CN109079327A - 铝合金激光-双脉冲mig复合热源电弧增材制造方法及工件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金激光‑双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件，该方法，采用低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧作为复合热源，通过熔化铝合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需铝合金结构件。本发明所述的铝合金激光‑双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件，将低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧进行复合，具有激光焊和电弧焊两种工艺特点，激光与双脉冲MIG复合后，高峰值功率的脉冲激光周期性地作用于熔池，使得熔池内部液态金属处于“向后流动‑向前回填”的循环中，相当于加入了强烈的搅拌作用；再加上双脉冲波形带来的冲击作用，可有效减少甚至消除成形试样内部的气孔缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料增材制造技术领域，涉及一种铝合金低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法。
背景技术
铝合金重量轻、比强度高、耐蚀能力强，已广泛应用于石油化工、交通运输、航空航天等领域的零部件结构中，为获得复杂的铝合金结构，需采用增材制造方法实现铝合金结构的直接成形，满足对复杂铝合金零部件的需求。然而铝合金成形过程易氧化，同时容易产生气孔、裂纹等缺陷，严重限制增材制造技术在复杂铝合金零部件制造过程中的应用。
现阶段可用于铝合金增材制造的方法包括：激光增材制造、电子束增材制造、TIG增材制造和MIG增材制造。其中激光增材制造过程中由于铝合金对激光的反射率极高，因此需要极大的激光功率，不利于控制成形过程中的气孔等缺陷，并且还容易产生粘丝、顶丝等问题；电子束增材制造过程中选用真空室，对设备的要求较高，成本较高；TIG增材制造热源移动速度较低，因此效率低；而MIG增材制造过程中热输入量大，成形效率高，但焊接过程中电弧稳定性较差，可控性不好，易形成熔池外溢和坍塌等成形缺陷，最终影响了零件精度。
为了提高成形试件的效率以及精度，人们开始开发新的电弧增材制造方法。例如华中科技大学提出了一种基于激光稳定和调控机理的电弧增材制造成形方法及装置(CN107030385A)；西安增材制造国家研究院提出了一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法(CN107283061A)；广东智能制造研究所提出了一种基于激光双MIG复合热源铝合金增材制造方法(CN105522153A)。
然而这些方法均致力于提高铝合金增材制造的效率和精度，无法解决铝合金增材制造过程中极易存在的气孔缺陷问题，从而很难兼顾做到低成本、高效率、高精度、高性能等特点。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件，用于解决现有的铝合金增材制造，极易存在的气孔缺陷的问题。本发明采用的技术手段如下：
一种铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，采用低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧作为复合热源，通过熔化铝合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需铝合金结构件，具体包括以下步骤：
S1、将低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧组成复合热源，采用激光在前，电弧在后的复合方式，焊丝作为熔化极通过双脉冲MIG焊枪送出，激光枪与双脉冲MIG焊枪均位于基板上方，所述激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角为α，并且所述MIG焊枪的干伸焊丝末端与激光枪的激光在基板上的斑点间距为d；双脉冲MIG焊枪向后倾斜，与竖直方向成β角，MIG焊枪最前端距基板的距离为D。
S2、设置激光枪与MIG焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；为达到明显降低气孔数量的效果，激光脉冲与双脉冲MIG参数要求在合理的参数区间内。
S3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先启动激光，再进行MIG起弧，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊。
S4、完成第一层堆焊后，依次关闭MIG电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-MIG复合焊枪提高1-5mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程。
S5、重复步骤S3和步骤S4，直至完成铝合金结构件的增材制造过程。
作为优选步骤S1中，所述激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角α为35-50°，MIG焊枪与竖直方向的夹角β为15-30°，距基板的距离D为5-20mm，干伸焊丝末端与激光在基板上的斑点间距d为0-5mm。
作为优选步骤2中，设定所述激光枪中激光功率为100-1000W，频率为15-50Hz，脉宽为1-8ms；设定MIG焊枪中MIG电流为60-250A，送丝速度为1-10m/min，焊接速度为0.5-3m/min。
作为优选步骤3和步骤4中，所述保护气为纯氩气、纯氦气，或氩气和氦气的混合气体，保护气体流量为10-30L/min。
作为优选步骤S4中，停留时间为30-300s。
作为优选步骤S1中，焊丝为铝合金焊丝，焊丝直径0.8-2.4mm。
本发明还公开了一种使用上述的铝合金低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法而制成的工件。
与现有技术相比较，本发明所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件，将低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧进行复合，具有激光焊和电弧焊两种工艺特点，完美实现了一加一大于二的效果。
本发明低功率脉冲激光能耗低，节约电能；直流双脉冲MIG具有焊接电弧稳定，熔滴过渡平稳，热输入精确可控，焊缝成形好，接头气孔率低，力学性能可靠的优点。
