当激光项圈驯服弧线时

信息来源： https://idw-online.de/de/news800347

 德国弗劳恩霍夫ILT为DVS研究项目 "KoaxHybrid "开发并建造了一个最纯粹形式的混合技术的例子。在亚琛，该研究所的工程师们开发了一个新的光学系统，该系统采用玻璃基材和电弧焊枪，将金属保护气体（MSG）焊接和激光材料沉积与环形光束结合起来，从而创造了一个全新的工艺。

这种新工艺结合了两种工艺的优点：两种不同的增材工艺与线状填充材料。我们说的是线弧增材制造（WAAM）和线激光材料沉积（WLMD）。这两种工艺都有与系统相关的优点和缺点。与WAAM相比，WLMD成本高，沉积率低，但其特点是热输入低，而且能准确地在所需位置上进行精确的层堆积。由于这个原因，它在航空航天工业中的需求特别大。如果需要更高的工作效率，WAAM是更好的选择，这样可实现的表面更宽，但层积也明显更粗。

 在连接方面，激光束焊接和气体金属电弧焊接的结合被确立为LB-GMA混合焊接。然而，这种横向工艺取决于方向，只在有限的程度上适用于连接三维接缝。

 当这两种工艺同轴结合时，沉积率可提高150%，因此，新的方向无关的3D打印工艺也可用于大型部件。"由于表面波纹减少，与WAAM工艺相比，所需的后处理量明显减少，"Fraunhofer ILT的研究助理Max Fabian Steiner解释说。

 

 

图片来源：3D科学谷

 组合工艺确保协同效应

线弧增材制造是一种成熟而稳健的工艺，因为不仅可以低成本地获得必要的系统技术，而且大多数金属材料都可以用它来加工。Steiner解释了它的缺点。"然而，电弧不能像激光束那样精确聚焦。Steiner与他的研究所同事Jana Kelbassa一起，开发并建造了一个特殊的水冷光学系统（作为一种对策），该系统带有玻璃基板和水冷电弧焊枪，用于高功率焊接和增材制造。在新的光学系统中，两种能源被叠加，两种单独工艺的优势被有利地结合起来。

在混合工艺中，焊丝末端和基体之间的电弧被环形激光辐射所包围，就像一个项圈一样。这种组合背后的想法是，电弧不能冲出这个项圈，而是被强行引导。新工艺的名称 "COLLAR Hybrid "就是因为这种 "强制引导"，缩写COLLAR是指两种工艺的共同同轴激光电弧。

弗劳恩霍夫ILT公司正在利用新的系统技术进一步开发具有环形激光束和电弧技术的金属3D打印，而亚琛工业大学焊接和连接研究所（ISF）正在利用它开发具有环形聚焦和同轴送丝的方向独立的混合焊接。这两个使用案例都是DVS研究项目KoaxHybrid的一部分。

 适用于非线性连接

但是，使新的混合工艺与众不同的不仅仅是更高的焊接速度--根据最初的测试，与电弧焊相比，增加了大约100%。"当涉及到不只是线性的焊缝时，它就变得很困难，"Steiner说。"在每一个角落或曲线，传统的设置将不得不旋转，这导致了在编程路径方面的大量努力。"另一种选择是COLLAR工艺，其光学元件可以在任何方向上进行焊接。此外，它还获得了另一个积极的效果。"我们预计，由于导弧的存在，新的、不那么复杂的焊接准备工作将足以满足在厚板连接接头处的需要。"

 电弧和激光分担工作

如果需要非常精细和粗大的结构，可以改变工艺的比例。使用纯激光或多数激光工艺（电弧完全关闭或在低功率下），可以沉积具有挑战性的区域和精细结构；使用多数电弧工艺，较粗的结构，如宽肋或具有大沉积率的区域，可以明显更快、更经济地沉积，而且能量输入更少。

类似的构建策略也适用于铝或铜等材料，否则这些材料通常需要更昂贵的蓝色或绿色激光束源。"例如，我使用电弧来打破氧化铝层，它的熔化温度为2200℃，"斯坦纳从一个成功的实验中报告说。"但是下面的铝层只有660°C的熔化温度，然后我可以用较低的综合功率进行焊接或加工。"

 DVS的焊接及相关工艺研究协会e.V.的IGF项目 "带有环形焦点和同轴送丝的方向无关的激光-MSG混合焊接-KoaxHybrid "由AiF德国工业研究协会联合会在联邦经济事务和气候行动部的促进集体工业研究（IGF）计划框架内资助。

 

具体信息可以咨询:

Max Fabian Steiner，理学硕士

电话：+49 241 8906-267 max.fabian.steiner@ilt.fraunhofer.de

 Thomas Schopphoven博士

激光材料沉积部门的负责人 

电话 +49 241 8906-8107 thomas.schopphoven@ilt.fraunhofer.de

 Jana Kelbassa 理学硕士

系统技术组 LMD 

电话 +49 241 8906-8331 jana.kelbassa@ilt.fraunhofer.de

 弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT Steinbachstraße 15, 52074 Aachen, Germany www.ilt.fraunhofer.de