一种激光清洗辅助电弧增材制造的装置与方法与流程

本发明涉及激光、增材制造加工，具体涉及一种激光清洗辅助电弧增材制造的装置与方法。

背景技术：

1、增材制造一般是通过分层的方式使材料沉积，然后通过外部控制，将材料构造成为具有一定形状的零件，使用传统方式进行增材制造时，如熔化极惰性气体保护焊中，通常需要使用大电流，或者需要降低速度来产生足够的金属熔滴，以保证增材制造的效果。如果速度过快会导致出现熔滴过渡不均匀的现象，出现断点或者熔宽不均匀，而速度过慢又会导致热量过于集中，进而导致工件变形大，存在残余应力，对于某些金属零件的增材制造，如铝合金，增材制造过程中每增加一层都会出现黑灰，如果不加以清理会导致层间结合困难，以及内部缺陷，通常需使用人工打磨的方式来处理，劳动强度大且效率很低。

2、经检索，cn110653454a公开一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，通过六轴机器人的转动带动连接支架进行转动，从而控制焊枪和喷枪对基板进行增材和喷砂操作，用于将沉积层表面的黑灰和氧化物去除的同时对铝合金沉积层表面进行表面硬化。上述专利文献焊枪与喷砂枪是往复切换，先增材制造，再转动机械手轴切换为喷砂枪，进行喷砂，因此工作效率低。

3、cn115229212a提供一种宽带激光熔覆同步激光清洗打磨复合增材加工装置与方法，在熔覆过程中，工件做回转运动，前一道熔覆层会先通过钢丝轮打磨头去除表面产生的大颗粒氧化皮，随后经过激光清洗头去除表面微小氧化物，从而避免下一道熔覆层在搭接过程将氧化物覆盖在涂层内部。此专利适用于激光熔覆，该专利文献适用于仅电弧增材制造，并没有激光和电弧的耦合增强作用，同时激光清洗头与激光熔覆头作用点存在较大的距离，激光清洗作用轨迹滞后于激光熔覆，达不到同步工作。

4、cn115533121a本发明公开一种镁合金激光增材制造方法及应用，方法包括以下步骤：建立镁合金激光增材制造的三维模型，得到分层切片数据，并设计加工路径；通过加工路径设定加工参数；根据加工参数，确定加工过程中的清洗参数；送丝嘴开始工作，将镁合金丝材按照s1设计的加工路径逐层堆积；接着开启激光清洗头，然后开启激光熔覆头，将s4堆积的镁合金丝材激光清洗、激光熔覆，获得镁合金零件或镁合金产品零件或镁合金产品。上述专利文献中激光清洗头置于激光熔覆头前，激光清洗轨迹提前于激光熔覆轨迹。

5、为此，本申请提出一种装置与方法，使得传统增材制造技术中能够获得更稳定的电弧，保证金属沉积的稳定性，同时能够自动处理电弧焊产生的黑灰，提高层间结合力及加工效率。

技术实现思路

1、本发明提出一种激光清洗辅助电弧增材制造的装置与方法，解决了上述背景技术提到的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种激光清洗辅助电弧增材制造的装置，包括轨道驱动部和激光清洗头，轨道驱动部通过螺栓可连接于激光清洗设备上，用于实现激光清洗部件的位移调整，满足实施动态清洗，伺服驱动部的前侧设有垂直设置的激光清洗头，配合轨道驱动部的轨道位移进行激光清洗；

4、所述轨道驱动部的前侧还设有电弧枪，通过高温的电弧来熔化材料实现增材，激光清洗头和电弧枪集成在轨道驱动部上，层间激光清洗、电弧增材同步进行操作而提高工效。

5、进一步，所述轨道驱动部包括两个轨道驱动机构，分别为x轴伺服驱动轨道和z轴伺服驱动轨道，x轴伺服驱动轨道和z轴伺服驱动轨道上分别滑动有连接板和安装板，用于完成轨道驱动机构位移动力传递。

6、进一步，所述x轴伺服驱动轨道和z轴伺服驱动轨道组合成l型，其中z轴伺服驱动轨道的后侧与x轴伺服驱动轨道上的连接板固定，方便x轴伺服驱动轨道可以带动z轴伺服驱动轨道做z轴方向运动。

7、进一步，所述安装板的前左侧设有激光视觉一体化跟踪器，快速准确地确定目标物体的位置，引导激光清洗头和电弧枪加工轨迹。

8、进一步，所述电弧枪的外侧套设有调整臂，连接于对电弧枪并方便对其安装固定。

9、进一步，所述调整臂上通过螺丝锁定有一固定轴，固定轴远离调整臂的一端固定在安装板上，调整臂通过螺丝松紧调整在固定轴的角度，使电弧枪的电弧位置与激光清洗头的激光焦点位置相近或一致。

