一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法与流程

本发明涉及高熵合金增材制造领域，具体而言，涉及一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法。

背景技术：

高熵合金是一种新型的金属材料，它是由五种或五种以上金属元素按等摩尔质量比或近似等摩尔质量组合而成，在低温和高温下机械性能也表现出色，有很高的热稳定性和高温抗氧化性，具有广泛的应用前景。

经过申请人海量检索，发现现有技术中的高熵合金增材制造方法如公开号为cn103290404b公开的一种激光熔覆用高熵合金粉末和高熵合金涂层的制备方法，本技术方案激光熔覆后容易获得良好的涂层涂覆质量，具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能，工艺重复性和可操作性都大大提高，使得高熵合金在激光材料表面改性上得到推广应用。或如公开号为cn104178680b公开的一种alcocrcufesiti高熵合金的制备方法，本发明制备的alcocrcufesiti高熵合金具有优异力学性能。或如公开号为cn106894015b公开的一种氩弧熔覆高熵合金涂层及其制备方法，涂层的显微硬度、磨粒磨损和耐冲蚀磨损性能均相对于基体有很大提高，满足实际生产需要，并促进了高熵合金在材料表面工程上的广泛应用。

综上所述，现有技术中高熵合金制备方法主要有：熔铸、粉末冶金、喷涂法及镀膜等方法，而方法所制作的高熵合金显微结构较粗糙，组织有缺陷，生产周期较长，成本也比较高。

技术实现要素：

本发明提出了一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法以解决所述问题，

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法，包括采用低功率光纤激光与mig电弧作为复合热源，通过熔化高熵合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需高熵合金结构件，具体包括以下步骤：

s1、将低功率脉冲激光与mig电弧组成复合热源，采用电弧在前，激光在后的复合方式，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，激光枪与mig焊枪均位于基板上方，所述激光枪与mig焊枪夹角为α，光丝间距为l；

s2、设置激光枪与mig焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；

s3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先进行mig起弧，再启动激光，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；

s4、完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1～4mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；

s5、重复步骤s3和步骤s4，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

进一步地，步骤sl中，所述激光枪与mig焊枪夹角α为25°～40°，光丝间距l为0～5mm。

进一步地，步骤s2中，设定所述激光枪中激光功率为100～10000w，送丝速度为1～10m/min，焊接速度为0.5～3m/min，离焦量为0～4。

进一步地，步骤s3和步骤s4中，所述保护气为纯氩气、或者为纯氦气，保护气体流量为10～30l/min。

进一步地，步骤s4中，停留时间为30～180s。

进一步地，步骤sl中，焊丝为缆式高熵合金焊丝，焊丝直径1.6～2.4mm。

进一步地，步骤s1中，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，还额外填充一根补充焊丝至电弧-激光复合热源的作用区域。

进一步地，所述补充焊丝的进给位置从堆焊方向前端进给或从电弧与激光束的中间位置进给或从堆焊方向的后部进给，所述补充焊丝在垂直于焊接方向上按照0～100hz的焊丝摆动频率、以及0～5mm的焊丝摆幅进行摆动，以确保填充了补充焊丝后堆焊金属铺展良好。

进一步地，所用激光器为nd：yag激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或co2激光器。

本发明所取得的有益技术效果是：

1、通过使用低功率脉冲激光，能耗低，节约电能；而直流双脉冲mig具有焊接电弧稳定，熔滴过渡平稳，热输入精确可控，焊缝成形好，接头气孔率低，力学性能可靠的优点。

2、本发明所述的高熵合金低功率脉冲激光-双脉冲mig复合热源电弧增材制造方法，可以兼顾做到低成本、高效率、高精度、高性能等特点，能够满足复杂结构件增材制造需求。

3、另外，增加了补充焊丝，进一步提高焊接过程稳定性，减少了所使用的缆式高熵合金焊丝包含的元素种类从而降低了加工难度，大大提高了成形速度以及成形试件的精度和性能，减少气孔产生。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造示意图；

图2是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造示意图；

图3是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的示意图；

图4是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的焊丝示意图；

图5是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的扫描路径示意图；

图6是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的扫描路径示意图；

图7是本发明实施例之一中一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的扫描路径示意图。

附图标记说明：1-基材；2-高熵合金；3-激光枪；4-mig焊枪；5-补充焊丝。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明为一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法，根据附图说明所示讲述以下实施例：

