CN102240861B - 梯度功能结构制造方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及梯度功能结构电弧焊接快速成型制造方法及其设备，采用外场复合带模强制温度控制顺序生长整体焊接成型技术，原位合金化双金属梯度材料，近净制造梯度功能结构；该方法产生电磁搅拌作用、电磁冶金作用、超声焊接作用，综合控制大体积焊接熔池液态金属凝固过程，在高速送丝系统、带模强制温度控制系统、近净强迫顺序生长整体成型系统、原位合金化梯度材料的配合下，实现梯度功能结构制造方法。本发明装置是由电磁焊接系统、超声焊接系统、高效焊接系统集成组合而成。本发明采用无分层焊缝结构快速、低成本焊接制造梯度功能结构的方法和设备；减少了制造周期，提高了生产效率，保障了梯度功能结构高可靠和长寿命。

Description

梯度功能结构制造方法及设备

技术领域

本发明涉及焊接快速成型技术，具体涉及一种梯度功能结构制造方法及设备，属于焊接技术领域。

背景技术

如何充分发挥焊接技术的制造优势和现代结构材料的性能，快速制造大转矩、低噪声、低能耗、无污染的新型高性能特种结构件/零件/部件/器件/系统(如特种传动轴、活塞杆、高速和重型齿轮，特种转子和叶片、特种轮毂轴、导轨、齿辊、轧辊、模具等)，特别是要解决极端与特殊情况下，轻量化、长寿命、高可靠、高性能新型特种部件及其系统存在高能源消耗、高材料消耗、长加工周期、使用寿命短等问题是机械工程重要装备领域的关键技术。

在极端服役条件下，机械关键基础零部件中高性能特种零部件，目前主要采用整体单一结构件(如锻压件、铸造件)经机械加工后制造而成，其原材料、能源、人力等资源消耗较大，加工时间长，设备要求极高、成本投入大，而成品率较低，制造成本居高不下。近年来，国内外焊接科技工作者成功将现代先进焊接技术应用于特种大型零部件的制造过程中，研制成功高质量焊接特种零部件及其结构，使用于性能要求极为严格、服役环境极为苛刻的环境中，如核电站转子，拓展了焊接结构应用范围，极大地降低了生产制造成本，快速实现高性能特种复杂零部件的加工制造，满足其使用性能的要求，改变其传统加工制造方法，形成关键零部件/器件制造新原理与新工艺。由此可见，在特定使用条件和应用环境下，以先进高效焊接技术为重要制造手段，攻克关键基础零部件重大科学共性难题，保障我国大型工程建设，发展机械制造产业，培育资源节约与环境友好的装备业，推进社会可持续发展，满足国家对高性能机电装备的重大需求，促进科技进步、经济增长与国家安全具有重大科学意义和工程实用价值。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单、减少焊接缺陷，降低成本，提高生产效率和焊接质量的梯度功能结构制造方法及其设备。

本发明的目的是这样实现的：梯度功能结构制造方法，在基体上，采用外场复合-带模-强制温度控制-整体顺序生长-电弧熔化焊接-快速成型近净制造技术，结合原位合金化梯度功能材料的制备，按照尺寸设计和精度要求，高效、近净、低成本制造微观结构晶粒细化、焊缝无分层、无成份偏析、内部具有高塑性与高韧性、表面耐磨、耐腐蚀、耐高温的梯度功能结构；所述焊接快速成型技术是电弧、熔滴、熔池和焊缝在外加复合能量场中，发生电磁控制电弧等离子旋转和熔滴过渡作用、电磁搅拌作用、电磁冶金作用、超声焊接作用，综合有序系统控制和促成大体积焊接熔池液态金属顺序定向凝固过程，在大电流高速送丝系统、高效焊接电源系统、带模强制温度控制系统、气体保护系统、原位合金化梯度功能材料的配合下，实现梯度功能结构近净无分层顺序生长整体焊接成型制造。

梯度功能结构制造方法，外加复合能量场由电磁能量场和超声能量场组成；电磁能量场包括电磁熔池搅拌能量场和电磁焊缝处理能量场；电磁能量场是恒定磁场，或者频率、强度、占空比以及方向变化的时变电磁场；电磁熔池搅拌能量场参数调节范围是：时变磁场磁感应强度为0.01～0.3T，磁场频率为0～30Hz，占空比为30～70％，或者恒定磁场磁感应强度为0.01～2.0T；电磁焊缝处理能量场参数调节范围是：磁感应强度为0.1～10T，磁场频率为1～2KHz，电磁场功率为1K～20KW超声能量场参数调节范围是：超声频率为10K～400KHz，超声功率为0.1～2.5KW，占空比为20～80％；所述焊接技术包括高效焊接技术，高效焊接工艺参数调节范围是：焊接电流200～1800A，焊接送丝速度0.1～60m/min，焊丝直径0.6～4mm，采用单丝焊接方式，或者双丝焊接方式，或者三丝焊接方式，或者两个双焊丝方式。

