德国Fraunhofer研究所丨电弧焊+激光熔覆混合金属3D打印技术

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电弧焊+激光熔覆混合金属3D打印技术

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)的工程师宣布开发出一种新的光学系统，该系统通过使用玻璃基板和弧焊炬，将金属保护气体(MSG)焊接与使用环形光束的激光堆焊技术结合在一起，从而创造出一种全新的制造工艺——“CollarHybrid”。

这种工艺能够提升金属3D打印的焊接速度和沉积速度，它结合了线材电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）和线材激光材料沉积（WLMD）两种增材制造工艺。这两种工艺各有优缺点，取决于系统。

激光工艺非常昂贵且沉积率低，电弧丝增材制造则是一种成熟而稳健的工艺。但是，电弧是有方向性的，在连接三维焊缝时它不能像激光束那样精确聚焦，也不能像激光那样产生精细、精确的轨迹，具有一定的局限性。相较之下，激光器的热输入较低，并能精确地对准层结构。因此，激光工艺经常被用于航空航天领域。与激光(Wire Laser Material Deposition, WLMD)相比，线弧增材制造(WAAM)的沉积率更高。在焊接方面，激光束焊接与气体保护金属弧焊的结合被命名为LB-GMA混合焊接。然而，这种侧向过程是方向相关的，并不是非常适用于三维焊缝的连接。

当这两种工艺同轴结合到一个系统时，其焊接速度提高了约100％，沉积速率可提高高达150%，甚至可用于大型部件的3D打印。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所的研究助理Max Fabian Steiner指出，由于表面波纹减少，与WAAM工艺相比，这种结合工艺所需的后处理量显著减少。

组合过程确保协同效应

Steiner和他在研究所的同事JanaKelbassa一起开发并建造了一种特殊的水冷光学系统，这种系统能够利用玻璃衬底和水冷电弧炬在大功率激光束下进行焊接和增材制造。在新的光学系统中，两种能源被叠加，两种单独工艺的结合可谓相得益彰。

在混合工艺中，金属丝末端与衬底之间的电弧被环形激光辐射包围，就像被一个圆环（collar）包围一样，而且弧线不能突破这个环。这种新工艺得名于“强制引导”（forcedguidance），缩写“COLLAR”指的是两种工艺共同的同轴激光弧。

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所正在使用新的系统技术进一步开发了金属3D打印与环形激光束和电弧技术，德国亚琛工业大学焊接与连接研究所(ISF)正在使用它开发的混合焊接与环形聚焦和同轴送丝工艺。这两个应用案例都是分布式交换机研究项目“KoaxHybrid”的一部分。

最初的测试结果显示，新的混合工艺与电弧焊相比焊接效率提高了大约100%。另一种选择是COLLAR工艺，这种光学技术可以在任何方向上进行焊接。此外，它还足以满足厚板焊接的要求。

电弧和激光共同协作

在需要制造非常精细或者粗糙的结构时，这种工艺的参数比例还能够根据实际情况进行调整。使用纯激光工艺或多激光工艺(完全闭环电弧或低功率)，可以沉积以往颇具挑战性的区域结构和精细结构；使用多电弧焊接工艺，则可以打造较粗的结构（如宽肋或沉积速率大的区域），且能够以明显更快、更经济有效和更低的能量输入进行沉积。

类似的构建策略也适用于铝或铜等材料，以往这样的操作通常需要昂贵得多的蓝色或绿色激光光束源。例如，如果使用电弧来粉碎铝氧化物层，其熔化温度为2200℃。但下面的铝层由于只有660℃的熔化温度，就可以用更低的综合功率来进行焊接或加工。

来源：增材制造硕博联盟

Additive 光学航空航天增材焊接材料

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首次发布时间：2023-03-19