本發(fā)明屬于焊接和增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其指代一種電弧、激光、磁場多場耦合制造工藝。

背景技術(shù)：

電弧制造作為傳統(tǒng)的制造工藝，其發(fā)展已經(jīng)十分成熟。電弧制造具有高效率、較高質(zhì)量、低成本、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，仍是現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)中的主流技術(shù)。近年來，在高效高質(zhì)量制造的背景下，電弧制造存在的諸多問題限制了其在制造產(chǎn)業(yè)中的運(yùn)用。例如電弧焊接生產(chǎn)中，電弧熱輸入量大，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)較大；常規(guī)電弧焊接深寬比小，容易造成未焊透、未熔合等缺陷；焊縫晶粒粗大、焊后變形嚴(yán)重。電弧增材制造中，較大的熱輸入導(dǎo)致成形零件精度低、性能差，無法滿足高端產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)。

激光制造是繼力加工、火焰加工和電加工之后一種嶄新的加工技術(shù)。它可以完善周到地解決不同材料的加工、成形和精煉等技術(shù)問題。從最小結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)芯片到超大型飛機(jī)和艦船，激光制造都將是不可或缺的重要手段。自20世紀(jì)70年代大功率激光器件誕生以來，已形成了激光焊接、激光熔覆、激光表面處理、激光快速原型制造、金屬零件激光直接成形等十幾種應(yīng)用工藝。與傳統(tǒng)的加工方法相比，具有高能密聚焦、高精度、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，但是也存在些許局限性。例如激光器價(jià)格昂貴，激光制造成本較電弧制造要高得多；激光制造精度高，但是在加工大尺寸工件時(shí)效率低下。

為了解決激光制造成本高、能量利用率低、適用范圍小等問題，提出了激光與電弧的復(fù)合，激光－電弧復(fù)合熱源既綜合了上述兩種制造方法的優(yōu)點(diǎn)，又相互彌補(bǔ)了各自的不足，還產(chǎn)生了額外的能量協(xié)同效應(yīng)。例如采用參數(shù)合適的激光-電弧復(fù)合焊接，在較低的熱輸入條件下即可獲得較大的焊縫深寬比。

磁控技術(shù)是近年來完善起來的一種技術(shù)，通過外加磁場來改變電弧和流體的受力狀態(tài)，以控制其流體的流動，從而改善制造工藝的質(zhì)量，拓寬制造工藝的使用區(qū)間，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的制造生產(chǎn)。

因此，目前焊接和增材制造技術(shù)領(lǐng)域存在單一制造工藝的不足，而針對于復(fù)雜構(gòu)件的制造加工時(shí)，將上述的激光、電弧以及磁控技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種電弧、激光、磁場多能量場耦合制造工藝方法，在工藝實(shí)施之前，通過對精度、效率、成本、質(zhì)量等要求的評估，選擇合理的能量場分配比，從而使生產(chǎn)過程最優(yōu)化；通過電弧、激光、磁場三種物理場的耦合，實(shí)現(xiàn)了一種多領(lǐng)域、高精度、高效率、高質(zhì)量的制造工藝。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種電弧、激光、磁場多能量場耦合制造工藝方法，分別采用特征變量函數(shù)Ф(Ф_A、Ф_L、Ф_M)表征三種能量場的分配系數(shù)，特征變量函數(shù)E(E_A、E_L、E_M)表征三種能量場的輸入能量，其中Ф_A、Ф_L、Ф_M分別是電弧輸入能量比例、激光輸入能量比例、磁場輸入能量比例，Ф_A+Ф_L＝1、Ф_M＝0或者1；根據(jù)焊接能量場以及增材制造能量場的要求，選擇電弧、激光、電弧-激光、電弧-磁場、激光-磁場、電弧-激光-磁場多種能量場耦合方式其中之一進(jìn)行，Ф_A、Ф_L、Ф_M取值均∈[0，1]；且E(E_A、E_L、E_M)由具體工藝參數(shù)確定；總能量輸入E＝Ф_AE_A+Ф_LE_L+Ф_ME_M；Ф_A由效率和成本要求決定，要求高效率、低成本時(shí)，Ф_A取值大；Ф_L由精度和質(zhì)量要求決定，要求高精度、高質(zhì)量時(shí)，Ф_L取值大。

