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

2022年9月22日，南極熊獲悉，德國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，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、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金屬弧焊的結(jié)合被命名為LB-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)合到一個系統(tǒng)時，其焊接速度提高了約100％，沉積速率可提高高達150%，甚至可用于大型部件的3D打印。德國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，就像被一個圓環(huán)（collar）包圍一樣，而且弧線不能突破這個環(huán)。這種新工藝得名于“強制引導(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。這兩個應(yīng)用案例都是分布式交換機研究項目“KoaxHybrid”的一部分。

最初的測試結(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或者粗糙的結(jié)構(gòu)時，這種工藝的參數(shù)比例還能夠根據(jù)實際情況進行調(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)濟有效和更低的能量輸入進行沉積。

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行焊接或加工。

2022年9月19日至21日，DVS德國焊接協(xié)會的專家大會將在科布倫茨舉行，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。