一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法和装置。振镜激光束沿与竖直方向成一定角度的方向入射至工件表面，并在工件表面上按预定的轨迹路径进行扫描运动，采用与振镜激光焊接头光束输出圆形管件同轴设置的送粉喷嘴将金属粉末送至激光扫描区域内，MIG焊枪伸出的焊丝与振镜激光束倾斜设置且焊丝由外向内送入振镜激光束扫描路径区域内。振镜激光束的扫描轨迹路径预先设置有多个相位节点，任意两个相位节点之间的路径为节段，在每一节段上的振镜激光的功率能够进行单独调节。第一相位节点和第二相位节点之间节段上的激光功率小于焊丝熔化所需的激光功率，实现振镜激光与丝材电弧增材制造的复合，提高成型质量和效率。量和效率。量和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法和装置


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体涉及一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法和装置。

技术介绍

[0002]目前国内外针对铝合金增材制造技术的工艺方法主要包括激光增材制造技术、电弧增材制造技术。激光增材制造的沉积方式主要为送粉式，如激光选区熔化(SLM)，具有成型精度高、加工灵活性高等优点，适合于制造复杂结构件的制造。由于铝合金对激光的反射率很高，使得激光的利用率很低。目前局限于铸造铝合金或者焊接性能较好的铝合金。电弧增材制造技术主要应用于大尺寸、形状较为复杂的铝合金构件、具有效率高，成本低的优点，但相对于激光，电弧增材制造的成形精度难于控制。而对于铝合金增材制造，无论采用激光还是电弧为热源都无法有效解决其在增材制造过程中出现的气孔与裂纹缺陷问题，气孔与裂纹一直成为制约铝合金增材件在高端领域装备中应用的技术瓶颈。
[0003]振镜扫描激光系统的开发最初时应用在焊接领域，在激光焊接头内部设有扫描振镜系统、实现激光束以一定轨迹进行快速扫描。采用扫描振镜激光实现深熔焊接，可以加强激光小孔对熔池的搅拌，有利于气孔的逸出，降低熔池内部温度梯度、改善凝固结晶过程、细化焊缝的微观组织，提高焊接接头的力学性能。尤其是在焊接铝合金时，能够有效地抑制气孔和裂纹的产生。
[0004]但是，振镜扫描激光系统无法直接与现有的金属粉末增材制造技术以及丝材电弧增材制造复合在一起使用，且振镜激光在特定的路径上进行闭合扫描，因此，振镜激光束在增材制造过程中加热母材及熔化粉末过程中都会与熔池上方的焊丝接触，导致焊丝被熔断无法正常起弧，熔断的焊丝掉落熔池影响增材成型质量。为此，设计全域功率调制的振镜扫描激光焊接系统和同轴送粉装置，并与丝材MIG电弧增材制造装置复合实现丝粉混合一体化的激光
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电弧复合增材制造。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法，以解决现有技术中存在的振镜激光无法与丝材电弧增材制造直接复合在一起使用的突出问题；本专利技术的目的还在于提供一种使用上述增材制造方法的增材制造装置。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的一种振镜激光与电弧复合的增材制造方法采用如下技术方案：一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法，振镜激光束沿与竖直方向成一定角度的方向入射至工件表面，并在工件表面上按预定的轨迹路径进行扫描运动；采用与振镜激光焊接头光束输出圆形管件同轴设置的送粉喷嘴将金属粉末送至激光扫描区域内；MIG焊枪伸出的焊丝与振镜激光束倾斜设置且焊丝由外向内送入振镜激光束扫描路径区域内；振镜激光束扫描路径预先设置有多个相位节点，任意相邻两个相位节点之间的路径为节段，在每一节段上的振镜激光束功率能够进行单独调节，其中相位节点包括靠近焊
丝两侧的第一相位节点和第二相位节点，第一相位节点和第二相位节点之间节段上的激光功率设置为小于焊丝熔化所需的激光功率，实现对焊丝的预热。
[0007]所述振镜激光束扫描路径平均分割为36个相位节点。
[0008]送粉时金属粉末的出口位置高度能够调节，以实现对金属粉末落入下方工件熔池区域状态的调节。
[0009]本专利技术的一种使用上述增材制造方法的增材制造装置采用如下技术方案：一种使用上述增材制造方法的增材制造装置，包括工作台、振镜激光焊接头、光纤激光器、MIG焊枪和MIG焊机；
[0010]工作台用于放置工件；
[0011]振镜激光焊接头与光纤激光器连接，振镜激光焊接头与竖直方向成一定角度设置于工作台上方；
[0012]振镜激光焊接头上设置有送粉装置，送粉装置包括送粉喷嘴，送粉喷嘴与振镜激光焊接头光束输出圆形管件同轴设置以将金属粉末送至激光扫描区域内，送粉喷嘴上设置有供振镜激光束通过的中心通道；
[0013]MIG焊枪和MIG焊机连接，MIG焊枪与振镜激光焊接头倾斜设置且其焊丝由外向内输入振镜激光束扫描路径内；
