基于激光双MIG复合热源铝合金增材制造方法及装置与流程

本发明属于快速成型制造技术领域，具体涉及一种基于激光-MIG复合热源的铝合金增材制造方法及装置。

背景技术：

激光-MIG复合焊(即熔化极气体保护焊)是将激光焊与MIG焊特点结合起来的一种焊接技术，激光-MIG复合焊的激光与电弧是侧轴复合，会有两种不同的焊接方向：激光前置与激光后置。激光前置时激光位于电弧前方，利用激光在工件上形成的“热点”牵引电弧，减小电弧引燃的阻力来防止电弧弧根的飘移，实现电弧的高速稳定焊接，但激光能量的吸收率不高；激光后置时激光利用电弧对工件的预热及电弧-激光热源之间的等离子相互作用来提高激光能量的吸收率，增强激光“匙孔”效应以获得更大的熔深、速度和桥接能力，但是焊接时高速稳定性不足。铝合金由于高热导率、大线膨胀系数、易产生气孔等特点，焊接难度大，急需一种高速稳定激光能量吸收率高的焊接技术。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造装置，其包括自动化焊接机器人、复合热源系统和数字控制系统，其特征在于，所述自动化焊接机器人包括第一手臂，所述复合热源系统与所述第一手臂一端相连；所述复合热源系统包括前MIG焊枪、后MIG焊枪和激光焊头，所述前MIG焊枪和所述后MIG焊枪设置在所述激光焊头的两侧；所述数字控制系统与所述自动化焊接机器人相连，并根据设定程序控制所述自动化焊接机器人带动所述复合热源系统完成增材制造的堆焊操作。

较佳的，其还包括送丝系统，所述送丝系统分别与所述前MIG焊枪和所述后MIG焊枪相连，并以一定速度为所述前MIG焊枪和所述后MIG焊枪提供焊丝。

较佳的，其还包括保护气系统，所述保护气系统分别与所述前MIG焊枪和所述后MIG焊枪相连，并为MIG焊接提供保护气。

较佳的，其还包括视频监控系统，所述视频监控系统实时监控增材制造过程中的送丝速度和保护气的送气流量，并反馈给所述数字控制系统，所述数字控制系统根据反馈的实际控制送丝速度和保护气的送气流量控制增材制造的堆焊操作。

利用如上所述的基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材装置的制造方法，其包括：

步骤一：将所述复合热源系统安装在所述自动化焊接机器人的所述第一手臂上；将所述数字控制系统与所述自动化焊接机器人相连；针对需要堆焊的零件，编程制定所述自动化焊接机器人手臂的运行路线，同时设置所述自动化焊接机器人手臂移动到起弧点，将视频控制系统与所述数字控制系统相连；

步骤二：根据需要堆焊的铝合金材料，分别调节所述前MIG焊枪和所述后MIG焊枪与中部所述激光焊头的夹角；将所述送丝机构和所述保护气系统分别与所述前MIG焊枪和所述后MIG焊枪相连，然后将所述送丝机构和所述保护气系统分别放置在底座的合适位置；

步骤三：确定MIG焊的工艺参数和激光焊的工艺参数；

步骤四：开始堆焊前，预先通保护气5s，然后启动所述前MIG焊枪、所述后MIG焊枪和所述激光焊头，待复合电弧稳定后，先根据零件最大长和宽的尺寸，所述自动化焊接机器人在基板上堆焊出一层底板，然后运行所述数字控制系统设定好的程序，完成第一道堆焊焊缝的焊接；根据零件的实际结构形状，复合热源系统自动移动到相应位置，完成下一道堆焊焊缝的焊接；如此往复，直到完成第一层所有焊缝的堆焊；

步骤五：完成第一层材料的堆焊后，关闭所述前MIG焊枪、所述后MIG焊枪和所述激光焊头进行收弧，继续通气5s以保证焊件质量；运行控制程序，复合热源系统自动上移一层的高度到合适的位置，重复步骤四完成第二层的堆焊；

