本發(fā)明屬于金屬增材制造，尤其涉及一種基于激光與電弧復(fù)合熱源的絲材電弧增材制造方法及系統(tǒng)。具體用于在增材制造過(guò)程中，通過(guò)同步激光重熔方式對(duì)熔池溫度場(chǎng)與晶粒形貌進(jìn)行精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)沉積態(tài)構(gòu)件顯微組織的細(xì)化與力學(xué)性能的提升。本發(fā)明適用于高性能結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的精密制造與現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。

背景技術(shù)：

1、電弧增材制造作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)，憑借設(shè)備成本低、材料利用率高、沉積速率快等優(yōu)勢(shì)，在航空、能源與模具等領(lǐng)域得到快速發(fā)展。然而，該工藝普遍存在熱輸入大、熔池尺寸大、冷卻速率低、熔池流動(dòng)性差等問(wèn)題，導(dǎo)致微觀組織不均、晶粒粗大、各向異性顯著、殘余應(yīng)力大，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步工程應(yīng)用。

2、傳統(tǒng)電弧增材制造過(guò)程中，沉積態(tài)構(gòu)件通常呈現(xiàn)以柱狀晶為主導(dǎo)的微觀組織特征，層間晶粒分布不連續(xù)，且晶粒的生長(zhǎng)方向隨沉積路徑變化而改變，容易在不同沉積層之間形成結(jié)合薄弱區(qū)。同時(shí)，受增材過(guò)程中的自回火效應(yīng)影響，構(gòu)件在高度方向上存在顯著的組織演化差異。這種粗大且分布不均的顯微組織嚴(yán)重削弱了沉積態(tài)構(gòu)件的整體力學(xué)性能，尤其在結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、鎂鋁合金等易發(fā)生元素偏析的材料中惡化更為嚴(yán)重。盡管傳統(tǒng)的焊后熱處理工藝可以實(shí)現(xiàn)一定程度的組織調(diào)控，但并不適用于近終成形的增材構(gòu)件。一方面，該工藝會(huì)顯著降低增材制造的整體效率；另一方面，對(duì)構(gòu)件的尺寸和結(jié)構(gòu)形貌提出了較高的適配要求，限制了其在復(fù)雜零件制造與原位修復(fù)場(chǎng)景中的應(yīng)用。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種可嵌入式、低成本、易于系統(tǒng)集成的原位組織調(diào)控技術(shù)，在確保沉積效率的同時(shí)，有效提升構(gòu)件的微觀組織均勻性與宏觀性能穩(wěn)定性。

3、目前，已有部分研究嘗試采用激光-電弧復(fù)合熱源技術(shù)用于增材制造。例如，中國(guó)專利cn202211117847.9公開(kāi)了一種復(fù)合熱源增材制造方法及裝置，提出將激光熔覆、等離子體與冷金屬過(guò)渡(cmt)電弧三種熱源復(fù)合，以提升焊道穩(wěn)定性與表面質(zhì)量，減少飛濺、咬邊和氣孔等宏觀成形缺陷，并在特定材料體系中取得了較好的應(yīng)用效果；中國(guó)專利cn202211297794.3則提出了一種激光與電弧復(fù)合熱源帶狀絲材實(shí)現(xiàn)超寬超薄焊道的增材方法，采用脈沖激光引導(dǎo)帶狀絲材熔化以拓寬焊道寬度、降低成形余高，同時(shí)通過(guò)激光-電弧脈沖協(xié)同機(jī)制提升能量利用效率。上述技術(shù)方案雖可在一定程度上優(yōu)化增材構(gòu)件的尺寸精度與成形形貌，但尚未實(shí)現(xiàn)在沉積過(guò)程中對(duì)晶粒尺寸、組織形貌及力學(xué)性能的有效控制與提升，其在高性能金屬構(gòu)件增材制造應(yīng)用中的適用范圍仍較為有限。另一方面，也有研究嘗試通過(guò)同步輥壓、層間錘擊等原位物理干預(yù)手段來(lái)調(diào)控晶粒生長(zhǎng)方向，促進(jìn)再結(jié)晶過(guò)程并改善組織均勻性。然而，此類方法普遍存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成難度高以及難以適配復(fù)雜曲面或異形結(jié)構(gòu)件等問(wèn)題。此外，諸如超低溫冷卻、磁場(chǎng)輔助、超聲振動(dòng)等新型調(diào)控手段雖在實(shí)驗(yàn)條件下表現(xiàn)出一定的微觀組織調(diào)控潛力，但在實(shí)際工程應(yīng)用中往往面臨工藝窗口窄、易誘發(fā)熱裂紋或冷裂紋、重復(fù)性與穩(wěn)定性差等技術(shù)瓶頸，工程適應(yīng)性較差。

