本发明提供了一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，属于增材制造领域。针对现有的铝合金激光填丝增材制造和电弧增材制造中存在的问题，如铝合金对激光的反射率高、电弧不稳定导致成形质量较差、热输入大导致成形件组织粗大等，本发明提出采用激光‑TIG复合热源，激光与电弧的相互作用，一方面可减小热输入，成形件组织细化、强度提高；另一方面激光可稳定电弧，使得多层多道成形过程中电弧更加稳定，优化搭接效果。本发明通过调整相邻焊道间电弧电流、层间电弧电流，降低连续成形过程中的热输入，得到的成形件外形尺寸稳定、晶粒细化，且相比控制层间温度及层间停留时间，成形效率显著提高。
1.一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，其特征在于，该方法基于下述结构实现，将预热装置(2)固定在数控系统工作台(1)上方，并将基板(3)固定在预热装置(2)上方，TIG焊枪(4)的轴线与水平面的夹角为45～70°，步骤如下：步骤1：采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式，激光光斑直径d为0.4mm～0.8mm，焊丝(7)的直径d1为0.8mm～3.0mm，将焊丝(7)端部送入激光光斑近焊丝(7)一侧边缘处，当焊丝(7)端部与基板(3)间竖直距离调整至0后，继续下压焊丝(7)的距离h满足0.3d1≥h≥0.1d1；
钨针(8)端部中心与激光光斑中心间水平距离S满足5d≥S≥d；初始激光功率密度选用1×
10W/cm～6×10W/cm；初始电弧电流I0设置为100A～200A，基板(3)预热温度设定为2I0℃≥H≥I0℃；
步骤2：进行单层多道成形，先启动电弧，2s～6s后再同时启动送丝、激光；将数控系统工作台(1)沿垂直扫描方向移动，以实现相邻焊道间的搭接；同层中初始激光功率密度设为
1×10W/cm ～6×10W/cm ，初始焊道电弧电流设为100A～200A，之后相邻焊道的激光功率密度相对于前一焊道逐道增加0W/cm2～105W/cm2，电弧电流相对于前一焊道逐道降低0A～
5A，直至第m道的激光功率密度增加至6×106W/cm2～8×106W/cm2以及电弧电流降至80A～
100A，第m+1道以后的激光功率密度和焊道电弧电流保持恒定；
步骤3：进行多层多道成形，第1层初始激光功率密度设为1×106W/cm2～6×106W/cm2，初始焊道电弧电流为100A～200A，之后每一层的初始焊道激光功率密度相对于前一层逐层增加0W/cm2～105W/cm2，电弧电流逐层降低0A～5A，直至第n层初始焊道激光功率密度增加至6×106W/cm2～8×106W/cm2以及电弧电流降至80A～100A，第n+1层以上的初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定，直至成形出需要的铝合金结构。
2.根据权利要求1所述的一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，其特征在于，步骤2中数控系统工作台(1)沿垂直扫描方向移动的距离L满足(0.032I0-1.29)mm≥L≥(0.028I0-1.12)mm。
一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法
技术领域
[0001] 本发明属于增材制造领域，涉及一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法。
背景技术
[0002] 铝合金是航空航天、交通运输等领域的重要轻质材料，随着轻量化制造的发展，铝合金结构的结构轻量化、性能复杂化成为一大发展趋势。增材制造是一种“自下而上”逐层累积的制造技术，制造灵活性高，用于增材制造的原材料有粉末和丝材两种。因丝材具有种类广泛、成本低廉、利用率高等优点，填丝式增材制造成为增材制造技术中的重要分支。
[0003] 中国专利CN 106392270 A公开了一种电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，本发明采用电弧为热源熔化铝合金丝材，可大幅降低生产成本、缩短生产周期，但电弧作为热源时热输入大，成形件变形大且晶粒粗大，强度随热输入的增大而降低。
[0004] 中国专利CN 107442941 A公开了一种铝合金双丝激光增材制造方法。本专利采用激光束同时熔化两根铝合金焊丝，激光熔化后置焊丝并形成熔池，前置焊丝利用熔池的能量进行熔化，充分利用了激光束能量。但使用激光作为热源时，因激光光斑直径较小，其对焊丝的刚直性和指向性要求较高，当焊丝过粗时，焊丝不能充分熔化，而当焊丝太细时，焊丝刚直性较差，焊丝因自身的弯曲、摆动会离开激光照射区，造成熔化不充分，这都将影响铝合金成形件的质量。且由于铝合金本身的物理性质，如对激光的反射率高、热导率高等，成形铝合金结构需要较大的热输入，而反射的激光对激光镜头危害极大。
[0005] 中国专利CN 106077978 A公开了一种等离子弧辅助MIG增材制造铝合金结构的方法。本专利采用等离子弧辅助MIG，既可以预热铝合金，又可以对铝合金表面进行重熔整形，且等离子弧的加入可降低热输入量和热影响区宽度，提高成形的可靠性。但等离子弧作为压缩后的电弧，其稳定性较差，与激光相比仍有一定差距。
[0006] 中国专利CN 107283061 A公开了一种激光-CMT焊接铝合金增材制造方法和成形系统。本发明采用激光-CMT复合热源，相比激光增材制造铝合金，降低了对激光功率的要求，成形困难得到很大程度的改善；相比电弧增材制造铝合金，改善了因热输入大、变形严重、熔池容易溢出或熔塌等问题。但本专利中采用恒定电流进行增材，成形过程中采用相同的层间温度，这使得成形效率大幅下降。