進(jìn)一步，對于焊接能量場的確定：

1)當(dāng)要求高效率、低成本，對精度以及性能要求較小時(shí)，采用電弧焊接方法，取Ф_A＝1、Ф_L＝0、Ф_M＝0；

2)當(dāng)要求高精度、高性能，對成本要求較小時(shí)，采用激光焊接方法，取Ф_A＝0、Ф_L＝1、Ф_M＝0；

3)當(dāng)要求較高性能、高效率、高質(zhì)量，成本適中，對精度要求較小時(shí)，采用電弧-激光復(fù)合焊接方法，Ф_A∈[0.5，1)、Ф_L∈(0，0.5]，即Ф_A從0.5-1取值、Ф_L從0-0.5取值；

4)當(dāng)要求較高性能、高效率、高質(zhì)量，成本適中，對精度要求較大時(shí)，采用電弧-激光復(fù)合焊接方法，Ф_A∈(0，0.5]、Ф_L∈[0.5，1)；即Ф_A從0-0.5取值、Ф_L從0.5-1取值；

5)當(dāng)對焊接過程的穩(wěn)定性、焊后焊縫表面形貌、焊縫力學(xué)性能、焊接缺陷有嚴(yán)格要求時(shí)，則將磁場耦合進(jìn)焊接過程，加入磁場取Ф_M＝1；即當(dāng)對精度和性能有嚴(yán)格要求時(shí)，先擇磁控焊接方法，具體的有磁控電弧焊接、磁控激光焊接、磁控電弧-激光復(fù)合焊接，即在原有基礎(chǔ)上，加入磁場取Ф_M＝1；

進(jìn)一步，對于焊接工藝的實(shí)施：

針對電弧焊接方法，根據(jù)坡口大小選擇是否填絲，選擇合適的焊接電流、焊接速度、送絲速度的工藝參數(shù)；

針對激光焊接方法，選擇合適的激光功率、光斑直接、離焦量、焊接速度的工藝參數(shù)；

對于電弧-激光焊接方法，根據(jù)坡口大小選擇是否填絲，選擇相匹配的工藝參數(shù)，規(guī)劃焊接路徑，對工件實(shí)施焊接。

進(jìn)一步，對于增材制造能量場的確定：

1)當(dāng)要求低成本、高效率，對冶金結(jié)合強(qiáng)度、堆積尺寸精度、表面質(zhì)量、工件性能要求較小時(shí)，采用電弧增材制造取，Ф_A＝1、Ф_L＝0、Ф_M＝0；

2)當(dāng)要求高冶金結(jié)合強(qiáng)度、高尺寸精度、高表面質(zhì)量時(shí)，采用激光增材制造，取Ф_A＝0、Ф_L＝1、Ф_M＝0；

3)當(dāng)要求高效率、較高表面質(zhì)量、高冶金結(jié)合強(qiáng)度、較高性能，對堆積尺寸精度要求較小時(shí)，采用電弧-激光復(fù)合增材制造，Ф_A∈[0.5，1)、Ф_L∈(0，0.5]；即Ф_A從0.5-1取值、Ф_L從0-0.5取值；

4)當(dāng)要求高效率、較高表面質(zhì)量、高冶金結(jié)合強(qiáng)度、較高性能，對堆積尺寸精度要求較高時(shí)，采用電弧-激光復(fù)合增材制造，Ф_A∈(0，0.5]、Ф_L∈[0.5，1)；即Ф_A從0-0.5取值、Ф_L從0.5-1取值；

5)當(dāng)對工件表面粗糙度、冶金結(jié)合強(qiáng)度、力學(xué)性能、尺寸精度有嚴(yán)格要求時(shí)，則將磁場耦合進(jìn)增材制造過程，加入磁場取Ф_M＝1；即當(dāng)對精精度、表面球化率、熔覆稀釋率以及性能有嚴(yán)格要求時(shí)，選擇磁控增材制造方法，具體的有磁控電弧增材、磁控激光增材、磁控電弧-激光復(fù)合增材，即在原有基礎(chǔ)上，加入磁場取Ф_M＝1。

