本發(fā)明屬于增材制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于激光穩(wěn)定和調(diào)控機(jī)理的電弧增材制造成形方法及裝置。
背景技術(shù)：
所謂電弧增材制造(wireandarcadditivemanufacture，waam)技術(shù)，是一種利用逐層熔覆原理，采用電弧作為熱源來熔化絲材，并根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體逐漸成形出金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。由于waam技術(shù)具有沉積效率高、絲材利用率高、整體制造周期短、成本低、對零件尺寸限制少等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各類高性能大型金屬構(gòu)件的增材制造工藝。
waam技術(shù)通常采用金屬絲材引燃電弧，利用電弧熱熔化金屬絲材，并按規(guī)定的路徑來堆積制造所需的金屬構(gòu)件，然而，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在電弧增材制造的實(shí)際操作過程中，普遍存在電弧不穩(wěn)定的現(xiàn)象，并可能劣化最終的成形精度；另一方面，由于電弧弧柱的加熱面積往往較大，導(dǎo)致成形金屬構(gòu)件表面的平齊度也偏大(一般在±1.5mm左右)，因而金屬構(gòu)件在電弧堆積成形之后通常還需要進(jìn)行機(jī)械加工，這樣不僅降低了生產(chǎn)效率，而且同樣容易對最終的成形精度造成不利影響。相應(yīng)地，如何同步提高電弧增材制造過程電弧的穩(wěn)定性與成形金屬構(gòu)件的表面精度，正成為電弧增材制造這一領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)難題所在。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上不足或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于激光穩(wěn)定和調(diào)控機(jī)理的電弧增材制造成形方法及裝置，其中一方面通過對金屬構(gòu)件在電弧增材制造過程中的工藝特征進(jìn)行深入分析，研究及提出了可利用激光激勵來同步改善電弧的穩(wěn)定性及有效控制電弧弧柱直徑的機(jī)理，大量的實(shí)際測試表明，可顯著提高最終所獲得的各類金屬構(gòu)件的表面精度和成品質(zhì)量；另一方面本發(fā)明還專門對可實(shí)現(xiàn)上述機(jī)理的裝置從組成結(jié)構(gòu)和具體設(shè)置方面做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)，相應(yīng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、便于操控、適用性強(qiáng)、操作效率高等特點(diǎn)，因而尤其適用于對表面平齊度要求很高之類的金屬構(gòu)件增材制造應(yīng)用場合。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于激光穩(wěn)定和調(diào)控機(jī)理的電弧增材制造成形方法，其特征在于，該方法包括：
在采用電弧作為熱源熔化絲材的過程中，對電弧的弧柱施加穩(wěn)定的激光激勵，并使得激光斑點(diǎn)距離所述弧柱中心軸的離焦量為±0.5mm以內(nèi)；以此方式，在激光的直接作用下，所述弧柱中的金屬成分發(fā)生氣化和電離并形成大量的帶電粒子，由此提高了電弧的穩(wěn)定性；與此同時(shí)，所述弧柱中的中性粒子也發(fā)生電離成為等離子體并發(fā)生壓縮現(xiàn)象，由此使得電弧的直徑縮小，進(jìn)而改善金屬構(gòu)件的表面成形精度。
作為進(jìn)一步優(yōu)選地，上述電弧增材制造過程的工藝參數(shù)優(yōu)選設(shè)定如下：金屬絲材的直徑為0.8mm～1.6mm，成形電流為80a～120a，成形電壓為15v～30v，并采用惰性氣體或co2作為保護(hù)氣。
作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述激光激勵的工藝參數(shù)優(yōu)選設(shè)定如下：功率為300w～700w，脈寬為3ms～6ms，頻率為20hz～50hz。
作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述激光直接作用于所述電弧弧柱之上，而非成形中的金屬構(gòu)件本身。
按照本發(fā)明的另一方面，還提供了針對性設(shè)計(jì)的電弧增材制造成形裝置，其特征在于，該裝置呈激光槍與電弧槍復(fù)合成一個(gè)緊湊化整體構(gòu)造，其中：
