電弧焊+激光熔覆混合金屬3D打印技術(shù)，德國(guó)弗勞恩霍夫Collar Hybrid

2022年9月22日，南極熊獲悉，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer ILT)的工程師宣布開發(fā)出一種新的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用玻璃基板和弧焊炬，將金屬保護(hù)氣體(MSG)焊接與使用環(huán)形光束的激光堆焊技術(shù)結(jié)合在一起，從而創(chuàng)造出一種全新的制造工藝——“CollarHybrid”。

圖片來源：Fraunhofer ILT

這種工藝能夠提升金屬3D打印的焊接速度和沉積速度，它結(jié)合了線材電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）和線材激光材料沉積（WLMD）兩種增材制造工藝。這兩種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，取決于系統(tǒng)。

激光工藝非常昂貴且沉積率低，電弧絲增材制造則是一種成熟而穩(wěn)健的工藝。但是，電弧是有方向性的，在連接三維焊縫時(shí)它不能像激光束那樣精確聚焦，也不能像激光那樣產(chǎn)生精細(xì)、精確的軌跡，具有一定的局限性。相較之下，激光器的熱輸入較低，并能精確地對(duì)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)。因此，激光工藝經(jīng)常被用于航空航天領(lǐng)域。與激光(Wire Laser Material Deposition, WLMD)相比，線弧增材制造(WAAM)的沉積率更高。在焊接方面，激光束焊接與氣體保護(hù)金屬弧焊的結(jié)合被命名為L(zhǎng)B-GMA混合焊接。然而，這種側(cè)向過程是方向相關(guān)的，并不是非常適用于三維焊縫的連接。

當(dāng)這兩種工藝同軸結(jié)合到一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，其焊接速度提高了約100％，沉積速率可提高高達(dá)150%，甚至可用于大型部件的3D打印。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的研究助理Max Fabian Steiner指出，由于表面波紋減少，與WAAM工藝相比，這種結(jié)合工藝所需的后處理量顯著減少。

組合過程確保協(xié)同效應(yīng)

Steiner和他在研究所的同事JanaKelbassa一起開發(fā)并建造了一種特殊的水冷光學(xué)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠利用玻璃襯底和水冷電弧炬在大功率激光束下進(jìn)行焊接和增材制造。在新的光學(xué)系統(tǒng)中，兩種能源被疊加，兩種單獨(dú)工藝的結(jié)合可謂相得益彰。

圖片來源：Fraunhofer ILT

在混合工藝中，金屬絲末端與襯底之間的電弧被環(huán)形激光輻射包圍，就像被一個(gè)圓環(huán)（collar）包圍一樣，而且弧線不能突破這個(gè)環(huán)。這種新工藝得名于“強(qiáng)制引導(dǎo)”（forcedguidance），縮寫“COLLAR”指的是兩種工藝共同的同軸激光弧。

德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所正在使用新的系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)了金屬3D打印與環(huán)形激光束和電弧技術(shù)，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)焊接與連接研究所(ISF)正在使用它開發(fā)的混合焊接與環(huán)形聚焦和同軸送絲工藝。這兩個(gè)應(yīng)用案例都是分布式交換機(jī)研究項(xiàng)目“KoaxHybrid”的一部分。

最初的測(cè)試結(jié)果顯示，新的混合工藝與電弧焊相比焊接效率提高了大約100%。另一種選擇是COLLAR工藝，這種光學(xué)技術(shù)可以在任何方向上進(jìn)行焊接。此外，它還足以滿足厚板焊接的要求。

圖片來源：Fraunhofer ILT

電弧和激光共同協(xié)作

在需要制造非常精細(xì)或者粗糙的結(jié)構(gòu)時(shí)，這種工藝的參數(shù)比例還能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。使用純激光工藝或多激光工藝(完全閉環(huán)電弧或低功率)，可以沉積以往頗具挑戰(zhàn)性的區(qū)域結(jié)構(gòu)和精細(xì)結(jié)構(gòu)；使用多電弧焊接工藝，則可以打造較粗的結(jié)構(gòu)（如寬肋或沉積速率大的區(qū)域），且能夠以明顯更快、更經(jīng)濟(jì)有效和更低的能量輸入進(jìn)行沉積。

類似的構(gòu)建策略也適用于鋁或銅等材料，以往這樣的操作通常需要昂貴得多的藍(lán)色或綠色激光光束源。例如，如果使用電弧來粉碎鋁氧化物層，其熔化溫度為2200℃。但下面的鋁層由于只有660℃的熔化溫度，就可以用更低的綜合功率來進(jìn)行焊接或加工。

2022年9月19日至21日，DVS德國(guó)焊接協(xié)會(huì)的專家大會(huì)將在科布倫茨舉行，你可以在這里（https://www.dvs-ev.de/call4papers/index.cfm?vid=115&lang=de）了解更多關(guān)于混合焊接工藝和3D打印的信息。