本發(fā)明屬于快速成型制造技術(shù)領域，具體涉及一種基于激光-MIG復合熱源的鋁合金增材制造方法及裝置。

背景技術(shù)：

激光-MIG復合焊(即熔化極氣體保護焊)是將激光焊與MIG焊特點結(jié)合起來的一種焊接技術(shù)，激光-MIG復合焊的激光與電弧是側(cè)軸復合，會有兩種不同的焊接方向：激光前置與激光后置。激光前置時激光位于電弧前方，利用激光在工件上形成的“熱點”牽引電弧，減小電弧引燃的阻力來防止電弧弧根的飄移，實現(xiàn)電弧的高速穩(wěn)定焊接，但激光能量的吸收率不高；激光后置時激光利用電弧對工件的預熱及電弧-激光熱源之間的等離子相互作用來提高激光能量的吸收率，增強激光“匙孔”效應以獲得更大的熔深、速度和橋接能力，但是焊接時高速穩(wěn)定性不足。鋁合金由于高熱導率、大線膨脹系數(shù)、易產(chǎn)生氣孔等特點，焊接難度大，急需一種高速穩(wěn)定激光能量吸收率高的焊接技術(shù)。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造裝置，其包括自動化焊接機器人、復合熱源系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于，所述自動化焊接機器人包括第一手臂，所述復合熱源系統(tǒng)與所述第一手臂一端相連；所述復合熱源系統(tǒng)包括前MIG焊槍、后MIG焊槍和激光焊頭，所述前MIG焊槍和所述后MIG焊槍設置在所述激光焊頭的兩側(cè)；所述數(shù)字控制系統(tǒng)與所述自動化焊接機器人相連，并根據(jù)設定程序控制所述自動化焊接機器人帶動所述復合熱源系統(tǒng)完成增材制造的堆焊操作。

較佳的，其還包括送絲系統(tǒng)，所述送絲系統(tǒng)分別與所述前MIG焊槍和所述后MIG焊槍相連，并以一定速度為所述前MIG焊槍和所述后MIG焊槍提供焊絲。

較佳的，其還包括保護氣系統(tǒng)，所述保護氣系統(tǒng)分別與所述前MIG焊槍和所述后MIG焊槍相連，并為MIG焊接提供保護氣。

較佳的，其還包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)，所述視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控增材制造過程中的送絲速度和保護氣的送氣流量，并反饋給所述數(shù)字控制系統(tǒng)，所述數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的實際控制送絲速度和保護氣的送氣流量控制增材制造的堆焊操作。

利用如上所述的基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材裝置的制造方法，其包括：

步驟一：將所述復合熱源系統(tǒng)安裝在所述自動化焊接機器人的所述第一手臂上；將所述數(shù)字控制系統(tǒng)與所述自動化焊接機器人相連；針對需要堆焊的零件，編程制定所述自動化焊接機器人手臂的運行路線，同時設置所述自動化焊接機器人手臂移動到起弧點，將視頻控制系統(tǒng)與所述數(shù)字控制系統(tǒng)相連；

步驟二：根據(jù)需要堆焊的鋁合金材料，分別調(diào)節(jié)所述前MIG焊槍和所述后MIG焊槍與中部所述激光焊頭的夾角；將所述送絲機構(gòu)和所述保護氣系統(tǒng)分別與所述前MIG焊槍和所述后MIG焊槍相連，然后將所述送絲機構(gòu)和所述保護氣系統(tǒng)分別放置在底座的合適位置；

步驟三：確定MIG焊的工藝參數(shù)和激光焊的工藝參數(shù)；

步驟四：開始堆焊前，預先通保護氣5s，然后啟動所述前MIG焊槍、所述后MIG焊槍和所述激光焊頭，待復合電弧穩(wěn)定后，先根據(jù)零件最大長和寬的尺寸，所述自動化焊接機器人在基板上堆焊出一層底板，然后運行所述數(shù)字控制系統(tǒng)設定好的程序，完成第一道堆焊焊縫的焊接；根據(jù)零件的實際結(jié)構(gòu)形狀，復合熱源系統(tǒng)自動移動到相應位置，完成下一道堆焊焊縫的焊接；如此往復，直到完成第一層所有焊縫的堆焊；

步驟五：完成第一層材料的堆焊后，關閉所述前MIG焊槍、所述后MIG焊槍和所述激光焊頭進行收弧，繼續(xù)通氣5s以保證焊件質(zhì)量；運行控制程序，復合熱源系統(tǒng)自動上移一層的高度到合適的位置，重復步驟四完成第二層的堆焊；

