一種基于激光增材制造技術(shù)的激光連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激光增材制造技術(shù)的激光連接方法，屬于材料加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造技術(shù)的概念最早提出是在20世紀(jì)70年代末到80年代初，其中包含選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)、分層實(shí)體制造法(Laminated ObjectManufacturing, LOM)等幾十種成型工藝，美國(guó)《時(shí)代》周刊將增材制造技術(shù)列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”;英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為“增材制造技術(shù)將推動(dòng)第三次工業(yè)革命，還將改變生產(chǎn)組織模式”。世界科技強(qiáng)國(guó)和新興國(guó)家都將增材制造技術(shù)作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)加以培育和支持，以搶占未來(lái)科技產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。2014年增材制造設(shè)備與服務(wù)全球直接產(chǎn)值為41.03億美元，增長(zhǎng)率為35.2 %，經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，美國(guó)成為增材制造領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，中國(guó)自20世紀(jì)90年代初開始發(fā)展，目前我國(guó)在金屬零件直接制造技術(shù)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
[0003]激光增材制造技術(shù)是能夠?qū)崿F(xiàn)高性能致密金屬零件的無(wú)模塊快速近終成形，是現(xiàn)代材料技術(shù)、激光技術(shù)和快速原型制造技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)，有可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，減少加工工序，縮短加工周期，近凈成形等優(yōu)勢(shì)。
[0004]目前該技術(shù)在零件制造以及修復(fù)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，但在材料連接領(lǐng)域就筆者而言并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究報(bào)道。目前在材料連接領(lǐng)域，如異種材料連接領(lǐng)域，異種材料連接結(jié)構(gòu)就是兩種不同的材料(包括兩種金屬、金屬與非金屬、復(fù)合材料、化合物等)，通過(guò)一定工藝條件連接到一起，形成一個(gè)完整的具有一定使用性能的結(jié)構(gòu)，其良好的綜合性能，在航空航天、空間技術(shù)、核工業(yè)、微電子、汽車、石油化工等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。但由于異種材料的物理、化學(xué)及力學(xué)性能方面存在著巨大的差異，對(duì)連接方法要求比較苛刻，存在:冶金不相容性，界面形成脆性化合物相，由于熱物理性能不匹配產(chǎn)生殘余應(yīng)力，力學(xué)性能差異巨大導(dǎo)致連接界面力學(xué)失配，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力奇異行為等；這些問(wèn)題使得異種材料的連接存在困難，而且影響接頭組織、性能和力學(xué)行為，結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性會(huì)受到嚴(yán)重影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述存在的問(wèn)題，而提供提供一種內(nèi)部質(zhì)量缺陷少、材料利用率高、性能優(yōu)異的材料連接接頭的工藝方法；即一種基于激光增材制造技術(shù)的激光連接方法。
[0006]本實(shí)施方式的一種基于激光增材制造技術(shù)的激光連接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0007]—、在焊接前將待焊工件的待焊接部位進(jìn)行坡口加工，同時(shí)對(duì)加工后的坡口及工件表面進(jìn)行打磨及清洗，將打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；
[0008]二、在采用旁軸送粉的基于激光増材制造連接過(guò)程中，利用夾具將激光頭與旁軸送粉工作頭固定在共同作用的待連接區(qū)域上，調(diào)整送粉頭與豎直方向夾角至10°?80° ;
[0009]若待連接材料為對(duì)激光無(wú)反射的材料，則保持激光頭與待焊接工件垂直設(shè)置，調(diào)整旁軸送粉工作頭與激光頭夾角至10°?80°，并使送粉噴嘴距離激光焦平面的距離為2 ?20mm ;
[0010]若待連接材料為對(duì)激光有反射的材料，則調(diào)整激光束與待焊接工件豎直線夾角至5?20°，并調(diào)整旁軸送粉工作頭與激光頭夾角至10°?80°，并使送粉噴嘴距離激光焦平面的距離為2?20mm ；
[0011]三、設(shè)置激光增材制造工藝參數(shù):激光光斑直徑為1?6mm，離焦量為_5?+5mm，激光功率為400?10000W，掃描速度為5?40mm/s，粉末直徑為20?100 μ m，送粉速率為2?20g/min，分層厚度0.5?5mm，掃描間距為1?4mm，保護(hù)氣為惰性氣體，保護(hù)氣流量為5 ?30L/min ；
