本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于激光稳定和调控机理的电弧增材制造成形方法及装置。
背景技术：
所谓电弧增材制造(wireandarcadditivemanufacture，waam)技术，是一种利用逐层熔覆原理，采用电弧作为热源来熔化丝材，并根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。由于waam技术具有沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、成本低、对零件尺寸限制少等特点，因而广泛应用于各类高性能大型金属构件的增材制造工艺。
waam技术通常采用金属丝材引燃电弧，利用电弧热熔化金属丝材，并按规定的路径来堆积制造所需的金属构件，然而，进一步的研究发现，在电弧增材制造的实际操作过程中，普遍存在电弧不稳定的现象，并可能劣化最终的成形精度；另一方面，由于电弧弧柱的加热面积往往较大，导致成形金属构件表面的平齐度也偏大(一般在±1.5mm左右)，因而金属构件在电弧堆积成形之后通常还需要进行机械加工，这样不仅降低了生产效率，而且同样容易对最终的成形精度造成不利影响。相应地，如何同步提高电弧增材制造过程电弧的稳定性与成形金属构件的表面精度，正成为电弧增材制造这一领域亟需解决的技术难题所在。
技术实现要素：
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种基于激光稳定和调控机理的电弧增材制造成形方法及装置，其中一方面通过对金属构件在电弧增材制造过程中的工艺特征进行深入分析，研究及提出了可利用激光激励来同步改善电弧的稳定性及有效控制电弧弧柱直径的机理，大量的实际测试表明，可显著提高最终所获得的各类金属构件的表面精度和成品质量；另一方面本发明还专门对可实现上述机理的装置从组成结构和具体设置方面做出了优化设计，相应具备结构紧凑、便于操控、适用性强、操作效率高等特点，因而尤其适用于对表面平齐度要求很高之类的金属构件增材制造应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于激光稳定和调控机理的电弧增材制造成形方法，其特征在于，该方法包括：
在采用电弧作为热源熔化丝材的过程中，对电弧的弧柱施加稳定的激光激励，并使得激光斑点距离所述弧柱中心轴的离焦量为±0.5mm以内；以此方式，在激光的直接作用下，所述弧柱中的金属成分发生气化和电离并形成大量的带电粒子，由此提高了电弧的稳定性；与此同时，所述弧柱中的中性粒子也发生电离成为等离子体并发生压缩现象，由此使得电弧的直径缩小，进而改善金属构件的表面成形精度。
作为进一步优选地，上述电弧增材制造过程的工艺参数优选设定如下：金属丝材的直径为0.8mm～1.6mm，成形电流为80a～120a，成形电压为15v～30v，并采用惰性气体或co2作为保护气。
作为进一步优选地，所述激光激励的工艺参数优选设定如下：功率为300w～700w，脉宽为3ms～6ms，频率为20hz～50hz。
作为进一步优选地，所述激光直接作用于所述电弧弧柱之上，而非成形中的金属构件本身。
按照本发明的另一方面，还提供了针对性设计的电弧增材制造成形装置，其特征在于，该装置呈激光枪与电弧枪复合成一个紧凑化整体构造，其中：
所述电弧枪包括电弧枪体、沿着该电弧枪体的轴线方向设置在中央位置的金属丝材通路，以及分设在该金属丝材通路两侧的保护气气路，由此在持续输送保护气提供保护气氛的情况下，以同步输送的金属丝材作为电极来引燃电弧，并形成内部包含有金属成分和中性粒子的电弧弧柱；
所述激光枪包括激光枪体和光纤，其中该激光枪体完全容纳设置在所述电弧枪体的下端内部并且与该电弧枪体的轴线呈6°～10°的夹角，该光纤与所述激光枪体保持连通并平行于所述电弧枪体的轴线而设置，由此用于发射稳定的激光并直接施加至电弧弧柱上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明中通过对金属构件电弧增材制造成形工艺的特征研究分析，发现电弧的稳定性受到多种复杂因素的影响，其中电弧燃烧过程中是否存在大量的带电粒子属于相对关键的因素之一，在此基础上，所提出的直接对电弧弧柱施加高能量密度的激光，测试表明极易使弧柱中包含的金属成分发生气化和电离，由此形成大量的带电粒子，这些带电粒子反过来又会在电弧电压的作用下进行定向运动，进而显著提高电弧弧柱的稳定性；
2、本申请还进一步发现了激光作用可使得弧柱中的大量中性粒子电离成为等离子体且发生压缩现象的机理，相应地，通过对弧柱直接施加高能量密度的激光，除了可提供电弧本身的稳定性之外，尤其还能够使得弧柱本身的直径获得缩小，由此使得熔池尺寸变小，进而可进一步提高金属构件的表面成形精度；
3、结合以上机理和工艺控制过程，本发明还针对性提出了专门的电弧增材制造成形设备，该设备整体构造紧凑布局合理、便于操控，而且实际测试表明能够基于各种工况来对整个成形过程中的多个关键工艺参数进行调节，包括激光斑点距离弧柱中心轴的离焦量、激光能量及脉宽频率、相配套使用的电弧增材制造参数等，由此确保可求得所需的成形精度和质量；
4、按照本发明的上述方法和设备充分利用了激光对电弧的作用，较好地同步解决了电弧稳定性和电弧弧柱尺寸控制问题，因而可实现金属构件的高质量、高精度制造成形，并尤其适用于对表面平齐度要求很高之类的金属构件增材制造应用场合。
附图说明
