本發(fā)明涉及激光熔絲增材制造的，尤其涉及一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法。

背景技術(shù)：

1、鋁合金比強(qiáng)度高、密度小、抗腐蝕性能好，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。為了響應(yīng)輕量化制造要求，以鋁合金為代表的輕質(zhì)材料制造技術(shù)逐漸代替了鋼鐵材料。作為一種新興的成形技術(shù)，目前國內(nèi)外的鋁合金增材制造技術(shù)，主要有激光、電弧、電子束、超聲波和攪拌摩擦等熱源提供方式。激光具有較高的能量密度和較低的熱輸入，相比電弧和電子束，在高精度成形方面有較大的優(yōu)勢。激光熔絲增材制造技術(shù)以激光為熱源，以熔化焊絲的方式逐層沉積材料。激光作為高能束，其能量集中，因此熔滴過渡過程決定了光絲耦合的質(zhì)量，其沉積過程穩(wěn)定性對增材零件的成形質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。另外，由于鋁合金密度低，流動性差，對送絲穩(wěn)定性要求也較高。

2、如專利號為cn201911171055.8的專利提出一種激光掃描-振動熱絲tig復(fù)合焊接方法，焊絲進(jìn)行往復(fù)振動生成振動熱絲，通過預(yù)熱焊絲提高了焊接效率，但熱絲振動精度不高，不適用于對成形質(zhì)量要求較高的增材制造過程。如專利號為cn201811000355.5的專利提出一種磁控?zé)峤z擺動激光焊接裝置、方法和應(yīng)用，通過施加外加磁場改變熱絲的送進(jìn)方式，但是沒有與擺動激光進(jìn)行有效耦合，并不能很好地抑制缺陷，提升效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，為了提高增材墻體成形精度，引入擺動激光和焊絲振動協(xié)同控制熔滴過渡，實(shí)現(xiàn)了焊絲振動方向和振幅的精確調(diào)控，同時通過送絲頭的橫向擺動實(shí)現(xiàn)沉積材料的鋪展寬度調(diào)控。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

3、一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，包括以下步驟：

4、s1：去除鋁合金基板表面的氧化膜和油污；

5、s2：啟動擺動激光-振動-協(xié)同增材設(shè)備，調(diào)節(jié)激光器和送絲頭的角度和位置、設(shè)置增材參數(shù)，所述增材參數(shù)包括保護(hù)氣流量、行走速度、送絲速度、激光功率、擺動激光頻率、擺動激光幅度、熱絲電流、熱絲電壓以及機(jī)械振動幅度和頻率；

6、s3：固定基板，根據(jù)基板位置對機(jī)器人進(jìn)行編程，設(shè)置增材熱源行走路線，并將機(jī)器人移動至初始位置；

7、s4：啟動擺動激光-振動-協(xié)同增材設(shè)備中的熱絲裝置，對焊絲進(jìn)行預(yù)熱；

8、s5：開啟增材熱源和保護(hù)氣開關(guān)，按照編程軌跡進(jìn)行增材；

9、s6：完成一層增材墻體后，清潔增材墻體表面氧化物，重新設(shè)置機(jī)器人編程軌跡，待增材墻體冷卻后，重復(fù)s5，開始下一層增材；

10、s7：完成增材墻體的制造后，關(guān)閉擺動激光-振動-熱絲協(xié)同增材設(shè)備。

11、進(jìn)一步的，所述擺動激光-振動-熱絲協(xié)同增材設(shè)備包括激光器與掃描振鏡、振鏡聚焦裝置、數(shù)控系統(tǒng)、熱絲裝置、送絲裝置、振動裝置和水冷機(jī)；其中：

12、激光器與掃描振鏡、振鏡聚焦裝置用于擺動激光束的發(fā)生；

13、數(shù)控系統(tǒng)用于控制焊槍和擺動激光行走；

14、熱絲裝置用于加熱焊絲；

15、送絲裝置與焊槍連通，用于送進(jìn)焊絲；

16、振動裝置安裝在焊槍上，使焊絲發(fā)生振動；

17、水冷機(jī)用于增材系統(tǒng)的冷卻循環(huán)。

18、進(jìn)一步的，所述熱絲裝置包括熱絲電源，所述熱絲電源的正負(fù)極分別連接送絲頭和增材平臺，伸出送絲頭部分的焊絲產(chǎn)生電阻熱，在開始進(jìn)行熔滴過渡過程前，先通過施加在導(dǎo)電嘴的電流和電壓設(shè)置預(yù)熱溫度并在焊絲熔點(diǎn)溫度以下對焊絲進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱電流控制在80-200a，預(yù)熱電壓控制在6-10v。