步骤六：如此往复步骤四和步骤五，直至完成整个零件的制备；

步骤七：结合零件的具体尺寸要求，进行适当后续处理以达到使用要求。

较佳的，MIG焊的工艺参数为：焊接电流为90～140A，送丝速度为40～60mm/s，焊丝为的ER5356。

较佳的，激光焊的工艺参数为：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-2～+2mm，激光的输出功率为2000W。

较佳的，所述复合热源系统的进给速度为40mm/s，所述保护气系统的送气流量为17L/min。

较佳的，所述保护气系统为保护气瓶，所述保护气瓶里的保护气为纯氩气；双MIG焊直流反接，利用阴极雾化作用消除氧化膜，能够提高制备零件的成型质量。

较佳的，开始堆焊时，要选择在基板上进行，基板材料为碳钢。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：利用设置有双MIG焊枪-激光焊复合热源系统进行焊接的焊件化学成分均匀、组织致密，焊接区熔深大，焊接速度高，焊件综合性能优异，另外焊丝利用率高；用数字控制系统控制自动化焊接机器人进行堆焊增材制造，能够精密控制整个增材制造过程，制造效率更高、焊件质量更好，制造过程更稳定；将双MIG焊枪-激光焊复合热源系统与数字控制系统控制自动化焊接机器人结合，加工工序减少、研发周期缩短、加工效率增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例一的一种基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造装置的结构图；

图2为本发明实施例一的一种基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造装置的复合热源系统的结构图；

图3为本发明实施例三的一个圆形壳体实施例的打底层的结构图；

图4为本发明实施例三的一个圆形壳体实施例的堆焊后的结构图；

图5为本发明实施例四的一个立方体实施例的打底层的结构图；

图6为本发明实施例四的一个立方体实施例的堆焊后的结构图；

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

图1为本发明一种基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造装置，其包括自动化焊接机器人1，复合热源系统2，视频监控系统3、数字控制系统4、送丝系统5、保护气系统6、基板7和底座8；复合热源系统2与自动化焊接机器人1相连接；视频监控系统3、数字控制系统4、送丝系统5、保护气系统6和自动化焊接机器人1都设置在底座8上；视频监控系统3、送丝系统5、保护气系统6和自动化焊接机器人1都与数字控制系统4相连。

自动化机器人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上安装有复合热源系统2，手臂11带动复合热源系统2执行焊接动作。

图2为复合热源系统2的结构图，其包括前MIG焊枪21，后MIG焊枪23、激光焊头22以及连接件24，前MIG焊枪21，后MIG焊枪23和激光焊头22都安装在连接件24上，MIG焊枪21和后MIG焊枪23与送丝系统5相连，并加持有送丝系统5送给的焊丝进行焊接；保护气系统6是保护气瓶，用于为MIG焊提供保护气体，抑制周围空气中的活性气体进入焊接熔池避免产生气孔、缩松等焊接缺陷。

视频监控系统3实时监控增材制造过程，将实际堆焊效果，送丝速度和保护气的送气流量反馈给数字控制系统4；数字控制系统4由计算机编程控制自动化焊接机器人1执行焊接顺序，并根据视频监控系统3反馈的结果以实际的送丝速度和保护气送气流量来改善增材制造过程。

基板7，主要用于在基板上堆焊的需要堆焊的部件。

该基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造装置设置有双MIG焊枪-激光焊复合热源系统，利用数字控制系统控制自动化焊接机器人进行堆焊增材制造，焊件组织细密，焊接速度高，制造过程更稳定。

实施例二

本发明利用如上所述的基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造装置的堆焊铝合金焊件，基于激光-双MIG复合热源的铝合金增材制造方法步骤如下：

步骤一：在双MIG焊直流反接后，将复合热源系统装备在自动化焊接机器人1的第一节手臂上；同时将数字控制系统4与自动化焊接机器人1电连接，并将数字控制系统4放置在底座8的合适位置；针对需要堆焊制造的零件，编程制定自动化焊接机器人手臂的运行路线，同时将自动化焊接机器人手臂移动到初始位置(起弧点)；将视频控制系统与所述数字控制系统相连；

步骤二：根据需要堆焊的铝合金材料，分别调节前MIG焊枪21和后MIG焊枪23与激光焊头22的夹角；将送丝机构和保护气系统分别与前MIG焊枪和后MIG焊枪相连，然后将送丝机构和保护气系统放置在底座8的合适位置，同时将送丝机构和保护气系统分别与数字控制系统相连；

