CN110977172A

CN110977172A - 一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法

Info

Publication number: CN110977172A
Application number: CN201911146571.5A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 沙华浦; 鲁世红; 张少航; 李彦鹏; 吕松阳
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明公开了一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法，电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置包括工作台和固定在工作台上的基板，工作台上方设有运动机床，基板上方设有连接在运动机床上的电弧增材模块和塑性成形模块，电弧增材模块包括焊枪和送丝机，塑性成形模块包括对基板表面的沉积层进行塑性成形的机构，基板上方位于塑性成形模块一侧设有对塑性成形机构下方的沉积层进行加热的激光加热模块，激光加热模块包括激光发生器和通过光纤与激光发生器连接的激光头，激光发生器上连接有稳压电源，激光头包括外壳，外壳一端设有光纤入口、另一端设有激光出口，外壳内设有准直镜和聚焦镜，激光出口朝向塑性成形机构下方的沉积层。

Description

一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造装置和方法，具体涉及一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法。

背景技术

电弧增材制造是一种以金属丝材为成形材料，以电弧或者等离子弧为热源的增材制造技术。电弧增材制造技术因其低成本、高效、柔性程度高等优点受到越来越多的关注，尤其是在大尺寸结构件的高效快速制造方面具备极大的优势。然而，在工业具体应用中，由于电弧的热输入量较大，构件内部微观组织多为柱状晶和枝晶，该种组织会显著降低构件力学性能，引起各向异性，该问题极大限制了电弧增材制造技术在工业领域中的实际应用。

塑性成形是利用固态下金属的塑性，使金属在外力作用下成形的一种加工方法。轧制作为一种塑性加工工艺，通过轧辊对金属表面施加大压力，使材料产生大塑性变形，能极大细化材料微观组织，提高其力学性能。研究人员将塑性变形工艺引入到电弧增材制造中，通过边增材边变形的复合制造工艺，从而细化组织，提升综合力学性能。然而，对于某些室温高强度低塑性的金属材料，如钛合金、高温合金、高强钢等，常温轧制产生的塑性变形深度有限，无法完全破碎柱状晶组织，同时对设备的负载能力也提出了更高的要求。

发明内容

本发明是针对常温高强度低塑性难成形金属材料，提供一种易操作、高精度、高效率、低成本的复合制造装置，具体是一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，从而提高金属材料的成形精度和材料利用率，同时显著细化晶粒、改善微观组织、提高材料的综合力学性能。同时，本发明还提供一种利用该装置进行的增材制造方法。

本发明电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置采用如下技术方案：一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其包括工作台和固定在工作台上的基板，工作台上方设有运动机床，基板上方设有连接在运动机床上的电弧增材模块和塑性成形模块，电弧增材模块包括焊枪和向焊枪送入焊丝的送丝机，塑性成形模块包括对基板表面的沉积层进行成形的塑性成形机构，所述基板上方位于塑性成形模块一侧设有对塑性成形机构下方的沉积层进行加热的激光加热模块，激光加热模块包括激光发生器和通过光纤与激光发生器连接的激光头，激光发生器上连接有稳压电源，激光头包括外壳，外壳一端设有光纤入口、另一端设有激光出口，外壳内设有准直镜和聚焦镜，激光出口朝向塑性成形机构下方的沉积层。

所述激光加热模块还包括机器人，机器人包括底座和机械臂，所述激光头夹持在机器人机械臂的末端。

所述的机器人采用六轴工业机器人，六轴工业机器人在PC机控制机的控制下运动。

所述激光发生器为YAG连续激光器，所述激光头发射的激光光斑直径为1~10mm，激光入射角度和工作台之间的水平夹角为0~80°，激光功率为50~500w，激光头移动速度为0~20mm/s。

所述激光头外壳上靠近准直镜的位置设有惰性气体进气孔，所述激光头外壳上靠近聚焦镜的位置上设有惰性气体出气孔。

所述激光发生器上连接有循环水冷系统，该循环水冷系统为内、外双循环水冷系统。

所述工作台上方设有实时监控加热温度的温度传感器，温度传感器为非接触式的红外温度传感器，温度传感器通过连杆机构连接在运动机床上。

所述塑性成形模块为液压辊压装置，液压辊压装置包括液压缸、轧制加载装置及轧辊，轧制加载装置和轧辊构成所述塑性成形机构，所述液压缸设置在轧制加载装置的上方，所述轧辊连接在轧制加载装置的下方。

所述塑性成形模块为超声波冲击装置，超声冲击装置包括超声波发生器、超声换能器和超声变幅杆，超声换能器与超声波发生器通过电路连接，超声变幅杆设置在超声波换能器的下方，超声变幅杆的下端设有夹持柄，夹持柄下部加持有冲击工具头，所述超声变幅杆、夹持柄和冲击工具头构成所述塑性成形机构。

