一种空天铝合金构件激光电弧层间力学调控复合制造方法

技术领域

本发明涉及激光电弧增材制造领域，特指一种空天铝合金构件激光电弧层间力学调控复合制造方法。

背景技术

超高强铝合金是当前航空航天承力结构应用最为广泛轻质材料，随着航空航天装备高承载、高机动发展需求，高效高质超高强铝合金新型结构是其发展的关键。WAAM效率较高，制造尺寸柔性大，优势显著，但超高强铝合金WAAM制造效率与成形性能无法匹配，柱状晶及组织不均匀、析出相破坏和宏微观裂纹等缺陷造成强韧不足，限制了其在工程中的应用。

增材制造是未来航空航天结构创新设计和快速制造的变革性技术，由于其具有优秀的“小域成形-逐层累加”特点，通过逐层堆叠离散材料的方法，实现复杂构件的快速制造。主要包括激光选区熔化(SLM)、激光沉积制造(LDM)和电弧熔丝增材制造(WAAM)等方式，其中LDM、WAAM制造效率高，尺寸限制小，对于大型结构件制造有显著优势，已成为航空航天大型结构件制造的主要途径。尽管LDM和WAAM技术在航空航天关键构件高性能制造上得到了广泛应用且成效显著，但单一能场增材制造技术还不能满足严苛服役环境下航空航天关键构件疲劳、磨损、腐蚀等性能/功能的重大需求，并且大尺寸增材构件效率还较低，严重影响了我国航空航天制造业的发展，迫切需要超高强大尺寸金属结构高效高质整体制造新原理、新方法和新工艺。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种空天铝合金构件激光电弧层间力学调控复合制造方法。针对超高强铝合金沉积成形效率较低、气孔缺陷较多、晶粒不均匀等问题，首先将定域可控脉冲激光作为热源之一，与电弧复合熔化铝合金丝材，增加液态熔池激光吸收率和利用率，从而降低凝固速率，减小温度梯度，实现增材过程中激光与电弧的精准耦合调控；其次，在沉积层在动态再结晶温度区域同步采用层间超声滚压处理，有效细化表层粗晶，显著降低表面粗糙度。本发明采用激光+电弧+丝材联合控制方法，不仅可以提高铝合金沉积效率，减少易开裂、组织粗大、元素偏析以及气孔等缺陷，调控凝固组织状态，层间超声滚压实现整体近等轴化与表层纳米化，进一步消除沉积层冶金缺陷，从而同步提升超高强铝合金的强度和韧性。

本发明采用的技术方案如下：

(1)对高强铝合金基板表面进行打磨以消除氧化层并进行脱脂和乙醇清洗，然后将其固定到工作平台上，通电预热高强铝合金基板；

(2)利用CMT电弧增材机械臂带动焊枪在冷金属过渡一元化程序控制下进行增材制造，设置关键工艺参数，其中峰值电流为120A、焊枪的进给速度0.3m/min、送丝速度7.2mm/min、平均电压约为13V、气体流速为20L/min,采用99.99％的纯氩气作为保护气体保护沉积层；

(3)激光热源和电弧热源同时开启后再进行增材制造，激光热源和电弧热源同步加热，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中通过电弧热源进行预热，电弧热源用来熔化焊丝，激光热源是在熔化过程中加热熔池局部，细化晶粒，控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成沉积层；

(4)在激光-电弧增材与层间超声滚压强化之间预设一定的时间间隔t，t与熔池温度满足如下关系式：

其中u是熔池温度，t是时间间隔，r是移动方向坐标，z是垂直方向坐标，上下标l，s，m分别表示液相区、固相区及固液共存区，a为导温系数，ρ是超高强铝合金材料密度，K为导热系数，Q是熔化潜热，T

(5)单层超声滚压结束后，重复步骤(3)，继续激光-电弧增材沉积超高强铝合金沉积层；然后再在激光-电弧增材开始的时间t后实施单层超声滚压，即步骤(4)；

(6)整个过程持续步骤(3)和步骤(4)，实现层间超声滚压辅助激光-电弧增材超高强铝合金。

本发明的有益效果：

(1)采用电弧与脉冲激光耦合，复合增材制造，可以显著提高铝合金沉积效率；

(2)利用脉冲激光对液态熔池的搅拌作用，改善熔池流动特征，减少易开裂、组织粗大、元素偏析以及气孔等缺陷，调控凝固组织状态；

(3)同步层间超声滚压显著细化表层粗晶、改变应力状态，优化工艺参数可以实现整体近等轴化，同步提高抗拉强度和韧性，并且实现表层纳米化和显著降低表面粗糙度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为层间超声滚压辅助激光-电弧增材超高强铝合金工艺简图。

图2为直接电弧增材、激光-电弧增材、激光-电弧增材层间超声滚压复合制造三种沉积模式下的超高强铝合金构件内部的孔隙率对比。

图3为超高强铝合金激光-电弧增材层间超声滚压复合制造工艺对微观组织的作用对比。

表1为直接电弧增材、激光-电弧增材、激光-电弧增材层间超声滚压复合制造三种沉积模式下的超高强铝合金晶粒尺寸统计。

表2为超高强铝合金直接电弧增材、激光-电弧增材、激光-电弧增材层间超声滚压复合制造三种沉积模式下拉伸试样的极限抗拉强度和延伸率对比。

上述图中：1:同轴送丝电弧头；2:保护气体；3:脉冲激光；4:超声滚压头；5:7075铝合金；6：基板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

实施例一

本实施例选用轧制过的7075铝合金基板，尺寸为500mm×60mm×15mm,焊丝选用直径0.8mm的7075超高强铝合金焊丝，本实施例涉及激光-电弧增材层间超声滚压复合制造方法,包括以下步骤：

