[发明专利]等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法

权利要求书

1.等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，并设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式，在并列双丝熔池后方附加一道扫描激光热源；激光热源扫描包含两个电弧熔池，根据各熔池大小设置激光宽度使得两个熔池能后合并到形成超宽超薄熔池；

步骤2，调试好设备的电流电压，选定电弧功率、气体种类和气流量、送丝方式和送丝速度以及增材速度参数；

步骤3，选用不锈钢作为基板，并用砂轮机对基板表面需要增材的区域进行一段时间的打磨，去除表面的一些污渍和用丙酮或酒精擦洗去除氧化层；然后给基板进行预热，使基板整体温度均匀达到预定温度。

步骤4，启动增材成形制造程序，引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，形成一定宽度的熔池，同时激光器工作，出射特定参数的激光束；

步骤5，让等离子电弧以及激光束扫描按照预定好的路线不断前进增材，直到形成一道完整的超宽焊道；

步骤6，重复步骤5的操作，直到整个构件成形；

步骤7，将增材好的构件在氩气保护气氛中进行热处理。

2.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得电弧出射方向沿铅锤线分布，激光出射方向与电弧出射方向夹角为10～30°，且以工作台前进方向为参照，电弧热源作用点在前，双枪并列，激光出射作用点在后，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域。

3.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中调整光丝间距，即焊丝与激光束之间的距离H，使得激光热源接触到电弧熔池但激光出射头不会与电弧焊枪相撞，且不会因为两个热源过远而形成两个独立焊道；两者之间的距离H：L(熔池长度)≤H/2≤2L/3+M(激光扫描长度)/2，即4.00mm≤H/2≤6.00mm。

4.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中激光束横跨两个熔池尾部侧边区域，两焊道之间的距离S需要进行限定，为了更有效地提高增材效率且防止两个焊道距离过远而导致相互间接触不好不能形成一道完整的焊道，影响成形质量；两焊道之间的距离S：B(熔池宽度)＜S＜11B/10。

5.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中为了稳定焊道成形质量，激光束应避免加在中间热量高的区域，应加在两熔池侧边热量较低的区域，使得两熔池合并为一个完整熔池，实现增大熔宽、降低熔深的作用，激光束扫描区域直径d与熔池宽度B1和B2之间应满足以下关系式：

0.4＜d/B1＜0.6，2＜B2/d＜3，

B1和B2根据不同的实际需求选择相应直径的焊丝，2mm＜B1(或B2)＜6mm。

6.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中激光束作用模式为脉冲扫描模式，脉冲激光束以Z形轨迹作用于熔池区域，微动扫描区域为电弧熔池尾部，且脉冲扫描区域面积≥1/4熔池表面积，脉冲扫描频率与电弧热源运动速率成正比。

7.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤1中激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，所述电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

8.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤2中，为了实现不同直径焊丝的增材，所述等离子电弧的参数包括电压20V≤U≤22.5V，其电压为连续输出的交流电弧电压；电流80A≤I≤230A，其电流为连续输出的交流电弧电流；送丝速度2.0m/min≤WFS≤4.0m/min，送丝方式为同排并列送丝；增材速度4.0mm/s≤TS≤5.0mm/s；功率1200W≤P≤4500W；电弧的直径8mm≤D≤11mm。

9.根据权利要求1所述的等离子电弧与激光复合热源并行双丝超宽熔池增材方法，其特征在于，步骤3中基板的预热处理具体为：

在施加电弧前，将基板进行预热，使基板在30分钟内预热至200～300℃，保温5～10min后进行增材；

增材过程中，为了提高构件的力学性能，降低持续热输入带来的热积累进而产生粗大柱状晶的问题，采用在基板下方增加冷却液循环系统方式辅助散热；

增材结束后，将基板温度调至100～200℃范围内，保持在30～40min后停止，消除残余应力，进一步提升所得构件的性能。