一种电弧增材制造薄壁结构件的方法与流程

本发明涉及先进制造领域，尤其是一种结合激光预处理的电弧增材制造（waam）方法，用于制造具有高精度和优良表面质量的薄壁结构件。

背景技术：

1、增材制造（am）技术作为一种创新的制造方法，允许通过逐层堆积材料来构建零件和结构。这种方法提供了前所未有的设计自由度，能够制造出传统制造技术难以实现的复杂几何形状。在众多am技术中，电弧增材制造（waam）因其成本效益和操作简便性而受到工业界的广泛关注。waam利用电弧作为热源熔化填充线材，适用于多种材料，尤其是不锈钢316l等合金，这使得它在航空航天、汽车制造和生物医学等领域有着广泛的应用前景。

2、尽管waam技术具有诸多优势，但在制造薄壁结构时却面临着一系列挑战。主要问题包括熔池不稳定、残余应力、飞溅和结构变形等。这些因素导致waam难以精确控制薄壁结构的尺寸和质量，限制了其在高精度制造领域的应用。此外，waam过程中的高特征尺寸与其他精密增材制造技术（如选择性激光熔化slm和电子束增材制造ebam）相比显得较大，这进一步加剧了制造薄壁结构的困难。

3、为了解决上述问题，本发明提出了一种激光辅助的电弧增材制造（laser hybridwaam）方法，专门用于制造薄壁结构。该方法通过在waam沉积前对基底进行激光预热，改变了基底的表面能量状态，从而提高了熔池的稳定性和沉积过程的精确度。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种电弧增材制造薄壁结构件的方法，能解决传统waam技术在制造薄壁结构时遇到的挑战，如熔池不稳定、残余应力、飞溅和结构变形等问题。本发明通过引入激光预处理步骤，能显著提高了薄壁结构的制造精度和表面质量。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种电弧增材制造薄壁结构件的方法，具体包括：

3、s1：确定激光设置及参数，使用特定波长的连续光纤激光器，并设置合适的参数；

4、s2：将激光头发出的激光对准基底材料，实现基底材料的预热；

5、s3：激光头沿着所需成形的路径行走，实现这个成形路径的预热；

6、s4：通过多次往返预热，使得基底材料的沟槽深度和表面粗糙度达到预期效果；

7、s5：采用waam进行沉积，沿着所需成形路径进行行走；

8、s6：通过精确控制成形过程行走速度、电压电流参数、氩气流速、丝材进给速率等参数，实现薄壁结构的均匀沉积；

9、s7：重复s2-s6，知道整个薄壁结构完成成形；

10、s8：沉积完成后，对样品进行切割、热处理、加工，得到最终成形零件。

11、优选的，所述激光器的波长可以设置为1064nm，输出功率可以设置为60w，激光器的预热速度可以设置为10mm/s。

12、优选的，需要选择合适的基底材料，如低碳钢或不锈钢，以确保其适合激光预热及后续的电弧增材制造成形。

13、优选的，激光预热的区域，通常与电弧增材制造成形的区域一致。

14、优选的，激光预热过程包括：

15、根据预先实验得到的参数，设置激光功率、扫描速度和扫描次数，以实现所需沟槽深度和表面粗糙度；

16、激光按照预定的轨迹移动，逐层扫描基底，每次通过都会在表面形成微小的沟槽；

17、随着激光扫描次数的增加，沟槽的深度逐渐增加，表面粗糙度发生变化；

18、激光扫描的次数通常从20-200次不等，次数达到一定数量后表面粗糙度不会发生显著变化；

19、激光预热改变了基底材料的表面能量状态，通过减少表面粗糙度来改善润湿性。

20、优选的，waam过程使用特定的工艺参数，以使得在激光预热后的焊道表面沉积时能得到表面形貌良好、宽度很小的焊道。

21、优选的，预热后的基底表面为waam沉积提供了更好的条件，有助于熔池的稳定流动和减少飞溅。

22、优选的，激光预热完成后，可能需要对基底进行清洁，以去除任何由激光加工产生的碎屑或氧化物。

23、与现有技术相比，本申请的有益效果是：

24、1.提高制造精度：通过激光预热处理，本发明能够在waam过程中制造出更精确的薄壁结构。激光预热有助于控制熔池流动，从而实现更精细的特征尺寸，解决了传统waam在制造薄壁结构时遇到的高特征尺寸问题；

25、2.减少飞溅：激光预热改变了基底的表面粗糙度，提高了润湿性，使得熔池更容易流入预热区域。这种流动性的改进减少了在waam过程中产生的飞溅，从而提高了沉积效率和最终产品的质量；

26、3.改善微观结构：激光预热导致的高冷却速率有助于细化材料的微观结构。这种细化对于提高材料的力学性能，如硬度和强度，是非常有益的；

27、4.提升材料性能：由于激光预热引起的微观结构细化，最终产品的硬度和机械性能得到提升。这对于需要高性能材料的应用领域尤为重要；

28、5.扩展应用范围：本发明的激光预热辅助waam方法可以用于制造多孔结构、形状记忆合金夹持装置和复杂智能结构等，这些结构在传统waam技术中难以实现。

技术特征：

1.一种一种电弧增材制造薄壁结构件的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中激光器的波长设置为1064nm，输出功率设置为60w，激光器的预热速度设置为10mm/s。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中基底材料选自低碳钢或不锈钢。

4.根据权利要求1所述的方法，其中激光预热的区域与电弧增材制造成形的区域一致。

5.根据权利要求1所述的方法，其中激光预热过程进一步包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其中激光预热效果的核心包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其中waam过程使用特定的工艺参数，以使得在激光预热后的焊道表面沉积时能得到表面形貌良好、宽度很小的焊道。

8.根据权利要求1所述的方法，其中预热后的基底表面为waam沉积提供了更好的条件，有助于熔池的稳定流动和减少飞溅。

9.根据权利要求1所述的方法，其中激光预热完成后，可能需要对基底进行清洁，以去除任何由激光加工产生的碎屑或氧化物。

10.一种通过权利要求1至9任一所述方法制造的薄壁结构件，其特征在于壁厚可达约为2mm，且具有高精度和优良的表面质量。

技术总结本发明提供了一种改进的电弧增材制造（WAAM）方法，用于高效、高精度地制造薄壁结构。该方法通过激光预处理技术，优化了基底材料的表面特性，从而在后续的WAAM过程中实现了熔池的稳定流动和均匀沉积。激光预热步骤包括使用1064nm波长的连续光纤激光器，对基底进行精确扫描，以形成深度和粗糙度可控的沟槽。这一预处理显著提高了最终产品的表面质量和结构精度，解决了传统WAAM在制造薄壁结构时遇到的挑战。通过精确控制激光参数和WAAM沉积参数，本发明能够制造出壁厚约2mm的薄壁结构件，显著优于传统WAAM技术。此外，该方法还有助于减少飞溅、改善微观结构，提升材料的力学性能，扩展了WAAM技术在高精度制造领域的应用潜力。技术研发人员：唐尚勇,王华峰,王瑞,张永浩,姜旭,张晓蕾,刘杨受保护的技术使用者：华海智造（杭州）科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11