步驟六：如此往復步驟四和步驟五，直至完成整個零件的制備；

步驟七：結(jié)合零件的具體尺寸要求，進行適當后續(xù)處理以達到使用要求。

較佳的，MIG焊的工藝參數(shù)為：焊接電流為90～140A，送絲速度為40～60mm/s，焊絲為的ER5356。

較佳的，激光焊的工藝參數(shù)為：激光光斑直徑為1～6mm，離焦量為-2～+2mm，激光的輸出功率為2000W。

較佳的，所述復合熱源系統(tǒng)的進給速度為40mm/s，所述保護氣系統(tǒng)的送氣流量為17L/min。

較佳的，所述保護氣系統(tǒng)為保護氣瓶，所述保護氣瓶里的保護氣為純氬氣；雙MIG焊直流反接，利用陰極霧化作用消除氧化膜，能夠提高制備零件的成型質(zhì)量。

較佳的，開始堆焊時，要選擇在基板上進行，基板材料為碳鋼。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：利用設置有雙MIG焊槍-激光焊復合熱源系統(tǒng)進行焊接的焊件化學成分均勻、組織致密，焊接區(qū)熔深大，焊接速度高，焊件綜合性能優(yōu)異，另外焊絲利用率高；用數(shù)字控制系統(tǒng)控制自動化焊接機器人進行堆焊增材制造，能夠精密控制整個增材制造過程，制造效率更高、焊件質(zhì)量更好，制造過程更穩(wěn)定；將雙MIG焊槍-激光焊復合熱源系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)控制自動化焊接機器人結(jié)合，加工工序減少、研發(fā)周期縮短、加工效率增加。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明各實施例中的技術(shù)方案,下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發(fā)明實施例一的一種基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實施例一的一種基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造裝置的復合熱源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明實施例三的一個圓形殼體實施例的打底層的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明實施例三的一個圓形殼體實施例的堆焊后的結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明實施例四的一個立方體實施例的打底層的結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明實施例四的一個立方體實施例的堆焊后的結(jié)構(gòu)圖；

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細的說明。

實施例一

圖1為本發(fā)明一種基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造裝置，其包括自動化焊接機器人1，復合熱源系統(tǒng)2，視頻監(jiān)控系統(tǒng)3、數(shù)字控制系統(tǒng)4、送絲系統(tǒng)5、保護氣系統(tǒng)6、基板7和底座8；復合熱源系統(tǒng)2與自動化焊接機器人1相連接；視頻監(jiān)控系統(tǒng)3、數(shù)字控制系統(tǒng)4、送絲系統(tǒng)5、保護氣系統(tǒng)6和自動化焊接機器人1都設置在底座8上；視頻監(jiān)控系統(tǒng)3、送絲系統(tǒng)5、保護氣系統(tǒng)6和自動化焊接機器人1都與數(shù)字控制系統(tǒng)4相連。

自動化機器人1包括手臂11和底座12，手臂11包括第一手臂111和第二手臂112，第一手臂111上安裝有復合熱源系統(tǒng)2，手臂11帶動復合熱源系統(tǒng)2執(zhí)行焊接動作。

圖2為復合熱源系統(tǒng)2的結(jié)構(gòu)圖，其包括前MIG焊槍21，后MIG焊槍23、激光焊頭22以及連接件24，前MIG焊槍21，后MIG焊槍23和激光焊頭22都安裝在連接件24上，MIG焊槍21和后MIG焊槍23與送絲系統(tǒng)5相連，并加持有送絲系統(tǒng)5送給的焊絲進行焊接；保護氣系統(tǒng)6是保護氣瓶，用于為MIG焊提供保護氣體，抑制周圍空氣中的活性氣體進入焊接熔池避免產(chǎn)生氣孔、縮松等焊接缺陷。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)3實時監(jiān)控增材制造過程，將實際堆焊效果，送絲速度和保護氣的送氣流量反饋給數(shù)字控制系統(tǒng)4；數(shù)字控制系統(tǒng)4由計算機編程控制自動化焊接機器人1執(zhí)行焊接順序，并根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)3反饋的結(jié)果以實際的送絲速度和保護氣送氣流量來改善增材制造過程。

基板7，主要用于在基板上堆焊的需要堆焊的部件。

該基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造裝置設置有雙MIG焊槍-激光焊復合熱源系統(tǒng)，利用數(shù)字控制系統(tǒng)控制自動化焊接機器人進行堆焊增材制造，焊件組織細密，焊接速度高，制造過程更穩(wěn)定。

實施例二

本發(fā)明利用如上所述的基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造裝置的堆焊鋁合金焊件，基于激光-雙MIG復合熱源的鋁合金增材制造方法步驟如下：

步驟一：在雙MIG焊直流反接后，將復合熱源系統(tǒng)裝備在自動化焊接機器人1的第一節(jié)手臂上；同時將數(shù)字控制系統(tǒng)4與自動化焊接機器人1電連接，并將數(shù)字控制系統(tǒng)4放置在底座8的合適位置；針對需要堆焊制造的零件，編程制定自動化焊接機器人手臂的運行路線，同時將自動化焊接機器人手臂移動到初始位置(起弧點)；將視頻控制系統(tǒng)與所述數(shù)字控制系統(tǒng)相連；