所述電弧槍包括電弧槍體、沿著該電弧槍體的軸線方向設(shè)置在中央位置的金屬絲材通路，以及分設(shè)在該金屬絲材通路兩側(cè)的保護(hù)氣氣路，由此在持續(xù)輸送保護(hù)氣提供保護(hù)氣氛的情況下，以同步輸送的金屬絲材作為電極來引燃電弧，并形成內(nèi)部包含有金屬成分和中性粒子的電弧弧柱；
所述激光槍包括激光槍體和光纖，其中該激光槍體完全容納設(shè)置在所述電弧槍體的下端內(nèi)部并且與該電弧槍體的軸線呈6°～10°的夾角，該光纖與所述激光槍體保持連通并平行于所述電弧槍體的軸線而設(shè)置，由此用于發(fā)射穩(wěn)定的激光并直接施加至電弧弧柱上。
總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明中通過對金屬構(gòu)件電弧增材制造成形工藝的特征研究分析，發(fā)現(xiàn)電弧的穩(wěn)定性受到多種復(fù)雜因素的影響，其中電弧燃燒過程中是否存在大量的帶電粒子屬于相對關(guān)鍵的因素之一，在此基礎(chǔ)上，所提出的直接對電弧弧柱施加高能量密度的激光，測試表明極易使弧柱中包含的金屬成分發(fā)生氣化和電離，由此形成大量的帶電粒子，這些帶電粒子反過來又會在電弧電壓的作用下進(jìn)行定向運(yùn)動，進(jìn)而顯著提高電弧弧柱的穩(wěn)定性；
2、本申請還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了激光作用可使得弧柱中的大量中性粒子電離成為等離子體且發(fā)生壓縮現(xiàn)象的機(jī)理，相應(yīng)地，通過對弧柱直接施加高能量密度的激光，除了可提供電弧本身的穩(wěn)定性之外，尤其還能夠使得弧柱本身的直徑獲得縮小，由此使得熔池尺寸變小，進(jìn)而可進(jìn)一步提高金屬構(gòu)件的表面成形精度；
3、結(jié)合以上機(jī)理和工藝控制過程，本發(fā)明還針對性提出了專門的電弧增材制造成形設(shè)備，該設(shè)備整體構(gòu)造緊湊布局合理、便于操控，而且實(shí)際測試表明能夠基于各種工況來對整個(gè)成形過程中的多個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括激光斑點(diǎn)距離弧柱中心軸的離焦量、激光能量及脈寬頻率、相配套使用的電弧增材制造參數(shù)等，由此確?？汕蟮盟璧某尚尉群唾|(zhì)量；
4、按照本發(fā)明的上述方法和設(shè)備充分利用了激光對電弧的作用，較好地同步解決了電弧穩(wěn)定性和電弧弧柱尺寸控制問題，因而可實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的高質(zhì)量、高精度制造成形，并尤其適用于對表面平齊度要求很高之類的金屬構(gòu)件增材制造應(yīng)用場合。
附圖說明
圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式所構(gòu)建的電弧增材制造成形裝置的整體構(gòu)造示意圖；
在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：
11-電弧槍體12-金屬絲材通路13-保護(hù)氣氣路21-激光槍體22-光纖31-保護(hù)氣氛32-熔滴33-等離子電弧
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式所構(gòu)建的電弧增材制造成形裝置的整體構(gòu)造示意圖。如圖1中所示，該裝置的主要特征即在于將激光槍和電弧槍較好地復(fù)合成一個(gè)緊湊化的整體構(gòu)造，同時(shí)對其具體結(jié)構(gòu)組成和設(shè)置方式、一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面做出了針對性的設(shè)計(jì)。
具體而言，該電弧槍包括電弧槍體11、沿著該電弧槍體11的軸線方向設(shè)置在中央位置的金屬絲材通路12，以及分設(shè)在該金屬絲材通路兩側(cè)的保護(hù)氣氣路13等，其中電弧槍體11的下端譬如可配備電弧，并經(jīng)由金屬絲材通路12向其持續(xù)輸送金屬絲材；與此同時(shí)，經(jīng)由保護(hù)氣氣路13向電弧槍體11的下端輸送譬如二氧化碳之類的保護(hù)氣，由此以金屬絲材作為電極之一來引燃電弧，進(jìn)而形成內(nèi)部包含有大量的金屬成分和大量的中性粒子的電弧弧柱。
該激光槍包括激光槍體21和光纖22等，其中該激光槍體21完全容納設(shè)置在所述電弧槍體11的下端內(nèi)部，并且被設(shè)計(jì)與該電弧槍體的軸線呈6°～10°的夾角，該光纖22譬如平行于電弧槍體11的軸線而設(shè)置，并用于與所述激光槍體保持連通；相應(yīng)地，可根據(jù)具體工況需求，將穩(wěn)定的激光發(fā)射并直接施加至電弧弧柱上，并通過調(diào)節(jié)激光槍體在電弧槍體中的位置，使得激光斑點(diǎn)距離弧柱中心軸的離焦量為±0.5mm(優(yōu)選±0.2mm)以內(nèi)。