梯度功能结构制造方法，带模强制温度控制顺序生长整体焊接成型技术是导热性高的、与零部件外形相同的金属材料作为成型模具，模具可自由运动，在模具内部通以循环冷却介质，通过循环冷却介质的散热作用，强制冷却和控制由模具和基体所构成的大尺寸焊接熔池空间中熔融液态金属的凝固过程，当焊接熔池底部的液态金属凝固成型后，模具沿工件的轴向或者径向方向顺序合理运动，从而使得焊接熔池中液态金属在底部基体上实现无分层的顺序凝固和焊缝方向性定向生长，模具的内表面与零部件的外观形状和尺寸相同，其精度满足零部件设计要求，连续焊接大尺寸焊接熔池金属顺序冷却凝固后形成具有与零部件相同外观形状的工件，无需大量的后续机械加工，实现梯度功能结构的近净、快速、整体、低成本的焊接成型制造；在带模方法、强制温度控制方法、整体顺序生长方法、快速近净成型方法、外加复合能量场、高效焊接方法、原位合金化方法、多种焊接材料的共同作用下，制备新型梯度功能结构，使得零部件内部具有焊缝内部微观晶粒细化，表面组织耐磨、耐腐蚀，梯度功能结构的焊缝因连续顺序凝固没有明显的分层现象，焊缝无偏析现象发生，焊缝内部金属成份、表面金属成份与基体母材成份均匀过渡形成材料梯度，完成内部具有高韧塑性、表面具有高耐磨性，具备耐腐蚀性、耐高温的梯度功能结构的低成本、高性能电弧熔化焊接快速整体成型近净制造技术。

梯度功能结构制造方法，原位合金化梯度功能结构制备方法是采用多种成份的焊丝，根据零部件设计技术要求和使用寿命，在基体上原位合金化形成中间过渡层和外部功能层的梯度功能结构，使得零部件内部具有足够的强度、韧塑性与抗冲击能力，同时表面具有高耐磨性、耐腐蚀性能，并保证梯度功能层与母材基体具有良好的结合能力，不容易脱落，解决层间剥离和成份偏析的问题，形成原位合金化牢固结合的梯度功能结构制造方法；所述超声是在焊接电弧上单独施加，或者在焊缝上单独施加，或者在电弧、熔池和焊缝上复合施加，产生超声波控制复合焊接作用，促进焊接残余应力的重新分布以降低焊接残余应力水平，加快熔池气体溢出，减少焊缝气孔缺陷，改善合金元素的流动性和强化相质点的活性，提高焊接接头的整体质量。

梯度功能结构制造设备，包括控制系统、电源系统、执行系统、检测监控系统、气体保护系统和集成耦合平台系统，其特征在于：所示控制系统是由多能场耦合控制系统和热沉控制系统构成；电源系统由电磁处理电源系统、电磁搅拌电源系统、高效焊接电源系统和超声电源系统组成；执行系统是由电磁处理执行系统、热沉控制执行系统、超声控制执行系统和模具移动执行系统构成；检测监控系统由计算机辅助参数检测系统、焊接残余应力检测系统和高速摄影系统构成，多能场耦合控制系统与电源系统和执行系统通过集成耦合平台系统联接成一个整体，对气体保护电弧熔化焊接快速成型近净制造过程进行系统控制，并与检测监控系统构成完整的梯度功能结构制造设备。

梯度功能结构制造设备，模具由第一模块和第二模块共同构成，模具上带有由第一移动机构和第二移动机构构成的升降系统，模具移动执行系统控制带有升降系统的模具沿着工件轴向或者径向运动；焊接熔池由模具的第一模块、第二模块和基体组成的空间共同构成；气体保护系统输送保护气体保护焊接电弧和焊接熔池及其焊接周围区域，避免焊缝受到污染；模具的第一模块和第二模块内有循环冷却通道，在冷却通道内有冷却介质流动，热沉控制执行系统通过在模具内部通道中冷却介质的循环流动控制焊接熔池中液体金属的凝固过程，与此同时热沉控制执行系统还控制基体温度，模具内表面具有与零部件外形相同的精确造型，在具有精确造型的模具和模具移动执行系统的辅助下，通过控制焊接熔池周围的温度梯度，促进焊接熔池中金属顺序凝固和形成方向性生长，强制焊缝近净成型为具有一定形状的梯度功能结构。