進(jìn)一步，對于增材制造工藝的實(shí)施，將送粉系統(tǒng)開啟：

對于電弧增材制造，選擇合適的電流、掃描速度、送粉速度的工藝參數(shù)；

對于激光增材制造，選擇合適的激光功率、光斑直徑、離焦量、掃描速度、送粉速的工藝參數(shù)；

對于電弧-激光復(fù)合增材制造，選擇相匹配的工藝參數(shù)。

進(jìn)一步，所述的工藝方法的具體實(shí)施為：

對于焊接：選擇電弧焊接時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)(1)和送絲系統(tǒng)(3)；選擇激光焊接時(shí)，執(zhí)行激光系統(tǒng)(5)；選擇電弧-激光焊接時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)(1)、激光(5)系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)(3)；

對于增材制造：選擇電弧增材制造時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)(1)、送絲系統(tǒng)(3)或送粉系統(tǒng)(4)；選擇激光增材制造時(shí)，執(zhí)行激光系統(tǒng)(5)和送粉系統(tǒng)(4)；選擇電弧-激光復(fù)合增材制造時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)(1)、激光系統(tǒng)(5)、送絲系統(tǒng)(3)或者送粉系統(tǒng)(4)；

當(dāng)需要磁場對工藝過程進(jìn)行控制時(shí)，額外執(zhí)行交流磁場系統(tǒng)(2)，所述的交流磁場與電弧、激光同軸，即施加縱向交流磁場。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果：

(1)通過對精度、效率、成本、質(zhì)量等要求的評估，選擇合理的能量場分配比，在實(shí)現(xiàn)成本最低化前提條件下，通過不同能量場之間的配比，從而使生產(chǎn)過程最優(yōu)化，得到了高質(zhì)量、高精度、高效率的制造方法；通過電弧、激光、磁場三種物理場的耦合，實(shí)現(xiàn)了一種多領(lǐng)域、高精度、高效率、高質(zhì)量的制造工藝。

(2)本發(fā)明解決了單一制造方法的使用范圍局限性，多能量場的轉(zhuǎn)換，適用于復(fù)雜構(gòu)件的制造加工。

(3)本發(fā)明克服了單一制造方法存在的不足，優(yōu)勢互補(bǔ)，為提高制造工件的綜合性能提供了技術(shù)保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種電弧、激光、磁場多能量場耦合制造工藝方法的電弧、激光、磁場多場耦合系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種電弧、激光、磁場多能量場耦合制造工藝方法實(shí)施例1中焊接工件示意圖；

圖3為本發(fā)明一種電弧、激光、磁場多能量場耦合制造工藝方法實(shí)施例2中增材制造工件示意圖；

其中，1-電弧系統(tǒng)，2-交流磁場系統(tǒng)，3-送絲系統(tǒng)，4-送粉系統(tǒng)，5-激光系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種電弧、激光、磁場多能量場耦合制造工藝方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)指出此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

(1)對制造工藝要求進(jìn)行精度、效率、成本及質(zhì)量等的評估。

(2)首先，分別采用特征變量函數(shù)Ф(Ф_A、Ф_L、Ф_M)表征三種能量場的分配系數(shù)，特征變量函數(shù)E(E_A、E_L、E_M)表征三種能量場的輸入能量，其中Ф_A、Ф_L、Ф_M分別是電弧輸入能量比例、激光輸入能量比例、磁場輸入能量比例，Ф_A+Ф_L＝1、Ф_M＝0/1，Ф_A、Ф_L、Ф_M取值均在0-1之間；且E(E_A、E_L、E_M)由具體工藝參數(shù)確定。除此之外，Ф_A由效率和成本要求決定，要求高效率、低成本時(shí)，Ф_A取值大；Ф_L由精度和質(zhì)量要求決定，要求高精度、高質(zhì)量時(shí)，Ф_L取值大。則總能量輸入E＝Ф_AE_A+Ф_LE_L+Ф_ME_M。

(3)能量場的確定：

對于焊接，當(dāng)要求高效率、低成本，對性能要求較小時(shí)，取Ф_A＝1、Ф_L＝0、Ф_M＝0，選擇電弧焊接方法；當(dāng)要求較高性能，對成本和效率要求較小時(shí)，取Ф_A＝0、Ф_L＝1、Ф_M＝0，選擇激光焊接方法；當(dāng)要求高效率、適中成本、對性能有一定要求時(shí)，綜合兩種方法，選擇電弧-激光復(fù)合焊接方法，且對精度、質(zhì)量要求較高時(shí)，Ф_A從0-0.5取值、Ф_L從0.5-1取值，反之，當(dāng)要求較高性能、高效率、高質(zhì)量，成本適中，對精度要求較小時(shí)，Ф_A從0.5-1取值、Ф_L從0-0.5取值；當(dāng)對精度和性能有嚴(yán)格要求時(shí)，先擇磁控焊接方法，具體的有磁控電弧焊接、磁控激光焊接、磁控電弧-激光復(fù)合焊接，即在原有基礎(chǔ)上，加入磁場取Ф_M＝1。

