[发明专利]一种基于协同脉冲激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法，适用于以自动同步送丝形式实现不锈钢、铝合金等金属材料的电弧三维快速成形制造。

背景技术

三维快速成形制造(3D打印)技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。金属构件三维快速成形制造的技术基础是焊接/连接，近20年来，国内外三维快速成形制造实现了两大突破：其一是由早期的激光快速成形光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的成形制造发展；其二是把高能束流热源(电子束、激光束)的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造信息技术深度融合，实现了金属结构订制式无模制造，形成了新的产业发展方向。

三维快速成形制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造，在航空航天、医疗等领域，产品开发阶段，计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。目前，三维快速成形制造技术是传统大批量制造技术的一个补充，相对于传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。金属构件的三维快速成形制造应用于产品研发，还存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不能令人满意等问题。其工艺与装备研发也尚不充分，尚未进入大规模工业应用。

TIG电弧具有稳定性好的突出特点，用于三维快速成形可获得更好的成形质量。相对于TIG自由电弧，脉冲MIG电弧用于三维快速成形具有热效率高、熔滴沉积率高、平均热输入低等优点，但脉冲MIG电弧的稳定性和熔滴过渡、电弧电导性有密切关系。而低功率脉冲激光热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点，但其应用于三维快速成形的制造效率低于电弧三维快速成形。因此，将这两种热源结合用于三维快速成形制造，可以为实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造质量稳定性带来了新的可能。

发明内容

本发明针对金属材料结构件的成形制造，提供一种基于协同脉冲激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法，该方法能够实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料结构的三维快速成形制造。

本发明采取以下技术方案：

一种基于协同脉冲激光能量诱导的脉冲电弧三维快速成形制造方法，该方法利用脉冲电弧热源提供熔化金属丝材、形成熔滴和金属材料结构成形所需要的主要能量，借助脉冲激光能量抑制脉冲电弧的不稳定性，借助激光和电弧协同脉冲实现两种能量源的充分融合，并提高材料对热源能量的热吸收率。所述成形制造方法的步骤如下：

(1)安装基板，并可靠装夹，水平固定；

(2)调整脉冲MIG电弧焊枪，使脉冲电弧出射方向与铅垂面成0°～5°夹角；

(3)调整激光出射方向，使其与脉冲电弧出射方向成15°～30°夹角；

(4)校准脉冲MIG电弧焊枪与激光出射头相对位置，使出射金属丝与出射激光束位于同一平面，激光束斑在基板的作用点与金属丝材延长线相交，且以工作台前进方向为参照，激光出射头在前，脉冲MIG电弧焊枪在后；

(5)零件三维建模、分层切片，生成成形制造程序。

(6)激光器工作，出射激光束，同时引弧使脉冲MIG电弧开始工作、金属丝材开始送丝，成形制造过程开始。

(7)制造过程结束时，先关停激光束出射，再熄灭脉冲MIG电弧和停止送丝，并延迟停止保护气，结束全部制造流程。

本方法中，所述电弧脉冲电流主相位为射滴过渡电流脉冲，辅相位为短路过渡长时电流脉冲，一个脉冲电流周期包括三个射滴过渡电流脉冲和一个短路过渡长时电流脉冲。其中，短路过渡长时电流脉冲的持续时间与射滴过渡电流脉冲持续时间相同。由射滴过渡电流脉冲强制熔滴实现一脉一滴的射滴过渡，由短路过渡长时电流脉冲实现1～2个熔滴的短路过渡。

所述激光脉冲包括主脉冲和后置尖峰脉冲，且激光脉冲与电弧脉冲协同，使激光脉冲周期与电弧脉冲周期一致，激光脉冲相位对应于电弧脉冲的短路过渡长时电流脉冲。

本方法中，脉冲MIG电弧平均脉冲电流范围为80A～140A，且为连续输出的直流电弧电流；激光束为脉冲激光束，脉冲峰值功率范围为4kW～6kW，脉冲宽度范围为不低于4ms。

本方法中，产生脉冲MIG电弧的电源为直流脉冲电源，电极接法为金属丝材为阳极接电源正极，基板为阴极接电源负极。