梯度功能结构制造设备，电磁处理执行系统通过安装在模具第一模块的第一励磁机构产生电磁场控制焊接熔池，电磁搅拌作用于焊接熔池，促进焊接熔池凝固组织晶粒细化，均匀化焊缝成份和强化相的分布，促进焊缝气体溢出；电磁处理执行系统通过安装在模具第二模块的第二励磁机构在凝固焊缝部位产生电磁场控制凝固焊缝，电磁热处理作用于凝固焊缝，调整焊缝固态金属组织的残余应力分布，促进稳定相通过固态相变形成；超声控制执行系统通过安装在焊枪上的超声发生机构，在焊接电弧和焊接熔池上方产生超声波，通过控制焊接电弧和焊接熔池来促进晶粒细化、空化、活化、去除杂质和无缺陷焊缝组织的生成，提高焊缝的强韧性，或者超声控制执行系统通过安装在模具上的超声发生机构在凝固焊缝部位产生超声波控制凝固焊缝，调整焊缝固态金属组织的残余应力分布，促进稳定相通过固态相变形成。

梯度功能结构制造设备，计算机辅助参数检测系统用来检测焊接过程的焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、焊接温度、磁场强度、磁场频率、超声强度和超声频率；焊接残余应力检测系统用来检测和分析焊缝和接头的残余应力水平；高速摄影系统通过高速CCD来实时监控焊接熔滴过渡形式和行为，并分析焊接过程的稳定性和评价结构的可靠性；气体保护系统通过喷嘴形成稳定的层流气体流态来保护焊接电弧和焊接熔池，防止焊缝金属被氧化和污染，形成优质焊缝和结构。

相比现有技术，本发明具有如下效果：

1.采用现代金属电弧焊接快速成形和快速凝固强制成形理论，借助先进焊接技术的优势，采用以现代先进焊接技术为特征的非传统加工“生长式”制造新原理与新工艺，克服焊接结构的缺陷，实现零部件局部整体“生长式”快速焊接制造新方法，满足国家工程建设和重要机械装备对高性能零部件的需要，拓展了新型高效焊接技术应用领域与范围，具有重要的工程应用价值。

2.采用外场复合带模强制温度控制顺序生长整体焊接快速成型技术，结合原位合金化梯度功能结构制备方法，突破了传统的不等截面传动轴传统的冷加工(“减法”制造法)制造技术，提供了一种新型低成本近净焊接快速成型方法，该焊接方法突破了传统MAG焊对焊接电流使用上限的限制，大幅度地提高焊丝熔敷率，焊丝送入焊件和模具档板形成的凹槽中，使焊接熔池四面受到约束，接头两侧的成形器具(固定式或移动式冷却块)保持焊接熔池形状强制焊缝成形，实现单面焊双面一次成形，生产率高、焊接质量好、熔敷速度快、综合成本低，是一种带有快速强制凝固控制成形原理的高效焊接技术及设备。

3.结合外加能量场方法、热沉焊接方法、电弧焊接快速成形技术与原位合金化焊接制造方法对焊接过程进行控制，电磁控制、电磁激励、电磁搅拌、电磁冶金、电磁处理、电磁净化、微量元素或稀土元素原位合金化等综合效应控制焊接电弧、熔滴过渡、熔池流体的强制运动，促使焊接熔池熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布，改善组织和相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性、焊缝气孔、夹渣，降低焊接缺陷率，有利于提高焊缝韧塑性，形成优质焊接接头，降低了焊接成本，提高了焊接质量，热沉焊接形成定向凝固特征和定向应力应变控制机制，最终促使实现在零部件内部组织细化、强化相生成，表面耐磨相韧化。

4.采用梯度功能结构来解决特种结构件和模具的加工制造、特别是修复与再制造过程中面临的挑战，从材料梯度和晶粒尺寸梯度两个梯度功能结构方面入手，实现焊接结构的强度、塑性、韧性和耐磨性能获得整体的提升，保障特种结构件的高可靠和长寿命，有效满足极端服役条件下高性能结构件的抗疲劳、耐磨损、高强度的使用能力，使其综合机械性能得到合理的协调、匹配与统一，在保障使用安全的前提下，降低了加工制造成本，延长了关键零部件和机构的寿命，有效提高了资源的利用率，减少能量、材料消耗，实现了机械关键基础零部件制造过程中节能、降耗、减排的现代经济可持续发展目标。

5.通过与母材不同成分焊接材料(焊丝)的焊缝合金化就可以十分方便地制造不同材料成份的梯度结构，而具有很强的灵活性，不受冶金产品(坯料)成分的局限。外观成型好，近净成型，无需太多后续加工，设备简单，成本低，生产短，易于推广应用，作用效果明显。

