一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法和装置

摘要

本发明公开了一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法，包括以下步骤：1)通过控制电弧焊接装置移动并熔积金属，形成焊层；2)通过温度传感器对焊层的电弧熔积金属区域的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的电弧熔积金属区域进行同步冲击锻打；3)重复步骤2)和3)，焊层逐层堆叠形成工件。还提供了一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造装置。本发明具在零件制造过程中细化金属晶粒和优化显微组织，避免普通电弧增材制造成型金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属零件的综合机械力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法和装置，尤其是指一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法和装置。

背景技术

区别于传统的“去除型”制造，“增材制造”不需要原胚和模具，基于计算机图形数据，通过增添材料的方法生成任何形状的物体。与传统制造方法相比，可高效率、低成本成形高性能复杂难加工零件，因此在航空航天、汽车、模具、生物医疗等高端制造领域具有广阔的应用前景。根据载能束的区别，金属增材制造可分为激光、电子束和电弧三类。电弧增材制造技术适于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形，是与目前发展较成熟的激光、电子束增材制造方法优势互补的增材成形技术。

电弧增材制造过程是通过高温液态金属熔滴搭接向成形件表面平稳过渡的方式逐层累积焊层而形成三维实体零件的，随着堆焊层数的增加，已成形表面层受到移动热源往复热作用，成形件热积累增大，散热条件变差，零件截面不同部位传热效率不同，芯部材料冷却慢，表层材料冷却较快，在这种条件下移动熔池的快速凝固收缩、循环加热及非均匀冷却下的非平衡固态相变过程中，零件内产生复杂热应力、应力集中和变形，严重影响零几何尺寸和力学性能，导致零件严重翘曲变形和开裂。另外，工艺参数、外部环境和熔池状态的变化都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松等。这些内部缺陷是承力结构件致命的疲劳萌生源，其影响最终成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。因此，如何在通过金属增材制造金属零件时，尽量避免气孔、未融合和缩松等缺陷问题，同时提高成形零件的机械力学性能，是本领域技术人员亟待解决的问题。

中国专利CN 103305828 A一种超声冲击强化激光熔覆层的装置及其方法，首先采用第一束激光对金属粉末进行熔敷，一道激光熔敷层制备完成后，再利用超声枪对激光熔覆层进行超声冲击，如此交替，完成零件制备。金属材料在再结晶温度时具有良好的塑形，该方法的本质是一道熔敷层完全凝固，冷却至再结晶温度之下才开始进行超声冲击强化，此时熔敷层中已经产生的冷裂纹的消除几乎不起作用，且同一熔敷层不同位置的温度完全不同，采用超声冲击处理时难以实现提升机械性能和消除残余应力的均匀化处理。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述问题，提供一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法，该方法能优化金属零件材料显微组织，避免气孔、未融合和缩松等内部缺陷的产生，同时提高金属零件的机械力学性能。

本发明的目的之二在于提供一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造装置。该装置能实现对零件进行电弧熔积激光冲击锻打，而高效、高质量和稳定可靠地完成“锻打约束”成形。

本发明的目的之一可采用以下技术方案来达到：

一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法，包括以下步骤：

1)通过控制电弧焊接装置移动并熔积金属，形成焊层；

2)通过温度传感器对焊层的电弧熔积金属区域的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的电弧熔积金属区域进行同步冲击锻打；

3)重复步骤2)和3)，焊层逐层堆叠形成工件；

其中，步骤2的具体内容为：通过红外热成像仪对电弧熔积金属区域的温度进行数据采集并发送到控制器；当电弧熔积金属区域的温度冷却至再结晶温度时，激光发生器的脉冲激光对焊层进行冲击锻打；当电弧熔积金属区域的温度过高/过低，则控制器输出控制信号到电弧焊接装置，降低/提高电弧焊接装置的输入功率，形成闭环控制；

控制器根据焊层的厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，并且根据焊层宽度确定激光锻打频率和光斑值，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的焊层的电弧熔积金属区域进行同步冲击锻打；然后控制器通过光束质量检测装置对激光进行数据采集，并且控制器输出控制信号对激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑值进行反馈调节；