实施例一：

一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法，包括采用低功率光纤激光与mig电弧作为复合热源，通过熔化高熵合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需高熵合金结构件，具体包括以下步骤：

s1、将低功率脉冲激光与mig电弧组成复合热源，采用电弧在前，激光在后的复合方式，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，激光枪与mig焊枪均位于基板上方，所述激光枪与mig焊枪夹角为α，光丝间距为l；

具体地，步骤sl中，所述激光枪与mig焊枪夹角α为25°～40°，光丝间距l为0～5mm。步骤sl中，焊丝为缆式高熵合金焊丝，焊丝直径1.6～2.4mm。

步骤s1中，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，还额外填充一根补充焊丝至电弧-激光复合热源的作用区域。

所述补充焊丝的进给位置从堆焊方向前端进给或从电弧与激光束的中间位置进给或从堆焊方向的后部进给，所述补充焊丝在垂直于焊接方向上按照0～100hz的焊丝摆动频率、以及0～5mm的焊丝摆幅进行摆动，以确保填充了补充焊丝后堆焊金属铺展良好。

s2、设置激光枪与mig焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；

具体地，步骤s2中，设定所述激光枪中激光功率为100～10000w，送丝速度为1～10m/min，焊接速度为0.5～3m/min，离焦量为0～4。

s3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先进行mig起弧，再启动激光，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；

s4、完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1～4mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；

具体地，步骤s3和步骤s4中，所述保护气为纯氩气、或者为纯氦气，保护气体流量为10～30l/min。步骤s4中，停留时间为30～180s。

s5、重复步骤s3和步骤s4，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

所用激光器为nd：yag激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或co2激光器。

实施例二：

一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法，包括采用低功率光纤激光与mig电弧作为复合热源，通过熔化高熵合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需高熵合金结构件，具体包括以下步骤：

s1、将低功率脉冲激光与mig电弧组成复合热源，采用电弧在前，激光在后的复合方式，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，激光枪与mig焊枪均位于基板上方，所述激光枪与mig焊枪夹角为α，光丝间距为l；

具体地，步骤sl中，所述激光枪与mig焊枪夹角α为25°～40°，光丝间距l为0～5mm。步骤sl中，焊丝为缆式高熵合金焊丝，焊丝直径1.6～2.4mm。

步骤s1中，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，还额外填充一根补充焊丝至电弧-激光复合热源的作用区域，通过复合热源及熔池的热量来实现填充焊丝的熔化，消耗复合热源焊接过程中的富余热量，在不增加电弧功率的条件下提高焊接熔敷效率，改善焊缝金属组织性能，降低焊接热输入对材料的损伤，减小焊接变形。

所述补充焊丝的进给位置从堆焊方向前端进给或从电弧与激光束的中间位置进给或从堆焊方向的后部进给，所述补充焊丝在垂直于焊接方向上按照0～100hz的焊丝摆动频率、以及0～5mm的焊丝摆幅进行摆动，以确保填充了补充焊丝后堆焊金属铺展良好。

s2、设置激光枪与mig焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；

具体地，步骤s2中，设定所述激光枪中激光功率为100～10000w，送丝速度为1～10m/min，焊接速度为0.5～3m/min，离焦量为0～4。

s3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先进行mig起弧，再启动激光，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；

s4、完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1～4mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；

具体地，步骤s3和步骤s4中，所述保护气为纯氩气、或者为纯氦气，保护气体流量为10～30l/min。步骤s4中，停留时间为30～180s。

s5、重复步骤s3和步骤s4，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

所用激光器为nd：yag激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或co2激光器。

依据上述步骤的具体实行过程如下：在增材制造开始前，先将不锈钢基材用钢刷进行打磨，再用乙醇清洗，除去表面杂质，然后进行激光-电弧增材制造。如图4、图5、图6所示，激光-电弧复合焊枪扫描路径分为沿x轴s字形扫描、沿y轴s字形扫描、沿平面o字形朝外螺旋扫描。所述焊丝为缆式高熵合金焊丝，包括补充焊丝，如图3所示。设置激光枪与mig焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；在基板上选取起弧点，预通保护气，先进行mig起弧，再启动激光，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1～4mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；重复上述步骤，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