[0014]将振镜激光束扫描路径预先设置有多个相位节点，任意两个相位节点之间的路径为节段，在每一节段上的振镜激光束功率能够进行单独调节；其中
[0015]相位节点包括靠近焊丝两侧的第一相位节点和第二相位节点，第一相位节点和第二相位节点之间节段上的激光功率设置为小于焊丝熔化所需的激光功率。
[0016]所述送粉装置包括送粉喷嘴，送粉喷嘴上设置有供振镜激光束通过的中心孔，送粉喷嘴上还设置有送粉通道，送粉通道与中心孔轴线倾斜设置，送粉通道连接有气源。
[0017]所述送粉通道的数量为4个并沿送粉喷嘴的周向方向均匀间隔布置。
[0018]所述气源与MIG焊机连接，气体通过MIG焊枪的碰嘴喷出作为增材保护气体。
[0019]所述振镜激光束扫描路径平均分割为36个相位节点。
[0020]该增材制造装置还包括水冷机，水冷机包括第一出水口、第一入水口、第二出水口和第二入水口，第一出水口和第一入水口与光纤激光器连接对光纤激光器进行循环冷却，第二出水口和第二入水口与振镜激光焊接头连接对振镜激光焊接头进行循环冷却。
[0021]振镜激光焊接头安装在安装底板上，所述送粉喷嘴通过高度调节机构连接于安装底板上，高度调节机构包括安装平台，安装平台连接于安装底板上，安装平台上设置有转动丝杠、驱动丝杠转动的驱动电机和滑块，滑块通过导杆上下导向移动且周向止转安装于安装平台上，滑块与丝杠螺纹连接，送粉喷嘴连接于滑块上。
[0022]本专利技术的有益效果：通过调节不同节段的激光功率，不仅可以改变熔池温度场分布，而且振镜激光束扫描经过焊丝时，不会熔断焊丝，避免了提前熔断焊丝而无法正常起弧以及熔断焊丝进入熔池影响增材成形质量的问题，同时，振镜激光束可以预热焊丝，提高焊丝熔化效率，为此，实现了振镜激光与丝材电弧增材制造的复合增材制造，利用振镜激光解决铝合金增材制造过程中出现的气孔和裂纹缺陷的问题。本专利技术进一步融合送粉式激光增材制造功能，相对于单独的送粉式和送丝式，沉积效率更高，所制备的结构件致密度更高；所制备的成形件结构、成分设计也更加灵活，通过匹配不同的丝粉材料可对增材每一层的
成分进行设计，也可实现功能梯度材料的增材制备。
[0023]由于金属粉末是从送粉喷嘴通道中倾斜喷出，因此在增材制造过程中实施调节送粉喷嘴的高度，可以对粉末落入熔池区域的分布状态进行调整，保证粉末颗粒的完全熔化及最大化利用激光束对熔池的快速搅拌作用，改变熔池温度场分布，从而可以达到高质量的增材制造效果。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的一种增材制造装置的一个实施例的结构示意图；
[0025]图2是图1中振镜激光焊接头的工作原理示意图；
[0026]图3是振镜激光的闭合扫描路径上激光束、焊丝、熔池和粉末的空间相互作用示意图；
[0027]图4是激光束与焊丝的交互位置示意图；
[0028]图5是送粉喷嘴的高度调节机构的结构示意图。
具体实施方式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法，其特征在于：振镜激光束沿与竖直方向成一定角度的方向入射至工件表面，并在工件表面上按预定的轨迹路径进行扫描运动；采用与振镜激光焊接头光束输出圆形管件同轴设置的送粉喷嘴将金属粉末送至激光扫描区域内；MIG焊枪伸出的焊丝与振镜激光束倾斜设置且焊丝由外向内送入振镜激光束扫描路径区域内；振镜激光束扫描路径预先设置有多个相位节点，任意相邻两个相位节点之间的路径为节段，在每一节段上的振镜激光束功率能够进行单独调节，其中相位节点包括靠近焊丝两侧的第一相位节点和第二相位节点，第一相位节点和第二相位节点之间节段上的激光功率设置为小于焊丝熔化所需的激光功率，实现对焊丝的预热。2.根据权利要求1所述的振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法，其特征在于：所述振镜激光束扫描路径平均分割为36个相位节点。3.根据权利要求1或2所述的振镜激光与电弧复合的丝粉混合增材制造方法，其特征在于：送粉时金属粉末的出口位置高度能够调节，以实现对金属粉末落入下方工件熔池区域状态的调节。4.一种使用上述增材制造方法的增材制造装置，其特征在于：包括工作台、振镜激光焊接头、光纤激光器、MIG焊枪和MIG焊机；工作台用于放置工件；振镜激光焊接头与光纤激光器连接，振镜激光焊接头与竖直方向成一定角度设置于工作台上方；振镜激光焊接头上设置有送粉装置，送粉装置包括送粉喷嘴，送粉喷嘴与振镜激光焊接头光束输出圆形管件同轴设置以将金属粉末送至激光扫描区域内，送粉喷嘴上设置有供振镜激光束通过的中心通道；MIG焊枪和MIG焊机连接，MIG焊枪与振镜激光焊接头倾斜设置且其焊丝由外向内输入振镜激光束扫描路径内；将振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，任自友，朱明，顾玉芬，石玗，周立涛，
申请(专利权)人：上海盖泽激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：