4、綜上，尚缺乏一種可在連續(xù)電弧沉積過(guò)程中穩(wěn)定嵌入、可實(shí)現(xiàn)高頻次熱調(diào)控、并具備組織演化實(shí)時(shí)影響能力的原位組織調(diào)控策略。而在激光-電弧協(xié)同沉積研究中，關(guān)于激光作用區(qū)域(如糊狀區(qū))重熔行為對(duì)溫度場(chǎng)與流動(dòng)場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制、晶粒取向演變規(guī)律等尚無(wú)系統(tǒng)研究，嚴(yán)重限制了復(fù)合熱源增材制造工藝在組織調(diào)控和高性能構(gòu)件制造中的應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決傳統(tǒng)電弧增材制造沉積態(tài)構(gòu)件中晶粒粗大、組織不均勻、力學(xué)性能低以及構(gòu)件服役性能不穩(wěn)定等關(guān)鍵性技術(shù)難題。為此，本發(fā)明提出了一種復(fù)合熱源增材制造系統(tǒng)及方法，通過(guò)在電弧增材沉積過(guò)程中引入同步激光重熔熱源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池局部溫度場(chǎng)和流動(dòng)行為的原位調(diào)控，從而顯著改善構(gòu)件的微觀組織結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)。

2、本發(fā)明所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：激光器、焊接系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、多軸機(jī)械臂、多軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)、基板，以及由熱成像儀與高速攝像機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)。激光器、焊槍與送絲系統(tǒng)集成安裝于多軸機(jī)械臂上，實(shí)現(xiàn)空間路徑靈活配置；基板通過(guò)夾具固定于多軸平臺(tái)上，可在打印過(guò)程中完成平移或翻轉(zhuǎn)操作，適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形需求。送絲系統(tǒng)內(nèi)設(shè)中心送絲通道，用于持續(xù)輸送金屬絲材至焊接區(qū)。電弧熱源作為主熔化能量輸入源，將金屬絲熔化成液滴并沉積于基板表面形成熔池；同時(shí)，激光器輸出高能激光束，其光軸始終垂直于沉積平面，且與電弧焊槍之間保持一定距離，聚焦于電弧熔池后方的半凝固區(qū)(即糊狀區(qū))，實(shí)現(xiàn)同步激光重熔作用。激光引發(fā)的局部重行為可在糊狀區(qū)形成次級(jí)擾動(dòng)熔池，顯著激發(fā)環(huán)狀或定向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)，重構(gòu)熔池?zé)崃鲌?chǎng)，并在晶體凝固前階段促進(jìn)大量異質(zhì)形核，抑制柱狀晶主導(dǎo)生長(zhǎng)趨勢(shì)，進(jìn)而誘導(dǎo)形成細(xì)小均勻的等軸晶組織。

3、為實(shí)現(xiàn)增材過(guò)程的可控性與自適應(yīng)性，本發(fā)明進(jìn)一步構(gòu)建了完整的熱-流-固反饋閉環(huán)系統(tǒng)。監(jiān)控模塊包括,熱像儀與高速攝像相機(jī)，安裝于熔池移動(dòng)方向側(cè)方三腳架上，可實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布及熔池形貌演化數(shù)據(jù)；同時(shí)，基于構(gòu)件三維cad模型與路徑規(guī)劃信息，結(jié)合工藝參數(shù)初始化條件，建立有限元仿真模型進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，對(duì)熔池?zé)嵝袨檫M(jìn)行預(yù)測(cè)性模擬。根據(jù)熱像儀實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)與模擬結(jié)果比對(duì)，通過(guò)控制模塊動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率與聚焦位置，確保激光始終穩(wěn)定作用于熔池尾部糊狀區(qū)。該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔池凝固行為、溫度梯度與冷卻速率的多參數(shù)精準(zhǔn)控制，從而穩(wěn)定獲得細(xì)化、等軸化的晶粒形貌。