实施例三：

一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法，包括采用低功率光纤激光与mig电弧作为复合热源，通过熔化高熵合金焊丝在基板上按指定路径进行堆焊，堆焊层逐层叠加形成所需高熵合金结构件，具体包括以下步骤：

s1、将低功率脉冲激光与mig电弧组成复合热源，采用电弧在前，激光在后的复合方式，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，激光枪与mig焊枪均位于基板上方，所述激光枪与mig焊枪夹角为α，光丝间距为l；

具体地，步骤sl中，所述激光枪与mig焊枪夹角α为25°～40°，光丝间距l为0～5mm。步骤sl中，焊丝为缆式高熵合金焊丝，焊丝直径1.6～2.4mm。

步骤s1中，高熵合金焊丝作为熔化极通过mig焊枪送出，还额外填充一根补充焊丝至电弧-激光复合热源的作用区域，通过复合热源及熔池的热量来实现填充焊丝的熔化，消耗复合热源焊接过程中的富余热量，在不增加电弧功率的条件下提高焊接熔敷效率，改善焊缝金属组织性能，降低焊接热输入对材料的损伤，减小焊接变形。

所述补充焊丝的进给位置从堆焊方向前端进给或从电弧与激光束的中间位置进给或从堆焊方向的后部进给，所述补充焊丝在垂直于焊接方向上按照0～100hz的焊丝摆动频率、以及0～5mm的焊丝摆幅进行摆动，以确保填充了补充焊丝后堆焊金属铺展良好。

s2、设置激光枪与mig焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；

具体地，步骤s2中，设定所述激光枪中激光功率为100～10000w，送丝速度为1～10m/min，焊接速度为0.5～3m/min，离焦量为0～4。

s3、在基板上选取起弧点，预通保护气，先进行mig起弧，再启动激光，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；

s4、完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1～4mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；

具体地，步骤s3和步骤s4中，所述保护气为纯氩气、或者为纯氦气，保护气体流量为10～30l/min。步骤s4中，停留时间为30～180s。

s5、重复步骤s3和步骤s4，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

所用激光器为nd：yag激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或co2激光器。

依据上述步骤的具体实行过程如下：在增材制造开始前，先将不锈钢基材用钢刷进行打磨，再用乙醇清洗，除去表面杂质，然后进行激光-电弧增材制造。如图4、图5、图6所示，激光-电弧复合焊枪扫描路径分为沿x轴s字形扫描、沿y轴s字形扫描、沿平面o字形朝外螺旋扫描。所述焊丝为缆式高熵合金焊丝，包括补充焊丝，如图3所示。设置激光枪与mig焊枪焊接参数及焊接路径，进行焊接控制；在基板上选取起弧点，预通保护气，先进行mig起弧，再启动激光，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1～4mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；重复上述步骤，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

由于增加了所述补充焊丝，缆式高熵合金焊丝的元素种类可以相应减少，从而通过所述补充焊丝在堆焊过程中进行增加，从而降低了缆式焊丝的加工难度，再之后堆焊过程中再通过补充焊丝来完成对高熵合金的元素补齐；通过增加了补充焊丝，能够令堆焊过程变得更加简单易控，同时从激光-mig复合焊枪中伸出的焊丝可以选取熔点低的缆式高熵合金焊丝，能够快速熔化使得复合热源的作用区域温度快速升温，从而快速熔化补充焊丝，能够大幅度减少堆焊时间，同时能够使得高熵合金的元素种类更丰富。

实例一：试验设备采用由光纤激光与熔化极电弧组成的旁轴复合焊接系统。试验过程中激光束垂直入射到工件，焊枪与激光束夹角为30°，并采用电弧在前、激光在后的方式复合焊接，如图1所示。电弧输出采用一元化控制，即送丝速度控制焊接电流、电压。焊接过程中采用机械手带动复合焊接头进行运动实现焊接。焊丝为cucocrfeni系列缆式高熵合金焊丝，基材选用不锈钢，保护气为纯氩气，气体流量为25l/min。焊接工艺参数为：激光功率为2kw,焊接速度为1.8m/min，送丝速度为4m/min，光丝间距为1mm，离焦量为0，填充焊丝的送丝速度7.0m/min。