19、進(jìn)一步的，通過控制機(jī)械振動和擺動激光參數(shù)，以共同控制增材過程中熔滴過渡時的力輸入；其中，熔滴在長大至脫落過程中的受力包括重力fg、表面張力fγ、等離子流力fp、電磁力fm、金屬蒸汽作用力frl、激光作用力fl、機(jī)械作用力f2，其中重力、等離子流力、電磁力、激光作用力和機(jī)械作用力促進(jìn)熔滴脫落，表面張力和金屬蒸汽反作用力阻礙熔滴脫落。

20、進(jìn)一步的，重力fg、表面張力fγ、等離子流力fp、電磁力fm、金屬蒸汽作用力frl的表達(dá)式如下：

21、

22、式中，rd為熔滴半徑，ρ為熔滴密度，g為重力加速度；

23、fγ＝2πrsγk；

24、式中，rs為絲材半徑，γ為表面張力系數(shù)，k為常數(shù)系數(shù)；

25、

26、式中，cp是等離子體流力系數(shù)，ρp是電弧等離子體密度，k是比例因子，i是焊接電流；

27、

28、式中，μ是磁導(dǎo)率，θ是電弧覆蓋區(qū)域的半角，rs為絲材半徑；

29、

30、式中，rh為金屬蒸汽分布系數(shù)，cd為流阻系數(shù)，a為垂直流動平面投影面積，v0為常數(shù)，na為阿伏伽德羅常數(shù)，kb為玻爾茲曼常數(shù)，ts為金屬熔化溫度，mα為氣體分子質(zhì)量，b為熔體蒸發(fā)常數(shù)。

31、進(jìn)一步的，促進(jìn)熔滴脫落受到沿焊絲伸長方向的合力f如下式：

32、f＝fgcosα+fp+fm+f1′+f2-fγ-frlcosα；

33、式中，α是焊絲伸長方向與豎直方向的夾角，f′1是激光作用力沿焊絲送進(jìn)方向分力。

34、進(jìn)一步的，熔滴脫落臨界尺寸用來衡量填充金屬沉積量，熔滴脫落進(jìn)入熔池的金屬質(zhì)量如下式：

35、m＝ρvmπrs2＝ρvsa；

36、式中，vm為送絲速度，vs為行走速度，a為沉積層截面面積。

37、進(jìn)一步的，所述振動裝置包括振動電源、橫向振動裝置和縱向振動裝置；所述橫向振動裝置通過固定裝置與焊槍相連，帶動送絲頭進(jìn)行高頻振動，以使得焊絲發(fā)生高頻振動；所述縱向振動裝置沿振動桿，通過緩沖彈簧對送絲頭進(jìn)行振動。

38、進(jìn)一步的，激光束軸線與增材行走方向之間的夾角控制在80°-85°，激光束的軸線與送絲頭的軸線之間的夾角為20°-75°，所述焊絲位于激光束下方；所述激光束通過激光器發(fā)出。

39、進(jìn)一步的，伸出所述送絲頭端部的焊絲長度保持為20mm。

40、綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案的有益效果是：

41、(1)熱絲系統(tǒng)對焊絲進(jìn)行預(yù)熱，相比于未添加熱絲系統(tǒng)時，有效降低了增材時的熱輸入，提高沉積效率；通過調(diào)節(jié)熱絲電源和擺動激光能量共同控制增材過程的熱輸入，從而控制焊絲熔化速度，影響熔滴過渡頻率；

