周期较长；电子束增材制造对制造环境要求过于苛刻，不适合在工厂大规模生产中普及；电弧增材制造虽成形较差，加工余量较大，但是电弧能量利用率、成形效率很高，非常适合制造大型复杂构件。

在不锈钢的电弧增材制造过程中，由于不锈钢流动性较强，金属热导率较差，造成增材制造过程中成型不稳定，容易产生下榻、侧边成形不规则等问题，此时需要增加切削量，这会增加材料的加工量，出现不必要的浪费。

加上电弧本身的不稳定摆动，导致熔池不规则流淌，金属液分布不均匀，因此，即使很好控制层间温度，成形件侧面依然需要较大的加工余量，力学性仅满足不锈钢的使用性能。XiaohuiChen等人，Microstructure and mechanical properties of theaustenitic stainless steel 316L fabricated by gas metal arc additivemanufacturing.对316L不锈钢MIG电弧增材制造进行了研究，得到的墙体抗拉强度为533MP，仅略大于工业使用性能，该墙体侧壁仍有多余金属液流出，制造精度较低。TomasSKIBA等人，Microstructure and Mechanical Properties of Stainless SteelComponent Manufactured by Shaped Metal Deposition.对308不锈钢TIG增材制造进行了研究，得到的成形件抗拉强度也仅为537MP，其力学性能依然较低。

综上，不锈钢电弧增材制造大型结构件以其高效率的优点必将成为工业制造的主流方向，需要解决其瓶颈难题——较低精度和力学性能，另其更好的为大型结构件应用。

发明内容

根据上述提出采用电弧增材制造过程中所产生的成型不稳定、精度低及力学性能低等技术问题，而提供一种基于低功率激光诱导TIG电弧的不锈钢结构件增材制造方法及制造系统。本发明主要采用低功率激光与TIG电弧作为复合热源，通过外加的送丝装置将不锈钢丝送入熔池，稳定融化并在基板上铺展，按照指定路线进行堆焊，逐层累加形成所需结构的不锈钢结构件，从而起到改善电弧增材制造所存在的问题，实现高速、高质量的不锈钢电弧增材制造。

本发明采用的技术手段如下：