将不锈钢基材用钢刷进行打磨，再用乙醇清洗，除去表面杂质。设定焊接工艺参数，启动设备，激光-mig复合焊枪扫描路径为沿x轴s字形扫描，所述补充焊丝位于激光-mig复合焊枪扫描路径上且沿激光-mig复合焊枪扫描路径的前进方向同步后退，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；重复上述步骤，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

实例二：试验设备采用由光纤激光与熔化极电弧组成的旁轴复合焊接系统。试验过程中激光束垂直入射到工件，焊枪与激光束夹角为30°，并采用电弧在前、激光在后的方式复合焊接，如图2所示。电弧输出采用一元化控制，即送丝速度控制焊接电流、电压。焊接过程中采用机械手带动复合焊接头进行运动实现焊接。焊丝为cucocrfenial系列缆式高熵合金焊丝，基材选用不锈钢，保护气为纯氩气，气体流量为25l/min。焊接工艺参数为：激光功率为2.4kw,焊接速度为1.5m/min，送丝速度为3.5m/min，光丝间距为1mm，离焦量为0，填充焊丝的送丝速度6.0m/min。

将不锈钢基材用钢刷进行打磨，再用乙醇清洗，除去表面杂质。设定焊接工艺参数，启动设备，激光-mig复合焊枪扫描路径为沿平面o字形朝外螺旋扫描，所述补充焊丝位于激光-mig复合焊枪扫描路径一侧且跟随激光-mig复合焊枪扫描路径同步移动，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；重复上述步骤，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

实例三：试验设备采用由光纤激光与熔化极电弧组成的旁轴复合焊接系统。试验过程中激光束垂直入射到工件，焊枪与激光束夹角为30°，并采用电弧在前、激光在后的方式复合焊接，如图1所示。电弧输出采用一元化控制，即送丝速度控制焊接电流、电压。焊接过程中采用机械手带动复合焊接头进行运动实现焊接。焊丝为cucocrfeni系列缆式高熵合金焊丝，基材选用不锈钢，保护气为纯氩气，气体流量为25l/min。焊接工艺参数为：激光功率为2kw,焊接速度为1.8m/min，送丝速度为4m/min，光丝间距为1mm，离焦量为0，填充焊丝的送丝速度7.0m/min。

将不锈钢基材用钢刷进行打磨，再用乙醇清洗，除去表面杂质。设定焊接工艺参数，启动设备，激光-mig复合焊枪扫描路径为沿y轴s字形扫描，所述补充焊丝位于激光-mig复合焊枪扫描路径的同一直线上的后方且沿激光-mig复合焊枪扫描路径的前进方向同步前进，根据预先设定的堆焊路径进行第一层堆焊；完成第一层堆焊后，依次关闭mig电弧和激光，再停止送保护气，然后将激光-mig复合焊枪提高1mm，将其移至预定位置，停留一定时间后，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；重复上述步骤，直至完成高熵合金结构件的增材制造过程。

焊后实例一与实例二以及实例三三种激光-mig复合热源增材制造均具有良好的增材成型，与传统的单激光或者单mig复合焊相比，其焊接增材速度提高了1/3以上，焊接变形更小，同时成形美观，冶金结合良好，整体粗糙度较低，且由于增加了补充焊丝进行同步覆熔，成型试样内部气孔缺陷大幅度降低，实例一和实例三的补充焊丝的移动方式获得的堆焊变形更小，实例一的气孔率从1.2％左右降低到小于0.1％，抗拉强度提高了18％左右，而实例二的气孔率从1.3％左右降低到0.1％左右，抗拉强度提高了15％左右。

综上所述,本发明提供了一种高熵合金电弧-激光复合增材制造的方法，通过使用低功率脉冲激光，能耗低，节约电能；而直流双脉冲mig具有焊接电弧稳定，熔滴过渡平稳，热输入精确可控，焊缝成形好，接头气孔率低，力学性能可靠的优点，而本发明所述的高熵合金低功率脉冲激光-双脉冲mig复合热源电弧增材制造方法，可以兼顾做到低成本、高效率、高精度、高性能等特点，能够满足复杂结构件增材制造需求，另外，增加了补充焊丝，进一步提高焊接过程稳定性，大大提高了成形速度以及成形试件的精度和性能，减少气孔产生。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置,例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。