本发明的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造方法采用如下技术方案：一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造方法，包括以下步骤：（1）对基板表面打磨，并用丙酮试剂清洗基板表面；（2）用夹具将基板固定在工作台上；（3）然后通过控制焊枪和送丝机的配合运动，在基材表面形成电弧增材沉积层；（4）调整激光头相对位置，使激光头的激光出口对准待加热区域的沉积层；（5）每完成一层或者多层沉积后，打开激光光闸，对沉积层指定位置进行激光辅助加热，并测定沉积层表面温度，当沉积层表面温度达到预定的热成形温度时，启动塑性成形模块，使塑性成形机构动作，对沉积层表面进行塑性成形，同时，使激光头与塑性成形机构在水平方向上保持同步运动，实现单层材料热变形；重复步骤（4）和（5），通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。

本发明的有益效果是：激光辅助加热是指激光产生的强电磁场与物质内部的电子或振子相互作用，在材料表面产生感应电流，从而达到材料快速加热的一种加热技术。激光辐照材料时，金属材料表面吸收激光能量并转变为热量，通过热传导将热量向材料内部转移，导致材料温度上升。由于激光具有高方向性和空间相干性等特征，可以将极强的激光能量聚焦形成一个极高能量密度的光斑，从而达到快速、稳定、高效、精确的加热效果。本发明采用激光辅助加热的热成形工艺，能获得充分热变形，显著改善材料内部微观组织，提升材料综合性能。热成形下材料变形抗力低，塑性好，能实现充分变形，从而显著细化微观组织，提高材料性能。因此，本发明通过激光加热产生的光电场、温度场与力场耦合作用辅助电弧增材制造过程，利用激光对材料迅速加热，通过轧辊或冲击工具头对材料施加塑性变形，从而显著提高零件尺寸精度、细化晶粒、改善微观组织、消减残余应力，提升零件综合力学性能。本发明将电弧增材技术和塑性变形技术复合，并且利用激光加热以完成热塑性变形，与常温冷变形相比，热成形有利于积累大量变形能，在高温下材料发生再结晶，有助于细化晶粒，提升力学性能；复合制造装置结构设计合理，操作简便，自动化程度高，适用性强。与传统炉子加热比，激光辅助加热精度高、效率高、响应速度快，满足绿色环保要求。本发明适用于常温高强度低塑性难成形的金属材料，如钛合金、高温合金、镁合金、金属间化合物等。

优选的，机器人采用六轴工业机器人，激光头夹持于机器人机械臂末端，通过PC机控制机器人运动实现待加热位置的精确定位，同时可根据电弧沉积层的外形尺寸和加热要求，调节激光光斑直径和激光入射角度，实现对加热温度及加热深度的精确控制。

优选的， YAG连续激光器的体型小、稳定性高且功率大，还具有能量集中、温度可控、功率大小可调等优点，从而实现高效、稳定而集中的加热效果。

优选的，在激光头上通入惰性气体，惰性气体可以带走激光产生的额外热量。

优选的，采用的循环水冷系统为内、外双循环水冷冷却方式，可以带走激光产生的热量，不仅可以调节水压，还可以调节水温，起到恒温保护作用。

优选的，温度传感器为非接触式的红外温度传感器，通过连杆机构连接于运动机床上，通过连杆机构可精确调节其测温位置，实现对激光加热位置温度的精确监测。

附图说明

图1是本发明实施例1的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置的结构示意图；

图2是图1中激光头的结构示意图；

图3是本发明实施例2的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置的结构示意图。

1.六轴机器人，2.激光发生器，3.光纤，4.激光头，4-1.进气孔，4-2.光纤入口，4-3.准直镜，4-4.外壳，4-5.聚焦镜，4-6.出气孔，5.稳压电源，6.循环水冷系统，7.塑性成形机构，8-1.液压缸，8-2.轧制加载装置，8-3.轧辊，9-1.超声波发生器，9-2.超声换能器，9-3.超声变幅杆、9-4.夹持柄和9-5.冲击工具头，10.连杆机构，11.温度传感器，12.焊枪，13.送丝机，14.焊丝，15.沉积层，16.基板，17.工作台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置实施例1：

