[发明专利]一种激光冲击辅助电弧增材制造方法

说明书

本发明涉及一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，属于增材制造领域，解决了现有技术中电弧增材构件内部晶粒粗大，存在孔洞、氧化物等缺陷的问题。本发明的激光冲击辅助电弧增材制造方法，包括以下步骤：步骤1：设计电弧增材加工路径；步骤2：设定电弧增材加工参数；步骤3：确定激光清洗头与焊枪之间的夹角及脉冲激光清洗机的加工参数；步骤4：确定激光冲击波发射头与焊枪之间的夹角及脉冲激光冲击发射机的加工参数；步骤5：焊枪、激光冲击波发射头和激光清洗头同步工作；步骤6：按照增材路径获得电弧增材零件。本发明通过电弧增材设备、激光清洗与激光冲击设备协同工作，解决了电弧增材构件内部晶粒粗大，存在孔洞、氧化物等缺陷的问题。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，适用于电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)过程。

背景技术

电弧增材制造技术是指采用电弧作为热源将金属丝材熔化，然后按设定成形路径在基材上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形结束。成形零件由全焊缝金属组成，致密性高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好，并且相比于激光、电子束增材制造技术，电弧增材制造技术具有成本低、成形速率快、能够成形尺寸较大且结构复杂的构件等优点。

目前，由于电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制，导致晶粒粗大，严重降低了材料力学性能；焊道间由于熔滴的润湿角，无法完全实现焊道或层间的闭合，产生肉眼可见孔洞；在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难；堆积过程产生的氧化物会污染熔池，降低纯度，恶化结构件性能。这些问题都直接影响堆积零件的尺寸精度和力学性能。因此，目前电弧增材制造的金属零件的力学性能无法达到锻造或减材制造的精度水平。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，在电弧增材过程中通过脉冲激光同步对液体熔池的前方进行清理、后方进行冲击振动，用以解决现有技术中电弧增材构件内部晶粒粗大、存在孔洞、氧化物等缺陷而导致构件机械性能较差的问题，从而改善电弧增材构件的性能。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种激光冲击辅助电弧增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1：建立待加工金属零件的三维模型并设计电弧增材加工路径；

步骤2：通过工艺试验得到所需的电弧增材工艺参数，并设定加工参数；

步骤3：根据加工过程中生成的氧化物的厚度、成分及范围，确定加工过程中激光清洗头与焊枪之间的夹角及脉冲激光清洗机的加工参数；

步骤4：根据熔池的材料成分、尺寸，获得激光冲击波发射头与焊枪之间的夹角及脉冲激光冲击发射机的加工参数；

步骤5：焊枪、激光冲击波发射头和激光清洗头同步工作；

步骤6：采用同步送丝的方式将熔融丝材按照步骤1设定的成形路径逐层堆积；按照增材路径完成分层模型，获得电弧增材零件。

进一步的，步骤5中，激光清洗头、焊枪和激光冲击波发射头的位置相对固定，移动速度一致。

进一步的，激光清洗头与焊枪之间的夹角为15°-90°。

进一步的，激光清洗头的脉冲激光能够左右摆动，激光摆动的宽度大于焊道宽度。

进一步的，激光清洗头的激光光斑为直径0.8-2mm的圆形光斑，激光脉冲频率为10-30KHz、激光脉冲功率为300-1000W。

进一步的，激光清洗头包含扫描振镜，扫描振镜的扫描速度为3000-5000mm/s。