42、(2)采用垂直于焊絲送進(jìn)方向(伸長方向)的高頻振動，加速熔滴脫落，提高增材效率；采用擺動激光和沿絲材送進(jìn)方向的機(jī)械振動的共同作用，達(dá)到熔滴的脫落位置控制，實(shí)現(xiàn)熔滴過渡的位置一致性，從而保證增材成形的側(cè)壁精度。并且能夠?qū)崿F(xiàn)增材過程中最小傳質(zhì)單元(熔滴)的過渡頻率和體積的控制，實(shí)現(xiàn)高頻小顆粒過渡，減小飛濺，保證熔滴過渡的穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：所述擺動激光-振動-熱絲協(xié)同增材設(shè)備包括激光器與掃描振鏡、振鏡聚焦裝置、數(shù)控系統(tǒng)、熱絲裝置、送絲裝置、振動裝置和水冷機(jī)；其中：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：所述熱絲裝置(7)包括熱絲電源，所述熱絲電源的正負(fù)極分別連接送絲頭(9)和增材平臺，伸出送絲頭(9)部分的焊絲(14)產(chǎn)生電阻熱，在開始進(jìn)行熔滴過渡過程前，先通過施加在導(dǎo)電嘴的電流和電壓設(shè)置預(yù)熱溫度并在焊絲(14)熔點(diǎn)溫度以下對焊絲(14)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱電流控制在80-200?a，預(yù)熱電壓控制在6-10?v。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：通過控制機(jī)械振動和擺動激光參數(shù)，以共同控制增材過程中熔滴過渡時的力輸入；其中，熔滴在長大至脫落過程中的受力包括重力fg、表面張力fγ、等離子流力fp、電磁力fm、金屬蒸汽作用力frl、激光作用力fl、機(jī)械作用力f2，其中重力、等離子流力、電磁力、激光作用力和機(jī)械作用力促進(jìn)熔滴脫落，表面張力和金屬蒸汽反作用力阻礙熔滴脫落。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：重力fg、表面張力fγ、等離子流力fp、電磁力fm、金屬蒸汽作用力frl的表達(dá)式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：促進(jìn)熔滴脫落受到沿焊絲伸長方向的合力f如下式：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：熔滴脫落臨界尺寸用來衡量填充金屬沉積量，熔滴脫落進(jìn)入熔池的金屬質(zhì)量如下式：

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：所述振動裝置包括振動電源(13)、橫向振動裝置(10)和縱向振動裝置(11)；所述橫向振動裝置(10)通過固定裝置(101)與焊槍相連，帶動送絲頭(9)進(jìn)行高頻振動，以使得焊絲(14)發(fā)生高頻振動；所述縱向振動裝置(11)沿振動桿(113)，通過緩沖彈簧(112)對送絲頭(9)進(jìn)行振動。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：激光束軸線與增材行走方向之間的夾角控制在80-85°，激光束的軸線與送絲頭(9)的軸線之間的夾角為20°-75°，所述焊絲(14)位于激光束下方；所述激光束通過激光器發(fā)出。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋁合金擺動激光-振動-熱絲協(xié)同高效增材方法，其特征在于：伸出所述送絲頭(9)端部的焊絲(14)長度保持為20mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種鋁合金擺動激光?振動?熱絲協(xié)同高效增材方法，屬于激光熔絲增材制造的技術(shù)領(lǐng)域，包括去除基板表面的氧化膜和油污；啟動擺動激光?振動?協(xié)同增材設(shè)備，調(diào)節(jié)激光器和送絲頭的角度和位置、設(shè)置增材參數(shù)；固定基板，對機(jī)器人進(jìn)行編程，設(shè)置增材熱源行走路線，并將機(jī)器人移至初始位置；啟動熱絲裝置對焊絲進(jìn)行預(yù)熱；開啟增材熱源和保護(hù)氣開關(guān)，按照編程軌跡進(jìn)行增材；完成一層增材墻體后，清潔其表面氧化物，重新設(shè)置機(jī)器人編程軌跡，待增材墻體冷卻后，開始下一層增材；完成增材墻體的制造后，關(guān)閉擺動激光?振動?熱絲協(xié)同增材設(shè)備。本發(fā)明能夠提高增材墻體的成形精度。

技術(shù)研發(fā)人員：檀財旺,王炳秋,劉福運(yùn),周曉輝,亓蔚寧,楊明睿,宋曉國
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30