本发明激光与双脉冲MIG复合后，高峰值功率的脉冲激光周期性地作用于熔池，使得熔池内部液态金属处于“向后流动-向前回填”的循环中，相当于加入了强烈的搅拌作用；再加上双脉冲波形带来的冲击作用，可有效减少甚至消除成形试样内部的气孔缺陷，气孔率可降低到小于0.1％。
同时达到细化晶粒的效果，提高成形试样的力学性能。另外，激光加入后能够引导和稳定MIG电弧，进一步提高焊接过程稳定性，大大提高了成形速度以及成形试件的精度和性能。
本发明所述的铝合金低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件，可以兼顾做到低成本、高效率、高精度、高性能等特点，能够满足复杂结构件增材制造需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造示意图。
图2是本发明低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造铝合金工件示意图。
图3是传统的低功率脉冲激光-MIG复合热源电弧增材制造试件内部的部分气孔分布图。
图4是本发明低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造试件内部的部分气孔分布图。
图中：1、MIG焊枪，2、激光枪，3、焊丝，4、基板，5、工作台；
α为激光枪与双脉冲MIG焊枪的夹角，β为MIG焊枪与竖直方向的夹角；D为MIG焊枪最前端距基板的距离；d为光丝间距。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，一种铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，采用低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧作为复合热源，通过熔化铝合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需铝合金结构件，具体包括以下步骤：
S1、将低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧组成复合热源，采用激光在前，电弧在后的复合方式，焊丝作为熔化极通过双脉冲MIG焊枪送出，激光枪与双脉冲MIG焊枪均位于基板上方，所述激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角为α，并且所述MIG焊枪的干伸焊丝末端与激光枪的激光在基板上的斑点间距为d；双脉冲MIG焊枪向后倾斜，与竖直方向成一β角，距基板距离为D。
步骤S1中，所述激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角α为35-50°，MIG焊枪与竖直方向的夹角β为15-30°，MIG焊枪最前端距基板的距离D为5-20mm，干伸焊丝末端与激光在基板上的斑点间距d为0-5mm。
焊丝为铝合金焊丝，焊丝直径0.8-2.4mm。
S2、设置激光枪与MIG焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；为达到明显降低气孔数量的效果，激光脉冲与双脉冲MIG参数要求在合理的参数区间内。
步骤2中，设定所述激光枪中激光功率为100-1000W，频率为15-50Hz，脉宽为1-8ms；设定MIG焊枪中MIG电流为60-250A，送丝速度为
1-10m/min，焊接速度为0.5-3m/min。所述MIG焊枪中双脉冲MIG电弧的低频频率为3-5Hz。
S3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先启动激光，再进行MIG起弧，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊。
S4、完成第一层形件后，依次关闭MIG电弧和激光，再停止送保护气，然后将复合焊枪提高1-5mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程。步骤S4中，停留时间为30-300s。
步骤3和步骤4中，所述保护气为纯氩气、纯氦气，或氩气和氦气的混合气体，保护气体流量为10-30L/min。
S5、重复步骤S3和步骤S4，直至完成铝合金结构件的增材制造过程。
如图2所示，一种使用上述权利要求1至7任意一项权利要求所述的铝合金低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法而制成的工件。
图3是传统的低功率脉冲激光-MIG复合热源电弧增材制造试件内部的部分气孔分布图；图4是本发明低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造试件内部的部分气孔分布图，能够很明显的看出，本发明试件内部的气孔要明显少于传统制造工艺制成的试件内部气孔。
本发明所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件，低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧有效耦合，克服了TIG电弧增材制造时热输入小、效率低等问题，同时也解决了铝合金送丝方式激光增材制造时由于铝合金对激光吸收率低而产生粘丝、顶丝、层间未熔合等问题，并且克服了MIG电弧增材制造时电弧稳定性差、成形效果差等缺点。
与传统MIG焊相比，直流双脉冲焊具有焊接电弧稳定，熔滴过渡平稳，热输入精确可控，焊缝成形好，接头气孔率低，力学性能可靠的优点。激光加入后能够引导和稳定MIG电弧，进一步提高焊接过程稳定性，从而提高成形试件的精度。
低功率激光能耗低，高峰值功率的脉冲激光作用于液态熔池可以起到搅拌作用；加上双脉冲波形MIG热源带来的冲击作用，可有效减少成形试样内部的气孔缺陷，同时可以达到细化晶粒的效果，提高试件的性能。因此该方法具有低成本、高效率、高精度、高性能等特点，能够满足复杂结构件增材制造需求。
实施例1
铝合金低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造的薄壁墙体堆积。低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造系统，由最大输出功率500W的LWS-500YAG固体脉冲激光器、WB-P500L型MIG/MAG焊机及OTC FD-V20焊接机器人构成。
焊丝型号ER5356，直径均为1.2mm，采用激光在前电弧在后的复合方式，保护气体为98％Ar气。试验基板采用300mm×300mm×5mm的5356铝合金板材，MIG焊枪前端距基板的距离D为13mm，激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角α为45°，MIG焊枪与竖直方向的夹角β为25°，光丝间距d为2mm，MIG电流为120A，激光功率400W，堆积速度为600mm/min，层间停留时间80s，保护气流量为20L/min，采用往复堆积形式进行80层墙体的堆积。