步骤三：确定MIG焊的工艺参数：焊接电流为90～140A，送丝速度为40～60mm/s，焊丝为φ1.2mm的ER5356；确定激光焊的工艺参数：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-2～+2mm，激光的输出功率为2000W；复合热源系统的进给速度为40mm/s，保护气的送气流量为17L/min，保护气为纯氩气(99.99％)；基板材料为碳钢；

步骤四：开始堆焊前，预先通保护气5s，然后启动前MIG焊枪、后MIG焊枪和激光焊头，待复合电弧稳定后，先根据零件最大长和宽的尺寸，自动化焊接机器人在基板上堆焊出一层底板，然后运行数字控制系统4设定好的程序，完成第一道堆焊焊缝的焊接；然后根据零件的实际结构形状，复合热源系统自动移动到相应位置，完成下一道堆焊焊缝的焊接；如此往复，直到完成第一层所有焊缝的堆焊；

步骤五：完成第一层材料的堆焊后，关闭所述前MIG焊枪、所述后MIG焊枪和所述激光焊头进行收弧，继续通气5s以保证焊件质量；运行控制程序，复合热源系统自动上移一层的高度到合适的位置，重复步骤四完成第二层的堆焊；

步骤六：如此往复步骤四和步骤五，直至完成整个零件的制备；

步骤七：结合零件的具体尺寸要求，进行适当后续处理以达到使用要求。

本发明采用激光-双MIG焊复合热源融化焊丝进行焊接，将双电弧和激光3种热源共同作用于同一熔池中，焊接速度高、熔深大、熔池更稳定，焊件化学成分均匀、组织细密，接头适应性好，另外焊丝利用率高；利用数字控制系统根据设定程序控制自动化焊接机器人带动复合热源系统进行堆焊所需工件，能够精确控制整个增材制造的过程，控制焊件质量，使焊接速度高，焊接质量好。

实施例三

本实施例利用实施例二的方法堆焊一个圆形壳体，高度为300mm，直径为200mm，壁厚为20mm，由200层环焊缝堆焊而成，每层堆焊高度为1.5mm，如图3和图4所示，图4中1为堆焊工件，2为基板。堆焊过程中除了堆焊工件以外，其他参数与实施例二相同，具体步骤如下：

步骤一：在碳钢基板上堆焊前预通气5秒，启动前后MIG焊枪和中部焊接头，由打底圆周面的外径向圆心位置堆焊，完成第一层打底堆焊，堆焊出一层直径300mm的圆面。

步骤二：完成第一层堆焊后，复合热源系统上移1.5mm，双MIG焊枪沿圆周方向旋转180°，在第一层打底堆焊面上根据零件尺寸形状选择合适的起弧位置，进行第二层的堆焊；由于是双MIG焊枪双送丝，故采用连续焊缝，完成第二层的堆焊。

步骤三：重复步骤二，直至完成整个零件的堆焊。

实施例四

本实施例利用实施例二的方法堆焊一个立方体，长度为300mm，宽为40mm，高度为200mm，由200层堆焊层堆焊而成，每层堆焊高度为1.5mm，每层堆焊10道焊缝，本实施例在保护气纯氩气中加入1％的氧气以改善电弧的稳定性，除了堆焊工件和保护气外，其余参数与实施例二相同，具体步骤如下：

步骤一：在碳钢基板上堆焊前预通气5s，启动前后MIG焊枪和中部焊接头，待双MIG电弧稳定后，由起弧位置开始堆焊，如图5所示；

步骤二：复合热源系统按照设定好的程序路线行走，保证与相邻焊缝搭接0.5mm；完成第一层所有焊缝的堆焊，收弧后持续送气5s；

步骤三：完成第一层堆焊后，将复合热源系统上移1.5mm，焊枪由第一层最后的收弧点由内向外开始焊接，即按设定程序的反方向行走，保证与相邻焊缝搭接0.5mm；完成第二层所有焊缝的堆焊，收弧后持续送气5s；

步骤四：重复步骤一～步骤三，直至完成整个零件的堆焊，堆焊完的工件如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。