按照本發(fā)明，所研究提出的基于激光穩(wěn)定和調(diào)控機(jī)理的電弧增材制造成形工藝方法可概括如下：在采用電弧作為熱源熔化絲材的過程中，對電弧的弧柱施加穩(wěn)定的激光激勵，并使得激光斑點(diǎn)距離所述弧柱中心軸的離焦量為±0.5mm以內(nèi)。
通過以上構(gòu)思，一方面由于激光的高能量密度，使電弧弧柱中有大量帶電粒子，這些帶電粒子反過來又會在電弧電壓的作用下進(jìn)行定向運(yùn)動，使得電弧燃燒過程更穩(wěn)定；另一方面更重要的是，激光的作用還使得電弧中的大量中性粒子電離，電弧成為等離子體產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象，由此縮小電弧弧柱的直徑并使熔池尺寸變小，從而通過調(diào)控熔池尺寸大小，能夠更好地調(diào)控增材制造成形件表面尺寸精度。
作為示范性說明，本發(fā)明所提供的電弧增材制造成形工藝方法具體可包括下列步驟：
1)選擇適當(dāng)規(guī)格參數(shù)的電弧增材制造成形裝置：例如，可適當(dāng)直徑和長度的紫銅棒，鉆有譬如18mm與2mm兩種規(guī)格的孔，其中18mm的孔與z軸優(yōu)選成8°角，用于放置圓柱形激光槍體，而2mm孔用于輸送金屬絲材。通過調(diào)節(jié)激光槍在銅棒孔中的位置，使激光斑點(diǎn)在弧柱中心軸的離焦量為±0.2mm；由此獲得適于執(zhí)行激光穩(wěn)定及壓縮電弧多種功能的復(fù)合槍；
2)建立所需的三維模型：可采用ug或者pro/e等三維造型軟件繪制出零部件的三維cad模型，生成機(jī)器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；
3)設(shè)定成形電弧參數(shù)：依據(jù)成形金屬構(gòu)件性能與幾何尺寸，選定電流、電壓、弧焊槍運(yùn)行速度；
4)激光穩(wěn)定和約束電?。焊鶕?jù)成形電弧穩(wěn)定性的要求和成形平齊度的要求，選定激光的功率、脈寬、離焦量等參數(shù)，在保證電弧穩(wěn)定的同時(shí)，約束電弧弧柱到確定的尺寸；
5)直接成形：按照選定的激光工藝參數(shù)和電弧工藝參數(shù)，進(jìn)行電弧增材制造，獲得增材制造過程中電弧穩(wěn)定和表面平齊度符合要求的成形金屬構(gòu)件。
下面給出一個(gè)具體實(shí)施例，以便更為清晰地說明按照本發(fā)明的成形工藝過程及效果。
實(shí)施例1：
某建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，擬采用電弧增材制造，要求成形表面平齊度值ra要求小于20，堆積成形過程電弧熄弧次數(shù)每小時(shí)不能超過1次。為了保證堆積成形過程中電弧的穩(wěn)定性和成形金屬構(gòu)件表面低平齊度，本發(fā)明中采用激光穩(wěn)定和壓縮電弧的方法，提高增材制造過程中電弧的穩(wěn)定性和成形金屬構(gòu)件表面精度。具體步驟如下：
1、選擇適當(dāng)規(guī)格參數(shù)的電弧增材制造成形裝置：采用本發(fā)明的激光穩(wěn)定、壓縮電弧復(fù)合槍，即將直徑為30mm、長為60的紫銅棒，鉆有18mm與2mm的孔，18mm的孔與z軸成8°角，用于放置圓柱形激光槍，2mm孔用于輸送金屬絲材。通過調(diào)節(jié)激光槍在銅棒孔中的位置，使激光斑點(diǎn)在弧柱中心軸的離焦量為-0.2mm。
2、建立三維模型：采用ug三維造型軟件繪制出構(gòu)件的三維cad模型，生成機(jī)器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；
3、設(shè)定成形電弧參數(shù)：增材制造過程中選用co2保護(hù)氣，金屬絲材的直徑為1.2mm，其成形為電流100a，電壓20v，弧焊槍的行走速度為28.8m/h；
4、激光穩(wěn)定和約束電?。焊鶕?jù)成形電弧穩(wěn)定性的要求和成形平齊度的要求，采用500w的光纖脈沖激光器，輸出功率為260w、脈寬為5ms、頻率為30hz，離焦量為-0.2mm；
5、直接成形：按照給定的激光工藝參數(shù)和電弧工藝參數(shù)，進(jìn)行金屬構(gòu)件的電弧增材制造。
最后，對于按照本發(fā)明的增材制造成形所獲得的電弧而言，其實(shí)際穩(wěn)定性和金屬構(gòu)件表面的平齊度值測量如下表1所示
表1
綜上，按照本發(fā)明的工藝方法和裝置，可高效、便于操控地利用激光激勵來同步改善電弧的穩(wěn)定性及有效控制電弧弧柱直徑的機(jī)理，并顯著提高最終所獲得的各類金屬構(gòu)件的表面精度和成品質(zhì)量，因而尤其適用于對表面平齊度要求很高之類的金屬構(gòu)件增材制造應(yīng)用場合。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。