结果得到了成形美观，冶金结合良好，整体粗糙度较低的5356铝合金墙体，成形试样内部几乎不存在明显的气孔缺陷，其抗拉强度高达287.18MPa。试验结果表明，与普通MIG电弧增材制造得到的试样相比，气孔率从1％左右降低到小于0.1％，抗拉强度提高了12％左右。
实施例2
铝合金低功率低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造多道多层的实体堆积。低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造系统，由最大输出功率为500W的LWS-500YAG固体脉冲激光器、WB-P500L型MIG/MAG焊机及OTC FD-V20焊接机器人构成。
焊丝型号ER2219，直径均为0.8mm，采用激光在前电弧在后的复合方式，保护气体为98％Ar气。试验基板采用300mm×300mm×10mm的2219铝合金板材，MIG焊枪前端距基板的距离D为18mm，激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角α为50°，MIG焊枪与竖直方向的夹角β为15°，光丝间距d为4mm，MIG电流为200A，激光功率100W，堆积速度为400mm/min，层间停留时间50s，保护气流量为25L/min，采用往复堆积形式进行10道80层墙体的堆积。试验结果表明，与普通MIG电弧增材制造得到的试样相比，气孔率从1.7％左右降低到0.3％左右，抗拉强度提高了10％左右。
实施例3
铝合金低功率低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造单道多层的墙体堆积。低功率脉冲激光-双脉冲MIG复合热源增材制造系统，由最大输出功率为1000W的LWS-1000YAG固体脉冲激光器、WB-P500L型MIG/MAG焊机及OTC FD-V20焊接机器人构成。
焊丝型号ER4043，直径均为1.6mm，采用激光在前电弧在后的复合方式，保护气体为98％Ar气。试验基板采用300mm×300mm×5mm的4043铝合金板材，MIG焊枪前端距基板的距离D为10mm，激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角α为35°，MIG焊枪与竖直方向的夹角β为30°，光丝间距d为1mm，MIG电流为135A，激光功率1000W，堆积速度为800mm/min，层间停留时间120s，保护气流量为15L/min，采用往复堆积形式进行80层墙体的堆积。试验结果表明，与普通MIG电弧增材制造得到的试样相比，气孔率从0.9％左右降低到0.1％左右，抗拉强度提高了13％左右。
在传统的MIG增材制造系统的基础上改进为双脉冲MIG电弧，利用双脉冲波形对熔池产生积极的冲击作用；并且加入低功率脉冲激光，利用激光吸引压缩电弧，同时可以搅拌熔池的作用，从而显著减少甚至消除成形试件内部的气孔缺陷，提升成形试件的精度及性能，兼顾做到低成本、高效率、高精度、高性能等特点，能够满足复杂结构件增材制造需求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，其特征在于，采用低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧作为复合热源，通过熔化铝合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需铝合金结构件，具体包括以下步骤：
S1、将低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧组成复合热源，采用激光在前，电弧在后的复合方式，焊丝作为熔化极通过双脉冲MIG焊枪送出，激光枪与双脉冲MIG焊枪均位于基板上方，所述激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角为α，所述MIG焊枪的干伸焊丝末端与激光枪的激光在基板上的斑点间距为d；双脉冲MIG焊枪向后倾斜，与竖直方向成一β角，MIG焊枪最前端距基板距离为D；
S2、设置激光枪与MIG焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；
S3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先启动激光，再进行MIG起弧，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；
S4、完成第一层堆焊后，依次关闭MIG电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-MIG复合焊枪提高1-5mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；
S5、重复步骤S3和步骤S4，直至完成铝合金结构件的增材制造过程。
2.根据权利要求1所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，其特征在于，
步骤S1中，所述激光枪与双脉冲MIG焊枪夹角α为35-50°，MIG焊枪与竖直方向的夹角β为15-30°，MIG焊枪最前端距基板的距离D为5-20mm，干伸焊丝末端与激光在基板上的斑点间距d为0-5mm。
3.根据权利要求1所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，其特征在于，
步骤2中，设定所述激光枪中激光功率为100-1000W，频率为15-50Hz，脉宽为1-8ms；
设定MIG焊枪中MIG电流为60-250A，送丝速度为1-10m/min，焊接速度为0.5-3m/min。
4.根据权利要求1所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，其特征在于，
步骤3和步骤4中，所述保护气为纯氩气、纯氦气，或氩气和氦气的混合气体，保护气体流量为10-30L/min。
5.根据权利要求1所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，其特征在于，
步骤4中，停留时间为30-300s。
6.根据权利要求1所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，其特征在于，
步骤S1中，焊丝为铝合金焊丝,焊丝直径0.8-2.4mm。
7.一种使用上述权利要求1至6任意一项权利要求所述的铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法而制成的工件。
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