本实施例的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置的结构如图1至图2所示，其包括工作台17和通过夹具固定在工作台17上的基板16，工作台17上方设有运动机床，基板16上方设有连接在运动机床上的电弧增材模块和塑性成形模块，电弧增材模块包括焊枪12和向焊枪12送入焊丝14的送丝机13，焊枪12和焊接电源连接，送丝机13输送增材所需的焊丝14；塑性成形模块包括对基板16表面的沉积层15进行塑性成形的塑性成形机构7，所述基板16上方位于塑性成形模块一侧设有对塑性成形机构7下方的沉积层15进行加热的激光加热模块，激光加热模块包括激光发生器2和通过光纤3与激光发生器2连接的激光头4，激光发生器2上连接有稳压电源5，所述激光发生器2上连接有循环水冷系统6，该循环水冷系统6为内、外双循环水冷系统。激光头4包括外壳4-4，外壳4-4一端设有光纤入口4-2、另一端设有激光出口4-7，外壳4-4内设有准直镜4-3和聚焦镜4-5，激光出口4-7朝向塑性成形机构7下方的沉积层。所述激光头外壳4-4上靠近准直镜4-3的位置设有惰性气体进气孔4-1，所述激光头外壳4-4上靠近聚焦镜的位置上设有惰性气体出气孔4-6。由光纤接入的激光通过准直镜准直激光光线，并利用聚焦镜聚焦激光，惰性气体可以带走激光产生的额外热量。所述激光发生器2为YAG连续激光器，所述激光头4发射的激光光斑直径为1~10mm，激光入射角度和工作台之间的水平夹角为0~80°，激光功率为50~500w，激光头移动速度为0~20mm/s。

所述激光加热模块还包括机器人1，机器人1包括底座和机械臂，所述激光头4夹持在机器人机械臂的末端。机器人1采用六轴工业机器人，六轴工业机器人在PC机控制机的控制下运动，通过实时调整激光入射角度和激光光斑直径，精确局部加热沉积层塑性变形位置。

所述工作台17上方设有实时监控加热温度的温度传感器11，温度传感器11为非接触式的红外温度传感器，温度传感器11通过连杆机构10连接在运动机床上，实时监控加热温度。

如图1所示，本实施例中，塑性成形模块为液压辊压装置，液压辊压装置包括液压缸8-1、轧制加载装置8-2及轧辊8-3，轧制加载装置8-2和轧辊8-3构成所述塑性成形机构7，所述液压缸8-1设置在轧制加载装置8-2的上方，所述轧辊8-3连接在轧制加载装置8-2的下方。在液压缸的动力作用下，轧辊动作，对沉积层施力，从而实现热塑性成形。塑性成形模块及温度传感器与控制系统连接，通过控制协调控制，使激光加热模块与轧制塑性成形模块协同工作。

本发明电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置实施例2：

本实施例电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置的结构如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于，本实施例的塑性成形模块为超声波冲击装置，超声冲击装置包括超声波发生器9-1、超声换能器9-2和超声变幅杆9-3，超声换能器9-2与超声波发生器9-1通过电路连接，超声变幅杆9-3设置在超声波换能器9-2的下方，超声变幅杆9-3的下端设有夹持柄9-4，夹持柄9-4下部夹持有冲击工具头9-5，所述超声变幅杆9-3、夹持柄9-4和冲击工具头9-5构成所述塑性成形机构7。本实施例的其余结构均与实施例1相同，此处不再赘述。

本实施例将实施例1中的液压辊压装置替换为超声冲击装置，以满足不同的零件制造要求。本实施例是将超声冲击装置连接于运动机床上，在其它的实施例中也可以放置于六轴工业机器人末端，超声冲击装置的柔性化冲击变形模式可以满足各类复杂外形结构件的增材冲击复合制造。超声冲击是一种典型的塑性成形及强化工艺，超声换能器及变幅杆将超声波发生器的高频振动通过冲击工具头传递到工件表面形成塑性变形层。高频振动引起的塑性变形能有效破碎电弧增材过程形成的粗大柱状晶，增大材料内部的位错密度，细化组织，提升材料强度。通过六轴机器人调控激光头移动速度，确保激光头与超声冲击工具头移动速度一致，实现电弧沉积层均匀稳定热冲击变形。超声冲击及温度监控模块与控制系统连接，通过控制协同协调控制激光加热模块与超声冲击模块。

本实施例将激光辅助加热与超声冲击有机结合，通过激光加热降低难变形金属的变形抗力，通过超声能、热能及机械能交互作用，进一步提升变形渗透深度，从而提升材料性能及各向性能均匀性。另外，超声冲击会在材料表面形成残余压应力层，能显著消减电弧增材过程引入的有害残余拉应力，同时减小增材过程结构件翘曲变形。

本发明电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造方法的实施例：

本实施例中，基板选用GH4169高温合金板，其尺寸为300 mm×80 mm×6 mm，焊丝采用直径为1.2 mm的高温合金焊丝，采用冷金属过渡工艺（CMT）实现电弧增材，具体步骤如下：

（1）对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗表面。

（2）用夹具将基板固定在工作台上。

（3）通过电弧增材设备控制机构实现焊枪移动和送丝机的配合运动，实现电弧增材沉积，在基材表面形成电弧增材沉积层，本实施例中电弧增材制造过程中的主要工艺参数包括：焊接速度6 mm/s，单道焊缝宽度10 mm，送丝速度7m/min，焊枪底部到工件距离14mm，电弧增材过程中采用局部惰性气体保护装置，其中充满高纯度氩气，气体流量为15 L/min。