(1)对基板6表面进行打磨以消除氧化层并进行脱脂和乙醇清洗，基板6通过夹具固定在焊接工作台上，通电预热基板6；

(2)利用电弧增材机械臂带动焊枪在冷金属过渡一元化程序控制下进行增材制造，设置关键工艺参数，其中峰值电流为120A、焊枪的进给速度0.3m/min、送丝速度7.2mm/min、平均电压约为13V、气体流速为20L/min,同时采用99.99％的纯氩气作为保护气体2保护沉积层；

(3)脉冲激光3热源和同轴送丝电弧头1同时开启，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中通过电弧热源进行预热，电弧热源用来熔化焊丝，激光热源是在熔化过程中加热熔池局部，细化晶粒，控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成7075铝合金5沉积层；

(4)沉积层中间位置熔池最高温度为～1835℃，7075铝合金动态再结晶温度范围是550.5-734℃，根据关系式计算得出平均冷却速率为30.4℃/s，由此得出时间间隔t范围是18-24秒，故设本次实验时间间隔为20秒，即在激光-电弧增材开始的20秒时间后，超声强化装置上的旋转机构带动超声滚压头旋转，转速设定在400r/min，超声强化装置上的移动机构带动旋转机构上下移动，从而带动超声滚压头的旋转和移动；超声滚压头的直径采用10mm，输出振幅为20μm，超声滚压头与超高强铝合金构件表面配合，并沿着构件表面进行滚动，设置滚轮的滚压载荷为70kN，施加纵向20kHz的高频冲击振动，从而强化表面；

(5)整个过程持续步骤3)和4)，实现层间超声滚压辅助激光-电弧增材超高强铝合金5沉积层。

实施例二

本实施例选用轧制过的7075铝合金基板，尺寸为500mm×60mm×15mm,焊丝选用直径0.8mm的7075超高强铝合金焊丝，本实施例涉及直接电弧增材制造方法,包括以下步骤：

(1)对基板6表面进行打磨以消除氧化层并进行脱脂和乙醇清洗，基板6通过夹具固定在焊接工作台上，通电预热基板；

(2)利用电弧增材机械臂带动焊枪在冷金属过渡一元化程序控制下进行增材制造，设置关键工艺参数，其中峰值电流为120A、焊枪的进给速度0.3m/min、送丝速度7.2mm/min、平均电压约为13V、气体流速为20L/min,同时采用99.99％的纯氩气作为保护气体2保护沉积层；

(3)开启同轴送丝电弧头1，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中通过电弧热源预热，控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成7075铝合金5沉积层。

实施例三

本实施例选用轧制过的7075铝合金基板，尺寸为500mm×60mm×15mm,焊丝选用直径0.8mm的7075超高强铝合金焊丝，本实施例涉及激光-电弧增材制造方法,包括以下步骤：

(1)对基板6表面进行打磨以消除氧化层并进行脱脂和乙醇清洗，基板6通过夹具固定在焊接工作台上，通电预热基板6；

(2)利用电弧增材机械臂带动焊枪在冷金属过渡一元化程序控制下进行增材制造，设置关键工艺参数，其中峰值电流为120A、焊枪的进给速度0.3m/min、送丝速度7.2mm/min、平均电压约为13V、气体流速为20L/min,同时采用99.99％的纯氩气作为保护气体2保护沉积层；

(3)脉冲激光3热源和同轴送丝电弧头1同时开启后开始沉积制造，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中通过电弧热源进行预热，电弧热源用来熔化焊丝，激光热源是在熔化过程中加热熔池局部，细化晶粒，控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成7075铝合金5沉积层。

在层间超声滚压辅助激光-电弧增材制造过程中，结合脉冲激光的供热作用和对熔池的搅动行为，不仅可以降低熔池凝固速率，减少孔洞缺陷；还能实现增材过程中激光与电弧的精准耦合调控，提高成形效率。其次，基于超高强铝合金的熔池冷却速率及动态再结晶温度范围，在激光-电弧增材和层间超声滚压强化过程中预设一定的时间间隔，可以进一步促进表层晶粒细化，从而提升整体近等轴化及表面纳米化，从而提升构件的强韧性。

图2表征了直接电弧增材、激光-电弧增材、激光-电弧增材层间超声滚压复合制造三种工艺下的孔洞缺陷与孔隙率，可以发现相较于前两种工艺，激光-电弧增材层间超声滚压复合制造的7075铝合金内部致密度高，几乎没有缺陷；而直接电弧增材和激光-电弧增材下的内部微观组织都存在多个孔洞缺陷。

图3表征了激光-电弧增材层间超声滚压复合制造工艺对微观组织的作用，可以发现未采用激光-电弧增材层间超声滚压复合制造工艺的7075铝合金微观组织多以粗大的柱状晶为主，而激光-电弧增材层间超声滚压复合制造工艺细化了粗晶，微观结构发生了柱状晶向等轴晶的转变，晶粒细化明显。

表1为直接电弧增材、激光-电弧增材、激光-电弧增材层间超声滚压复合制造三种沉积模式下的超高强铝合金晶粒尺寸统计。相较于直接电弧增材和激光-电弧增材，激光-电弧增材层间超声滚压复合制造的晶粒尺寸面积细化了41.0％和57.0％。

表2为直接电弧增材、激光-电弧增材、激光-电弧增材层间超声滚压复合制造三种沉积模式下的超高强铝合金拉伸试样的极限抗拉强度和延伸率对比。其中，激光-电弧增材层间超声滚压复合制造7075铝合金的极限抗拉强度提高了46.1％，,延伸率从7.9％增加到14.3％。

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。

表1

表2

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