對于增材制造，當(dāng)要求高效率、低成本，對精度、表面球化率、熔覆稀釋率以及性能要求較小時(shí)，取Ф_A＝1、Ф_L＝0、Ф_M＝0，選擇電弧增材制造；當(dāng)要求高精度、低表面球化率、低熔覆稀釋率以及較高性能，對成本和效率要求較小時(shí)，取Ф_A＝0、Ф_L＝1、Ф_M＝0，選擇激光增材制造；當(dāng)要求高效率、適中成本、對精度、表面球化率、熔覆稀釋率以及性能有一定要求，對堆積尺寸精度要求較大時(shí)，，選擇電弧-激光復(fù)合增材制造，Ф_A從0-0.5取值、Ф_L從0.5-1取值，反之，對堆積尺寸精度要求較小時(shí)，Ф_A從0.5-1取值、Ф_L從0-0.5取值；當(dāng)對精精度、表面球化率、熔覆稀釋率以及性能有嚴(yán)格要求時(shí)，選擇磁控增材制造方法，具體的有磁控電弧增材、磁控激光增材、磁控電弧-激光復(fù)合增材，即在原有基礎(chǔ)上，加入磁場取Ф_M＝1；

對于磁場的選擇：對于焊接而言，當(dāng)對焊接過程的穩(wěn)定性、焊后焊縫表面形貌、焊縫力學(xué)性能、焊接缺陷有嚴(yán)格要求時(shí)，則將磁場耦合進(jìn)焊接過程；對于增材制造而言，當(dāng)對工件表面粗糙度、冶金結(jié)合強(qiáng)度、力學(xué)性能、尺寸精度有嚴(yán)格要求時(shí)，則將磁場耦合進(jìn)增材制造過程，加入磁場取Ф_M＝1。

(4)工藝的實(shí)施：

對于焊接工藝的實(shí)施：完成焊前準(zhǔn)備工作，針對電弧焊接方法，根據(jù)坡口大小選擇是否填絲，選擇合適的焊接電流、焊接速度、送絲速度等工藝參數(shù)；針對激光焊接方法，選擇合適的激光功率、光斑直接、離焦量、焊接速度等工藝參數(shù)；對于電弧-激光焊接方法，根據(jù)坡口大小選擇是否填絲，選擇相匹配的工藝參數(shù)，規(guī)劃焊接路徑，對工件實(shí)施焊接。

對于增材制造工藝的實(shí)施：將送粉系統(tǒng)開啟，對于電弧增材制造，選擇合適的電流、掃描速度、送粉速度等工藝參數(shù)；對于激光增材制造，選擇合適的激光功率、光斑直徑、離焦量、掃描速度、送粉速度等工藝參數(shù)；對于電弧-激光復(fù)合增材制造，選擇相匹配的工藝參數(shù)。

(5)工藝方法的具體實(shí)施

如圖1所示，對于焊接，選擇電弧焊接時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)1和送絲系統(tǒng)3；選擇激光焊接時(shí)，執(zhí)行激光系統(tǒng)5；選擇電弧-激光焊接時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)1、激光5系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)3。對于增材制造，選擇電弧增材制造時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)1、送絲系統(tǒng)3或送粉系統(tǒng)4；選擇激光增材制造時(shí)，執(zhí)行激光系統(tǒng)5和送粉系統(tǒng)4；選擇電弧-激光復(fù)合增材制造時(shí)，執(zhí)行電弧系統(tǒng)1、激光系統(tǒng)5、送絲系統(tǒng)3或者送粉系統(tǒng)4。當(dāng)需要磁場對工藝過程進(jìn)行控制時(shí)，額外執(zhí)行交流磁場系統(tǒng)2；其中交流磁場與電弧、激光同軸，即施加縱向交流磁場。

具體的實(shí)施方式如下：

實(shí)施例1

實(shí)施例1為一個(gè)焊接工件，具體是存在異種材料焊接與T型焊縫。如圖2所示，其中圖2區(qū)域Ⅰ開有較大坡口，且非工件功能區(qū)域，材料為鋼。如圖2區(qū)域Ⅱ所示，該區(qū)域?yàn)楣ぜ闹虚g部分，其特征在于與鋼板連接性能良好，材料為鋁。如圖2區(qū)域Ⅲ所示，其特征在于為T型焊縫。要焊接上述工件，其具體方法如下：