10、一种激光清洗辅助电弧增材制造的方法，包括以下步骤：

11、s1：选择合适的激光稳弧参数，通过控制器调节激光功率，调节激光摆动宽度；

12、s2：确定合适的稳弧位置，调整激光焦点与电弧焊丝，沿焊接方向间隔一定距离；

13、s3：进行增材制造单层加工，激光先出光、然后电弧起弧，激光和电弧一起相对工件移动构造出单层增材零件；

14、s4：选择合适的激光清洗参数，关闭电弧，在控制器中调整或从预置工艺库中导出激光宽度、激光功率、激光频率以及清洗速度的参数，调节合适值；

15、s5：使用激光清洗层间黑灰，控制轨道驱动部使激光与加工零件相对移动，使用激光清洗掉层间黑灰；

16、s6：完成零件整体加工，重复上述三和五的步骤，直至完成整个零件的加工。

17、进一步，所述步骤s4中激光宽度50-60mm，激光功率200-400w，激光频率130-150khz，清洗速度10-15mm/s。

18、进一步，所述步骤s1中的激光功率至200-500w，调节激光摆动宽度1～3mm。

19、进一步，所述步骤s2中沿焊接方向间隔-3mm～+3mm。

20、本申请提供的技术方案带来的有益效果：

21、1、该激光清洗辅助电弧增材制造的装置与方法，在单层增材时，通过激光视觉一体化跟踪器实时跟踪增材路径，反馈给x、z轴伺服驱动轨道，带动激光清洗头和弧焊枪实时调整运动轨迹，达到高质量的增材效果；增材后清洗黑灰时，根据系统设定好的路径和参数，仅开激光，完成零件表面清洗；将本机构搭载在不同运动平台上，如增加一个y轴运动机构、变位机，或者机器人上，即省去机构中的x、z轴伺服驱动轨道，可以完成不同规格不同作业方式产品的增材和清洗。

22、2、该激光清洗辅助电弧增材制造的方法，通过调节激光作用宽度，对应的激光清洗工艺，如激光功率、扫描频率等需要良好匹配才能保证好的清洗效果，通过将激光清洗头与电弧枪的集成设计，使得层间清洗、电弧增材同步进行，而无需像传统的机械打磨、电弧增材只能交替进行，极大的提高了加工效率。

23、3、该激光清洗辅助电弧增材制造的方法，激光作用在金属熔池上方时能够形成等离子羽辉，一方面可以压缩电弧，提高电流密度，增强电弧燃烧的稳定性，另一方面，激光可以降低维持电弧燃烧的电压，使得熔滴更加均匀，不容易中断，通过增大激光作用的宽度，使其覆盖整个焊缝范围，可以通过激光清洗去除层间的黑灰，而无需人工打磨，从而提高效率，降低劳动强度。

技术特征：

1.一种激光清洗辅助电弧增材制造的装置，包括轨道驱动部和激光清洗头(4)，轨道驱动部通过螺栓可连接于激光清洗设备上，用于实现激光清洗部件的位移调整，满足实施动态清洗，伺服驱动部的前侧设有垂直设置的激光清洗头(4)，配合轨道驱动部的轨道位移进行激光清洗，其特征在于：

2.如权利要求1所述的激光清洗辅助电弧增材制造的装置，其特征在于，所述轨道驱动部包括两个轨道驱动机构，分别为x轴伺服驱动轨道(1)和z轴伺服驱动轨道(2)，x轴伺服驱动轨道(1)和z轴伺服驱动轨道(2)上分别滑动有连接板(7)和安装板(8)，用于完成轨道驱动机构位移动力传递。

3.如权利要求2所述的激光清洗辅助电弧增材制造的装置，其特征在于，所述x轴伺服驱动轨道(1)和z轴伺服驱动轨道(2)组合成l型，其中z轴伺服驱动轨道(2)的后侧与x轴伺服驱动轨道(1)上的连接板(7)固定，方便x轴伺服驱动轨道(1)可以带动z轴伺服驱动轨道(2)做z轴方向运动。

4.如权利要求3所述的激光清洗辅助电弧增材制造的装置，其特征在于，所述安装板(8)的前左侧设有激光视觉一体化跟踪器(3)，快速准确地确定目标物体的位置，引导激光清洗头(4)和电弧枪(6)加工轨迹。

5.如权利要求1所述的激光清洗辅助电弧增材制造的装置，其特征在于，所述电弧枪(6)的外侧套设有调整臂(5)，连接于对电弧枪(6)并方便对其安装固定。

6.如权利要求1所述的激光清洗辅助电弧增材制造的装置，其特征在于，所述调整臂(5)上通过螺丝锁定有一固定轴(9)，固定轴(9)远离调整臂(5)的一端固定在安装板(8)上，调整臂(5)通过螺丝松紧调整在固定轴(9)的角度，使电弧枪(6)的电弧位置与激光清洗头(4)的激光焦点位置相近或一致。

7.一种激光清洗辅助电弧增材制造的方法，包括以下步骤：

8.一种激光清洗辅助电弧增材制造的方法，其特征在于，所述步骤s4中激光宽度50-60mm，激光功率200-400w，激光频率130-150khz，清洗速度10-15mm/s。

9.一种激光清洗辅助电弧增材制造的方法，其特征在于，所述步骤s1中激光功率至200-500w，调节激光摆动宽度1～3mm。

10.一种激光清洗辅助电弧增材制造的方法，其特征在于，所述步骤s2中沿焊接方向间隔-3mm～+3mm。

技术总结
本发明提出了一种激光清洗辅助电弧增材制造的装置，包括轨道驱动部和激光清洗头，本发明还提供一种激光清洗辅助电弧增材制造的方法，包括以下步骤：选择合适的激光稳弧参数，通过控制器调节激光功率，调节激光摆动宽度；确定合适的稳弧位置，调整激光焦点与电弧焊丝，沿焊接方向间隔一定距离；进行增材制造单层加工，激光先出光、然后电弧起弧，激光和电弧一起相对工件移动构造出单层增材零件。该激光清洗辅助电弧增材制造的装置与方法，激光作用在金属熔池上方时能够形成等离子羽辉，一方面可以压缩电弧，提高电流密度，增强电弧燃烧的稳定性，另一方面，激光可以降低维持电弧燃烧的电压，使得熔滴更加均匀，不容易中断，而且在增材加工下一层时，激光清洗可以清除上一道增材加工形成的表面氧化物，提高增材加工质量。

技术研发人员：王春明,张威,王军
受保护的技术使用者：武汉翔明激光科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14