发明内容
[0007] 为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，可高质量、高效率地实现实体类铝合金结构的增材制造。
[0008] 本发明采用以下技术方案：
[0009] 一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，该方法基于下述结构实现，将预热装置固定在数控系统工作台上方，并将基板固定在预热装置上方，TIG焊枪的轴线与水平面的夹角为45～70°，步骤如下：
[0010] 步骤1：采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式，激光光斑直径d为0.4mm～0.8mm，焊丝的直径d1为0.8mm～3.0mm，将焊丝端部送入激光光斑近焊丝一侧边缘处，当焊丝端部与基板间竖直距离调整至0后，继续下压焊丝的距离h满足0.3d1≥h≥0.1d1；钨针端部中心与激光光斑中心间水平距离S满足5d≥S≥d；初始激光功率密度选用1×106W/cm2～6×106W/cm2；初始电弧电流I0设置为100A～200A，基板预热温度设定为2I0℃≥H≥I0℃；
[0011] 步骤2：进行单层多道成形，先启动电弧，2s～6s后再同时启动送丝、激光；将数控系统工作台沿垂直扫描方向移动，以实现相邻焊道间的搭接；同层中初始激光功率密度设为1×106W/cm2～6×106W/cm2，初始焊道电弧电流设为100A～200A，之后相邻焊道的激光功2 5 2
率密度相对于前一焊道逐道增加0W/cm ～10W/cm ，电弧电流相对于前一焊道逐道降低0A～5A，直至第m道的激光功率密度增加至6×106W/cm2～8×106W/cm2和电弧电流降至80A～
100A，第m+1道以后的激光功率密度和焊道电弧电流保持恒定；
[0012] 所述的步骤2中，数控系统工作台沿垂直扫描方向移动的距离L满足(0.032I0-1.29)mm≥L≥(0.028I0-1.12)mm；
[0013] 步骤3：进行多层多道成形，第1层初始激光功率密度设为1×106W/cm2～6×106W/cm2，初始焊道电弧电流为100A～200A，之后每一层的初始焊道激光功率密度相对于前一层逐层增加0W/cm2～105W/cm2，电弧电流逐层降低0A～5A，直至第n层初始焊道激光功率密度6 2 6 2
增加至6×10W/cm～8×10 W/cm 和电弧电流降至80A～100A，第n+1层以上的初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定，直至成形出需要的铝合金结构。
[0014] 本发明的有益效果：本发明采用填丝式增材制造实体类铝合金结构，采用激光-TIG复合热源，激光与电弧的相互作用，一方面可减小热输入，成形件组织细化、强度提高；另一方面激光可稳定电弧，使得多层多道成形过程中电弧更加稳定，优化搭接效果。本发明通过调整相邻焊道间电弧电流、层间电弧电流，降低连续成形过程中的热输入，得到的成形件外形尺寸稳定、晶粒细化，且相比控制层间温度及层间停留时间，成形效率显著提高。
附图说明
[0015] 图1所示为激光-电弧复合热源增材制造实体类铝合金结构的示意图。
[0016] 图中：1数控系统工作台；2预热装置；3基板；4TIG焊枪；5激光束；6送丝嘴；7焊丝；8钨针。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图以及实施例对本发明做进一步详细描述。
[0018] 一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，该制造方法基于下述结构实现，采用厚度为15mm的6061铝合金基板3，对其进行机械打磨并使用无水乙醇清理；将预热装置2固定在数控系统工作台1上方，并将基板3固定在预热装置2上方，激光偏转5°，离焦量为-
1.0mm，TIG焊枪4的轴线与水平面夹角为50°，钨针8端部的高度为2.0mm，送丝嘴6的轴线与水平面夹角为10°，焊丝7选用ER4043。步骤如下：
[0019] 步骤1：采用激光-TIG复合热源和前置送丝方式，激光光斑直径d为0.6mm，焊丝直径d1为1.2mm，将焊丝端部送入激光光斑近焊丝一侧边缘，焊丝端部与基板3间竖直距离调整至0后，继续下压焊丝的距离h满足0.15mm，钨针8端部中心与激光光斑中心间水平距离S调整为2.0mm；将激光功率密度设为2×106W/cm2，初始电弧电流I0设置为150A，基板3预热温度设定为200℃；
[0020] 步骤2：进行成形工作时，先启动电弧，4s后再同时启动送丝、激光；进行单层多道成形，数控系统工作台1沿垂直扫描方向移动的距离L为3.216mm以实现相邻焊道间的搭接，初始焊道激光功率密度为2×106W/cm2，电弧电流为150A，相邻焊道搭接过程中激光功率密度相对于前一焊道逐道增加3×104W/cm2，电弧电流逐道降低5A，直至电弧电流降至80A，之后保持恒定的激光功率密度和电弧电流；其中，扫描速度为250mm/min，送丝速度为1000mm/min，保护气体采用氩气，流量为15L/min；
[0021] 步骤3：进行多层多道成形，第1层初始焊道的激光功率密度为2×106W/cm2，电弧电流为150A，之后初始焊道激光功率密度逐层降低3×104W/cm2，电弧电流逐层降低5A，直至第15层初始焊道电弧电流降至80A，并使第16层至第30层初始焊道激光功率密度和电弧电流保持恒定。