焊接工藝方法選擇：對于圖2區(qū)域Ⅰ，由于坡口較大，采用激光焊接效率低、成本高，與現(xiàn)實(shí)情況不符，且該區(qū)域焊接對精度要求較低，為了提高效率降低成本，選擇電弧焊接方法。對于圖2區(qū)域Ⅱ，屬于異種材料焊接，由于鋁板為功能區(qū)域，要求焊縫力學(xué)性能良好，焊接熱影響區(qū)范圍要求較小，傳統(tǒng)電弧焊難以滿足這一要求，故選擇激光焊接方法。對于圖2區(qū)域Ⅲ，屬于T型焊縫，為了保證功能區(qū)域較小的焊接變形以及較好的力學(xué)性能，同時(shí)該區(qū)域待加工區(qū)域較長，為了保證效率，選擇電弧-激光復(fù)合焊接方法，即Ф_A＝0.5，Ф_L＝0.5。

焊接工藝的實(shí)施：對于區(qū)域，采用電弧焊接方法，執(zhí)行電弧系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)，確定工藝參數(shù)。對于圖2區(qū)域Ⅱ，采用激光焊接方法，執(zhí)行激光系統(tǒng)，確定工藝參數(shù)。對于圖2區(qū)域Ⅲ，采用電弧-激光復(fù)合焊接方法，即Ф_A＝0.5，Ф_L＝0.5，執(zhí)行電弧系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)，確定工藝參數(shù)，完成整個(gè)焊接過程。

實(shí)施例2

本實(shí)施例2為一個(gè)增材制造工件，其特征在于工件構(gòu)造復(fù)雜，尺寸精度從下到上變化較大。如圖3所示，其中圖3區(qū)域Ⅰ所示，該區(qū)域?yàn)楣ぜ幕?，其特征在于具有足夠大的壁厚和尺寸，保證整個(gè)工件應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性。如圖3區(qū)域Ⅱ所示，該區(qū)域?yàn)楣ぜ闹虚g部分，其特征在于具有較好的力學(xué)性能，壁厚和尺寸從下到上呈現(xiàn)遞減趨勢，保證工件的使用性能以及從下到上尺寸的平滑過渡。如圖3區(qū)域Ⅲ所示，是整個(gè)工件的工作區(qū)，其特征在于壁厚和尺寸較小，精度高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。要制造如上所述工件，具體方法如下：

增材制造工藝方法的選擇：對于圖3區(qū)域Ⅰ，其作用只是保證工件應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性，對精度要求較低，為了提高效率降低成本，選擇電弧增材制造方法。對于圖3區(qū)域Ⅱ，要求具有較好的力學(xué)性能，電弧增材制造無法滿足，再者該區(qū)域壁厚和尺寸較大，激光增材制造效率低下、成本高，綜合兩者，選擇電弧-激光復(fù)合增材制造方法，即Ф_A＝0.5，Ф_L＝0.5，滿足性能的同時(shí)，提高效率，降低成本。對于圖3區(qū)域Ⅲ，作為整個(gè)工件的工作區(qū)，對精度、性能具有較高要求，此時(shí)電弧和電弧-激光增材方法已不適用，因此選擇激光增材方法，同時(shí)為了確保該區(qū)域優(yōu)良的力學(xué)性能，降低制造工件廢棄率，在激光增材時(shí)耦合磁場，采用磁場對激光增材過程進(jìn)行優(yōu)化，減少激光增材過程中出現(xiàn)的缺陷。

增材制造工藝方法的實(shí)施：對于圖3區(qū)域Ⅰ，采用電弧增材制造，執(zhí)行電弧系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)，確定工藝參數(shù)；對于圖3區(qū)域Ⅱ，采用電弧-激光復(fù)合增材制造，即Ф_A＝0.5，Ф_L＝0.5，執(zhí)行電弧系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)，確定工藝參數(shù)；對于圖3區(qū)域Ⅲ，采用磁控激光增材制造，執(zhí)行激光系統(tǒng)、交流磁場系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)，確定工藝參數(shù)，完成整個(gè)增材制造過程。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。