图1是按照本发明优选实施方式所构建的电弧增材制造成形装置的整体构造示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
11-电弧枪体12-金属丝材通路13-保护气气路21-激光枪体22-光纤31-保护气氛32-熔滴33-等离子电弧
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明优选实施方式所构建的电弧增材制造成形装置的整体构造示意图。如图1中所示，该装置的主要特征即在于将激光枪和电弧枪较好地复合成一个紧凑化的整体构造，同时对其具体结构组成和设置方式、一些关键结构参数等方面做出了针对性的设计。
具体而言，该电弧枪包括电弧枪体11、沿着该电弧枪体11的轴线方向设置在中央位置的金属丝材通路12，以及分设在该金属丝材通路两侧的保护气气路13等，其中电弧枪体11的下端譬如可配备电弧，并经由金属丝材通路12向其持续输送金属丝材；与此同时，经由保护气气路13向电弧枪体11的下端输送譬如二氧化碳之类的保护气，由此以金属丝材作为电极之一来引燃电弧，进而形成内部包含有大量的金属成分和大量的中性粒子的电弧弧柱。
该激光枪包括激光枪体21和光纤22等，其中该激光枪体21完全容纳设置在所述电弧枪体11的下端内部，并且被设计与该电弧枪体的轴线呈6°～10°的夹角，该光纤22譬如平行于电弧枪体11的轴线而设置，并用于与所述激光枪体保持连通；相应地，可根据具体工况需求，将稳定的激光发射并直接施加至电弧弧柱上，并通过调节激光枪体在电弧枪体中的位置，使得激光斑点距离弧柱中心轴的离焦量为±0.5mm(优选±0.2mm)以内。
按照本发明，所研究提出的基于激光稳定和调控机理的电弧增材制造成形工艺方法可概括如下：在采用电弧作为热源熔化丝材的过程中，对电弧的弧柱施加稳定的激光激励，并使得激光斑点距离所述弧柱中心轴的离焦量为±0.5mm以内。
通过以上构思，一方面由于激光的高能量密度，使电弧弧柱中有大量带电粒子，这些带电粒子反过来又会在电弧电压的作用下进行定向运动，使得电弧燃烧过程更稳定；另一方面更重要的是，激光的作用还使得电弧中的大量中性粒子电离，电弧成为等离子体产生压缩现象，由此缩小电弧弧柱的直径并使熔池尺寸变小，从而通过调控熔池尺寸大小，能够更好地调控增材制造成形件表面尺寸精度。
作为示范性说明，本发明所提供的电弧增材制造成形工艺方法具体可包括下列步骤：
1)选择适当规格参数的电弧增材制造成形装置：例如，可适当直径和长度的紫铜棒，钻有譬如18mm与2mm两种规格的孔，其中18mm的孔与z轴优选成8°角，用于放置圆柱形激光枪体，而2mm孔用于输送金属丝材。通过调节激光枪在铜棒孔中的位置，使激光斑点在弧柱中心轴的离焦量为±0.2mm；由此获得适于执行激光稳定及压缩电弧多种功能的复合枪；
2)建立所需的三维模型：可采用ug或者pro/e等三维造型软件绘制出零部件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；
3)设定成形电弧参数：依据成形金属构件性能与几何尺寸，选定电流、电压、弧焊枪运行速度；
4)激光稳定和约束电弧：根据成形电弧稳定性的要求和成形平齐度的要求，选定激光的功率、脉宽、离焦量等参数，在保证电弧稳定的同时，约束电弧弧柱到确定的尺寸；
5)直接成形：按照选定的激光工艺参数和电弧工艺参数，进行电弧增材制造，获得增材制造过程中电弧稳定和表面平齐度符合要求的成形金属构件。
下面给出一个具体实施例，以便更为清晰地说明按照本发明的成形工艺过程及效果。
实施例1：
某建筑结构关键构件，拟采用电弧增材制造，要求成形表面平齐度值ra要求小于20，堆积成形过程电弧熄弧次数每小时不能超过1次。为了保证堆积成形过程中电弧的稳定性和成形金属构件表面低平齐度，本发明中采用激光稳定和压缩电弧的方法，提高增材制造过程中电弧的稳定性和成形金属构件表面精度。具体步骤如下：
1、选择适当规格参数的电弧增材制造成形装置：采用本发明的激光稳定、压缩电弧复合枪，即将直径为30mm、长为60的紫铜棒，钻有18mm与2mm的孔，18mm的孔与z轴成8°角，用于放置圆柱形激光枪，2mm孔用于输送金属丝材。通过调节激光枪在铜棒孔中的位置，使激光斑点在弧柱中心轴的离焦量为-0.2mm。
2、建立三维模型：采用ug三维造型软件绘制出构件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；
3、设定成形电弧参数：增材制造过程中选用co2保护气，金属丝材的直径为1.2mm，其成形为电流100a，电压20v，弧焊枪的行走速度为28.8m/h；
4、激光稳定和约束电弧：根据成形电弧稳定性的要求和成形平齐度的要求，采用500w的光纤脉冲激光器，输出功率为260w、脉宽为5ms、频率为30hz，离焦量为-0.2mm；
5、直接成形：按照给定的激光工艺参数和电弧工艺参数，进行金属构件的电弧增材制造。
最后，对于按照本发明的增材制造成形所获得的电弧而言，其实际稳定性和金属构件表面的平齐度值测量如下表1所示
表1
综上，按照本发明的工艺方法和装置，可高效、便于操控地利用激光激励来同步改善电弧的稳定性及有效控制电弧弧柱直径的机理，并显著提高最终所获得的各类金属构件的表面精度和成品质量，因而尤其适用于对表面平齐度要求很高之类的金属构件增材制造应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。