步驟二：根據(jù)需要堆焊的鋁合金材料，分別調(diào)節(jié)前MIG焊槍21和后MIG焊槍23與激光焊頭22的夾角；將送絲機構(gòu)和保護氣系統(tǒng)分別與前MIG焊槍和后MIG焊槍相連，然后將送絲機構(gòu)和保護氣系統(tǒng)放置在底座8的合適位置，同時將送絲機構(gòu)和保護氣系統(tǒng)分別與數(shù)字控制系統(tǒng)相連；

步驟三：確定MIG焊的工藝參數(shù)：焊接電流為90～140A，送絲速度為40～60mm/s，焊絲為φ1.2mm的ER5356；確定激光焊的工藝參數(shù)：激光光斑直徑為1～6mm，離焦量為-2～+2mm，激光的輸出功率為2000W；復合熱源系統(tǒng)的進給速度為40mm/s，保護氣的送氣流量為17L/min，保護氣為純氬氣(99.99％)；基板材料為碳鋼；

步驟四：開始堆焊前，預先通保護氣5s，然后啟動前MIG焊槍、后MIG焊槍和激光焊頭，待復合電弧穩(wěn)定后，先根據(jù)零件最大長和寬的尺寸，自動化焊接機器人在基板上堆焊出一層底板，然后運行數(shù)字控制系統(tǒng)4設定好的程序，完成第一道堆焊焊縫的焊接；然后根據(jù)零件的實際結(jié)構(gòu)形狀，復合熱源系統(tǒng)自動移動到相應位置，完成下一道堆焊焊縫的焊接；如此往復，直到完成第一層所有焊縫的堆焊；

步驟五：完成第一層材料的堆焊后，關閉所述前MIG焊槍、所述后MIG焊槍和所述激光焊頭進行收弧，繼續(xù)通氣5s以保證焊件質(zhì)量；運行控制程序，復合熱源系統(tǒng)自動上移一層的高度到合適的位置，重復步驟四完成第二層的堆焊；

步驟六：如此往復步驟四和步驟五，直至完成整個零件的制備；

步驟七：結(jié)合零件的具體尺寸要求，進行適當后續(xù)處理以達到使用要求。

本發(fā)明采用激光-雙MIG焊復合熱源融化焊絲進行焊接，將雙電弧和激光3種熱源共同作用于同一熔池中，焊接速度高、熔深大、熔池更穩(wěn)定，焊件化學成分均勻、組織細密，接頭適應性好，另外焊絲利用率高；利用數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)設定程序控制自動化焊接機器人帶動復合熱源系統(tǒng)進行堆焊所需工件，能夠精確控制整個增材制造的過程，控制焊件質(zhì)量，使焊接速度高，焊接質(zhì)量好。

實施例三

本實施例利用實施例二的方法堆焊一個圓形殼體，高度為300mm，直徑為200mm，壁厚為20mm，由200層環(huán)焊縫堆焊而成，每層堆焊高度為1.5mm，如圖3和圖4所示，圖4中1為堆焊工件，2為基板。堆焊過程中除了堆焊工件以外，其他參數(shù)與實施例二相同，具體步驟如下：

步驟一：在碳鋼基板上堆焊前預通氣5秒，啟動前后MIG焊槍和中部焊接頭，由打底圓周面的外徑向圓心位置堆焊，完成第一層打底堆焊，堆焊出一層直徑300mm的圓面。

步驟二：完成第一層堆焊后，復合熱源系統(tǒng)上移1.5mm，雙MIG焊槍沿圓周方向旋轉(zhuǎn)180°，在第一層打底堆焊面上根據(jù)零件尺寸形狀選擇合適的起弧位置，進行第二層的堆焊；由于是雙MIG焊槍雙送絲，故采用連續(xù)焊縫，完成第二層的堆焊。

步驟三：重復步驟二，直至完成整個零件的堆焊。

實施例四

本實施例利用實施例二的方法堆焊一個立方體，長度為300mm，寬為40mm，高度為200mm，由200層堆焊層堆焊而成，每層堆焊高度為1.5mm，每層堆焊10道焊縫，本實施例在保護氣純氬氣中加入1％的氧氣以改善電弧的穩(wěn)定性，除了堆焊工件和保護氣外，其余參數(shù)與實施例二相同，具體步驟如下：

步驟一：在碳鋼基板上堆焊前預通氣5s，啟動前后MIG焊槍和中部焊接頭，待雙MIG電弧穩(wěn)定后，由起弧位置開始堆焊，如圖5所示；

步驟二：復合熱源系統(tǒng)按照設定好的程序路線行走，保證與相鄰焊縫搭接0.5mm；完成第一層所有焊縫的堆焊，收弧后持續(xù)送氣5s；

步驟三：完成第一層堆焊后，將復合熱源系統(tǒng)上移1.5mm，焊槍由第一層最后的收弧點由內(nèi)向外開始焊接，即按設定程序的反方向行走，保證與相鄰焊縫搭接0.5mm；完成第二層所有焊縫的堆焊，收弧后持續(xù)送氣5s；

步驟四：重復步驟一～步驟三，直至完成整個零件的堆焊，堆焊完的工件如圖6所示。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。