控制器控制电弧焊接装置的送丝速度而控制焊层的厚度和宽度，焊层的厚度和宽度不能超过激光发生器的锻打能力；并且当送丝速度超过/未达到电弧熔积金属处理量时，则提高/降低电弧熔积金属形成焊层的速度，同时提高/降低激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑的值。

本发明的目的之二可采用以下技术方案来达到：

一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造装置，包括控制器、工作台和设于工作台上方的温度传感器、电弧焊接装置和激光发生器，所述电弧焊接装置的焊接端和激光发生器正对于工作台设置，通过控制电弧焊接装置移动并熔积金属，形成焊层；所述控制器通过温度传感器对焊层的电弧熔积金属区域的温度进行检测，所述控制器的输出端与所述电弧焊接装置和激光发生器电连接。

控制器通过焊接系统对电弧焊接装置的送丝速度进行检测和控制。

控制器通过光束质量检测装置对激光进行数据采集，并且控制器输出控制信号到激光发生器而控制激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑的值。

所述温度传感器为红外线传感器。

所述控制器为单片机或PLC。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明在工作时，电弧焊接装置在工作台上进行电弧熔积金属形成焊层，同时控制器通过温度传感器对电弧熔积金属区域的温度进行检测，然后控制器输出控制信号控制电弧焊接装置的输出功率，使电弧熔积金属区域的温度处于易塑性形变温度区间。并且控制器控制激光发生器对电弧熔积金属区域的焊层进行同步冲击锻打，在零件制造过程中细化金属晶粒和优化显微组织，避免普通电弧增材制造成型金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属零件的综合机械力学性能。并且在电弧熔积金属丝材形成焊层的同时，通过精确控制脉冲激光发生器的冲击波对易塑性形变温度区焊层进行同步冲击锻打，实现在同一个工序中高效、高质量地完成“锻打约束”成形的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法的流程框图。

图2是本发明电弧熔积激光冲击锻打增材制造装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1和图2，本实施例涉及零件与模具的熔积成形激光冲击锻打制造方法，包括以下步骤：

1)通过控制电弧焊接装置1移动并熔积金属，形成焊层2；

2)通过温度传感器3对焊层2的电弧熔积金属区域的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器4，控制器4控制激光发生器5对处于易塑性形变温度的电弧熔积金属区域进行同步冲击锻打；

3)重复步骤2)和3)，焊层2逐层堆叠形成工件。

所述电弧熔积金属区域的温度通过红外热成像仪(温度传感器3)被采集数据并发送到控制器4；当电弧熔积金属区域的温度冷却至再结晶温度时，激光发生器5的脉冲激光对焊层2进行冲击锻打；当电弧熔积金属区域的温度过高/过低，则控制器4输出控制信号到电弧焊接装置1，降低/提高电弧焊接装置1的输入功率，直到电弧熔积金属区域的温度处于易塑性形变温度，形成闭环控制。。

控制器4根据焊层2的厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，并且根据焊层2宽度确定激光锻打频率和光斑值，控制器4控制激光发生器5对处于易塑性形变温度的焊层2的电弧熔积金属区域的进行同步冲击锻打；然后控制器4通过光束质量检测装置对激光进行数据采集，并且控制器4输出控制信号对激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑值进行反馈调节。

在步骤1)中电弧熔积金属形成焊层2，同时精确控制脉冲激光发生器5的冲击波对处于易塑性形变温度区的焊层2进行同步冲击锻打；焊层2逐层堆叠形成工件。

在步骤2)中，电弧熔积金属区域的温度由红外热成像仪采集进行在线监测与控制，当电弧熔积金属区域处于最适合金属塑性形变温度区间时，脉冲激光利用冲击波力学效应对焊层2表面进行同步冲击锻打；如果温度过高/过低导致金属熔积区间温度偏移易塑性形变温度区时，则降低/提高焊接热输入，因为焊接热输入等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值，即降低/ 提高电弧电压和焊接电流，提高/降低焊接速度，形成闭环控制；