[0012]四、采用機(jī)器人集成系統(tǒng)運(yùn)行步驟三中的焊接工藝參數(shù)，激光頭與送粉頭由計(jì)算機(jī)控制，由激光頭和送粉頭共同運(yùn)動(dòng)完成材料連接過(guò)程；或若激光頭未裝載在機(jī)械臂上，則采用機(jī)床控制待焊接工件的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料的連接過(guò)程；即完成所述的基于激光增材制造技術(shù)的激光連接過(guò)程。
[0013]本發(fā)明焊接方法的原理如下:
[0014]基于增材制造的連接方法，關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)一定形狀的坡口，利用激光沉積的方法在兩個(gè)連接材料的焊縫之間根據(jù)激光増材制造的原理，通過(guò)逐層堆積的方法形成一個(gè)類似于兩母材之間焊縫形狀的新材料，利用所形成的新材料來(lái)連接兩母材的新方法；也就是利用激光、添加粉末、母材三者之間的相互作用，最終將材料連接起來(lái)的一種方法，其方法示意圖如圖1所示。連接前，需要用機(jī)加工等方法對(duì)材料根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行坡口處理；進(jìn)行粉末的配比，根據(jù)母材材料的不同配比不同的粉末，一般來(lái)講，粉末成分應(yīng)與母材成分匹配，但不限于此，對(duì)于要求特殊的接頭可以進(jìn)行新型粉末配比成分的開發(fā)研究；掃描路徑的規(guī)劃，根據(jù)坡口形狀的不同進(jìn)行激光掃描路徑的規(guī)劃，確定一個(gè)合理的規(guī)劃路徑；在連接過(guò)程中，將激光按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行掃描，并將填充材料逐層累加并最終形成性能優(yōu)異的連接接頭。
[0015]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0016]1、本發(fā)明是根據(jù)激光增材制造原理，按照事先規(guī)劃的掃描路徑，利用激光熱源將添加的粉末熔化并逐層堆積，并變換激光增材制造連接接頭不同層間加工工藝參數(shù)，能夠控制連接接頭內(nèi)部的缺陷，保證其內(nèi)部質(zhì)量，最終在同種材料或異種材料之間連接處，形成性能可靠的連接接頭。
[0017]2、異種材料的連接過(guò)程中，容易出現(xiàn)元素?zé)龘p、金屬間化合物等，采用本發(fā)明的方法可以通過(guò)對(duì)粉末成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)在連接過(guò)程中出現(xiàn)的元素?zé)龘p等問(wèn)題，提高連接質(zhì)量，并可以通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)焊縫中金屬間化合物的控制。
[0018]本發(fā)明可通過(guò)對(duì)粉末種類及成分的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的定制，滿足不同使用要求。針對(duì)材料連接接頭所面臨的服役環(huán)境的不同，可以通過(guò)對(duì)添加粉末的種類及配比進(jìn)行設(shè)計(jì)，極大地提高了連接接頭針對(duì)不同服役條件下所需性能的可調(diào)性。
[0019]3、采用激光為熱源的增材制造技術(shù)，具有較高的加熱和冷卻速度，能夠精確的控制焊接熱輸入與光斑加熱位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料連接過(guò)程中產(chǎn)生的脆性反應(yīng)層的控制。
[0020]本發(fā)明提出的基于激光增材制造的連接方法，由于是采用逐層堆積的方法，每層材料的厚度非常薄，因此，可以通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)材料連接接頭內(nèi)部氣孔、裂紋等缺陷的控制，尤其針對(duì)異種材料連接容易出現(xiàn)金屬間化合物等脆性相的問(wèn)題，也可通過(guò)本發(fā)明的方法，對(duì)脆性相的厚度及分布進(jìn)行控制。
[0021]4、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行材料的連接，可以實(shí)現(xiàn)近凈成形，極大地節(jié)省材料，降低成本。制造方法柔性程度高，在工藝成熟的前提下，可以實(shí)現(xiàn)多品種材料連接過(guò)程的快速轉(zhuǎn)換。
[0022]本發(fā)明的方法自動(dòng)化程度高、易操作，本發(fā)明采用的連接系統(tǒng)以光纖激光器、YAG固體激光器、半導(dǎo)體激光器或C02激光器為核心，并輔以送粉裝置、保護(hù)氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，可實(shí)現(xiàn)全程計(jì)算機(jī)控制，操作步驟簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明采用同軸送粉的基于增材制造的激光填粉焊接示意圖；其中1為激光頭，2為同軸送粉，3為母材，4為沉積層；
[0024]圖2為本發(fā)明采用旁軸送粉的基于增材制造的激光填粉焊接示意圖；其中1為激光頭，5為旁軸送粉，3為母材，4為沉積層；
[0025]圖3為實(shí)施例1連接的接頭的截面形貌圖；
[0026]圖4為實(shí)施例2單激光連接的接頭的截面形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種基于激光增材制造技術(shù)的激光連接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0028]—、在焊接前將待焊工件的待焊接部位進(jìn)行坡口加工，同時(shí)對(duì)加工后的坡口及工件表面進(jìn)行打磨及清洗，將打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；
[0029]二、在采用旁軸送粉的基于激光増材制造連接過(guò)程中，利用夾具將激光頭與旁軸送粉工作頭固定在共同作用的待連接區(qū)域上，調(diào)整送粉頭與豎直方向夾角至10°?80° ;