（4）调整激光头相对位置，使激光头的激光出口对准待加热区域的沉积层，具体是：通过PC机调整六轴机器人夹持的激光头位置，通过连杆机构调整非接触式的红外温度传感器的相对位置，使其均对准待加热区域。

（5）每完成一层或多层电弧沉积后，通过控制六轴机器人调整激光光斑直径为4mm，激光入射角度和工作台所夹角度为45°，激光功率为100 w，激光头移动速度为6 mm/s。设置加热温度为950℃，打开激光光闸，对沉积层指定位置进行激光辅助加热，并测定沉积层表面温度；当沉积层表面温度达到预定的热成形温度950℃时，启动塑性成形模块，使轧制机构动作，利用塑性成形机构（轧辊或冲击工具头）对沉积层表面进行轧制压缩变形，同时，使激光头与轧制机构在水平方向上保持同步运动，实现材料热变形。

步骤（5）中，塑性成形机构机构采用轧制加载装置和轧辊时，根据沉积层的沉积高度，通过轧制加载装置将轧制压下载荷设置为20 KN，轧辊采用H13工具钢，轧制速度6 mm/s，轧制结束后，将沉积层冷却到200℃以下。

（6）重复步骤（4）到（5），通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。

上述步骤中，各工艺参数仅是对本发明运行的一种优选的实施例，具体应用时，可以根据实际生产情况，灵活设置各工艺参数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例和优选实施方式，并非对本发明做任何形式上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其包括工作台和固定在工作台上的基板，工作台上方设有运动机床，基板上方设有连接在运动机床上的电弧增材模块和塑性成形模块，电弧增材模块包括焊枪和向焊枪送入焊丝的送丝机，塑性成形模块包括对基板表面的沉积层进行成形的塑性成形机构，其特征在于：所述基板上方位于塑性成形模块一侧设有对塑性成形机构下方的沉积层进行加热的激光加热模块，激光加热模块包括激光发生器和通过光纤与激光发生器连接的激光头，激光发生器上连接有稳压电源，激光头包括外壳，外壳一端设有光纤入口、另一端设有激光出口，外壳内设有准直镜和聚焦镜，激光出口朝向塑性成形机构下方的沉积层。

2.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述激光加热模块还包括机器人，机器人包括底座和机械臂，所述激光头夹持在机器人机械臂的末端。

3.根据权利要求2所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述的机器人采用六轴工业机器人，六轴工业机器人在PC机控制机的控制下运动。

4.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述激光发生器为YAG连续激光器，所述激光头发射的激光光斑直径为1~10mm，激光入射角度和工作台之间的水平夹角为0~80°，激光功率为50~500w，激光头移动速度为0~20mm/s。

5.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述激光头外壳上靠近准直镜的位置设有惰性气体进气孔，所述激光头外壳上靠近聚焦镜的位置上设有惰性气体出气孔。

6.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述激光发生器上连接有循环水冷系统，该循环水冷系统为内、外双循环水冷系统。

7.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述工作台上方设有实时监控加热温度的温度传感器，温度传感器为非接触式的红外温度传感器，温度传感器通过连杆机构连接在运动机床上。

8.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述塑性成形模块为液压辊压装置，液压辊压装置包括液压缸、轧制加载装置及轧辊，轧制加载装置和轧辊构成所述塑性成形机构，所述液压缸设置在轧制加载装置的上方，所述轧辊连接在轧制加载装置的下方。

9.根据权利要求1所述的电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置，其特征在于：所述塑性成形模块为超声波冲击装置，超声冲击装置包括超声波发生器、超声换能器和超声变幅杆，超声换能器与超声波发生器通过电路连接，超声变幅杆设置在超声波换能器的下方，超声变幅杆的下端设有夹持柄，夹持柄下部加持有冲击工具头，所述超声变幅杆、夹持柄和冲击工具头构成所述塑性成形机构。

10.一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造方法，包括以下步骤：（1）对基板表面打磨，并用丙酮试剂清洗基板表面；（2）用夹具将基板固定在工作台上；（3）然后通过控制焊枪和送丝机的配合运动，在基材表面形成电弧增材沉积层；其特征在于：所述电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造方法还包括以下步骤：（4）调整激光头相对位置，使激光头的激光出口对准待加热区域的沉积层；（5）每完成一层或者多层沉积后，打开激光光闸，对沉积层指定位置进行激光辅助加热，并测定沉积层表面温度，当沉积层表面温度达到预定的热成形温度时，启动塑性成形模块，使塑性成形机构动作，对沉积层表面进行塑性成形，同时，使激光头与塑性成形机构在水平方向上保持同步运动，实现单层材料热变形；重复步骤（4）和（5），通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。