对于激光发生器5的激光参数由光束质量检测仪器或装置在线监测与控制，根据焊层2厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，使当前焊层2深度材料获得充分锻打透彻；并根据焊层2宽度确定脉冲激光锻打频率和光斑大小，确保激光冲击锻打移动速度与电弧熔积金属形成焊层2速度相匹配，并保证锻打区温度始终处于易塑性形变温度区间内；如焊厚度/宽度超出脉冲激光处理极限，则降低电弧熔积金属形成焊层2的速度，形成闭环控制。

控制器4控制电弧焊接装置1的送丝速度而控制焊层2的厚度和宽度，焊层2的厚度和宽度不能超过激光发生器5的锻打能力；并且当送丝速度超过/未达到电弧熔积金属处理量时，则提高/降低电弧熔积金属形成焊层2的速度，同时提高/降低激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑的值。

送丝速度由焊接系统在线监测与控制，送丝速度影响电弧熔积金属形成焊层2的厚度和宽度，同时影响焊层2形成速度和激光冲击锻打参数；如送丝速度超过/未达到电弧熔积金属处理量，则提高/降低电弧熔积金属形成焊层2的速度，同时提高/降低脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小，形成闭环控制。

在制造过程中细化金属晶粒和优化显微组织，避免普通电弧增材制造成型金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属零件的综合机械力学性能。并且在电弧熔积金属丝材形成焊层2的同时，通过精确控制脉冲激光发生器5的冲击波对处于易塑性形变温度的焊层2进行同步冲击锻打，实现在同一个工序中高效、高质量地完成“锻打约束”成形的目的。

本发明的目的之二可采用以下技术方案来达到：

一种电弧熔积激光冲击锻打增材制造装置，包括控制器4、工作台和设于工作台上方的温度传感器3、电弧焊接装置1和激光发生器5，所述电弧焊接装置 1的焊接端和激光发生器5正对于工作台设置，通过控制电弧焊接装置1移动并熔积金属，形成焊层2；所述控制器4通过温度传感器3对焊层2的电弧熔积金属区域的温度进行检测，所述控制器4的输出端与所述电弧焊接装置1和激光发生器5电连接。所述控制器4为单片机或PLC。

在工作时，电弧焊接装置1在工作台上进行电弧熔积金属形成焊层2，同时控制器4通过温度传感器3对电弧熔积金属区域的温度进行检测，然后控制器4 输出控制信号控制电弧焊接装置1的输出功率，使电弧熔积金属区域的温度处于易塑性形变温度区间。并且控制器4控制激光发生器5对电弧熔积金属区域的焊层2进行同步冲击锻打，在零件制造过程中细化金属晶粒和优化显微组织，避免普通电弧增材制造成型金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属零件的综合机械力学性能。并且在电弧熔积金属丝材形成焊层2的同时，通过精确控制脉冲激光发生器5的冲击波对处于易塑性形变温度的焊层2进行同步冲击锻打，实现在同一个工序中高效、高质量地完成“锻打约束”成形的目的。

控制器4通过焊接系统对电弧焊接装置1的送丝速度进行检测和控制。送丝速度由焊接系统在线监测与控制，送丝速度影响电弧熔积金属形成焊层2的厚度和宽度，同时影响焊层2形成速度和激光冲击锻打参数；如送丝速度超过/ 未达到电弧熔积金属处理量，则提高/降低电弧熔积金属形成焊层2的速度，同时提高/降低脉冲激光冲击锻打脉冲宽度、锻打频率和光斑大小，形成闭环控制。

控制器4通过光束质量检测装置对激光进行数据采集，并且控制器4输出控制信号到激光发生器5而控制激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑的值。对于激光发生器5的激光参数由光束质量检测仪器或装置在线监测与控制，根据焊层2厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，使当前焊层2深度材料获得充分锻打透彻；并根据焊层2宽度确定脉冲激光锻打频率和光斑大小，确保激光冲击锻打移动速度与电弧熔积金属形成焊层2速度相匹配，并保证锻打区温度始终处于金属最佳塑形变形的温度区间内；如焊厚度/宽度超出脉冲激光处理极限，则降低电弧熔积金属形成焊层2的速度，形成闭环控制。

所述温度传感器3为红外线传感器。当然，其它能对电弧熔积金属区域的温度进行检测的传感器也适用于本结构。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。