4、一種激光輔助的電弧增材制造方法制備金屬構(gòu)件的方法，包括以下步驟：

5、步驟1，根據(jù)所用金屬絲材材質(zhì)，選擇合適電弧增材成形工藝參數(shù)，調(diào)試好電弧增材系統(tǒng)中焊接設(shè)備的電流電壓、保護(hù)氣種類及氣體流量、送絲速度和焊接速度等。

6、步驟2，選擇合適基板，并用砂輪機(jī)對(duì)基板表面待增材位置進(jìn)行打磨，去除污漬及氧化層，然后用酒精等有機(jī)溶劑沖洗后吹干備用。

7、步驟3，將待增材制備的構(gòu)件數(shù)模導(dǎo)入，并規(guī)劃好打印層數(shù)、打印路徑、層間或區(qū)域間冷卻時(shí)間等參數(shù)。

8、步驟4，啟動(dòng)熱監(jiān)控系統(tǒng)后，啟動(dòng)電弧增材成形制造程序，制備出單電弧熱源增材成形制備的沉積態(tài)零件。

9、步驟5，根據(jù)構(gòu)件數(shù)模、實(shí)時(shí)采集的焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布及熔池形貌演化數(shù)據(jù)，進(jìn)行有限元溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，對(duì)熔池?zé)嵝袨檫M(jìn)行分析，并結(jié)合步驟4得到的沉積態(tài)構(gòu)件的顯微組織特征，確定輔助激光熱源的功率與作用位置，確保激光始終穩(wěn)定作用于熔池尾部糊狀區(qū)，且不會(huì)引起熔池飛濺、已成形區(qū)域過(guò)燒等缺陷。

10、步驟6，根據(jù)步驟5的結(jié)果，調(diào)整電弧焊槍與激光器的相對(duì)位置，并設(shè)定電弧與激光協(xié)同工作模式，使激光器輸出能量能夠穩(wěn)定的作用于電弧熔池糊狀區(qū)。

11、進(jìn)一步的，步驟6中調(diào)整電弧焊槍與激光器輸出光軸的相對(duì)位置，使電弧焊槍送絲方向與激光光軸呈60°夾角，而激光光束始終垂直于工作臺(tái)。

12、步驟7，增材過(guò)程中始終關(guān)注熱監(jiān)控系統(tǒng)記錄的熔池?zé)嵝袨?，如因熱累積和構(gòu)件位置變化導(dǎo)致熔池形態(tài)或溫度場(chǎng)有較大改變，需及時(shí)調(diào)整電弧-激光協(xié)同工藝參數(shù)，以確保構(gòu)件穩(wěn)定成形，顯微組織得以有效細(xì)化且性能有所提升。

13、本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建激光-電弧協(xié)同復(fù)合熱源體系，結(jié)合多軸協(xié)同控制與熱場(chǎng)智能反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了增材過(guò)程中的熱場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與反饋修正，保證電弧-激光功率、相對(duì)位置根據(jù)材料參數(shù)、構(gòu)件形狀、路徑規(guī)劃和熔池狀態(tài)等的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。能夠在電弧增材制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)同步組織調(diào)控和性能優(yōu)化，為構(gòu)件提供細(xì)小等軸晶主導(dǎo)的組織基礎(chǔ)，顯著提升結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能及服役穩(wěn)定性，為高性能結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、大型合金構(gòu)件的制造與快速修復(fù)提供了高效可行的技術(shù)路徑，尤其適用于航空航天、能源裝備等領(lǐng)域的大型復(fù)雜金屬零件制造與現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。