将原位合金化、高效焊接、气电立焊、电磁焊接、热沉控制、带模凝固等原理、方法和技术与电弧焊接快速成形技术相结合，形成电磁热沉原位合金化带模凝固高效焊接制造新技术，应用于关键基础零部件/器件/模具/结构件制造领域，特别是高性能特种部件和结构的加工制造，解决目前存在的技术难点与科学难题，提高产品质量，满足国民经济发展的需要，催生特种结构件精确成形新工艺、新装备和新原理，具有明显的工程应用背景和重要科学研究价值，也势必成为本领域最新的发展趋势与重点研究方向。

附图说明

图1是本发明焊接制造方法和设备示意图。

图2是本发明焊接熔池的纵向剖面图。

图3是本发明实施例-制造的传动齿轮轴示意图。

图中，1.多能场耦合控制系统；2.电磁处理电源系统；3.电磁搅拌电源系统；4.高效焊接电源系统；5.热沉控制系统；6.气体保护系统；7.电磁处理执行系统；8.热沉控制执行系统；9.模具移动执行系统；10.高速摄影系统；11.计算机辅助参数检测系统；12.焊接残余应力检测系统；13.集成耦合平台系统；14.超声控制执行系统；15.基体；16.第一模块；17.第一励磁机构；18.第二励磁机构；19.焊接熔池；20.焊枪；21.第二移动机构；22.第一移动机构；23.喷嘴；24.高速CCD；25.第二模块；26.焊缝；27.焊接电弧；28.冷却介质；29.超声发生器；30.焊丝；31.保护气体。

具体实施方式

图1为本发明焊接制造方法和设备示意图，图2为本发明焊接熔池的纵向剖面图，图3为本发明实施例-制造的双金属高性能模具示意图。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

一.梯度功能结构制造方法

本发明是一种梯度功能结构制造方法，在基体15上，采用外场复合带模强制温度控制顺序生长整体焊接快速成型技术，结合原位合金化梯度功能结构制备方法，按照零部件或结构件设计尺寸和精度要求，高效、近净、低成本制造微观结构晶粒细化、焊缝无分层和偏析、内部高塑性与高韧性、表面耐磨的梯度功能结构；所述焊接快速成型技术是电弧、熔滴、熔池和焊缝在外加复合能量场中，发生电磁控制电弧等离子旋转和熔滴过渡作用、电磁搅拌作用、电磁冶金作用、超声焊接作用，系统有序综合控制和促成大体积焊接熔池液态金属顺序定向凝固过程，在大电流高速送丝系统、高效焊接电源系统、带模强制温度控制系统、气体保护系统、原位合金化梯度功能材料的配合下，实现梯度功能结构近净无分层顺序生长整体成型制造方法。

梯度功能结构制造方法，所述外加复合能量场由电磁能量场和超声能量场组成；电磁能量场包括电磁熔池搅拌能量场和电磁焊缝处理能量场；电磁能量场是恒定磁场，或者频率、强度、占空比以及方向变化的时变电磁场；电磁熔池搅拌能量场参数调节范围是：时变磁场磁感应强度为0.01～0.3T，磁场频率为0～30Hz，占空比为30～70％，或者恒定磁场磁感应强度为0.01～2.0T；电磁焊缝处理能量场参数调节范围是：磁感应强度为0.1～10T，磁场频率为1～2KHz，电磁场功率为1K～20KW；超声能量场参数调节范围是：超声频率为10K～400KHz，超声功率为0.1～2.5KW，占空比为20～80％；所述焊接技术包括高效焊接技术，高效焊接工艺参数调节范围是：焊接电流200～1800A，焊接送丝速度0.1～60m/min，焊丝直径0.6～4mm，采用单丝焊接方式，或者双丝焊接方式，或者三丝焊接方式，或者两个双焊丝方式。

梯度功能结构制造方法，所述带模强制温度控制顺序生长整体焊接成型是在可运动的、导热性高的、与零部件或结构件形状相同的模具内部通以循环冷却介质，强制冷却由模具和工件基体15所构成的大尺寸焊接熔池空间中熔融液态金属的凝固过程，当焊接熔池底部的液态金属凝固成型后，模具沿个工件轴向或者径向方向顺序移动，从而使得焊接熔池中液态金属在已经凝固的底部基体上实现无焊缝的顺序凝固和方向性定向生长，模具的内表面与零部件或结构件外观形状和尺寸相同，其精度满足部件设计要求，连续焊接大尺寸焊接熔池金属顺序冷却凝固后形成具有与零部件或结构件相同外观形状的零部件，无需大量的后续机械加工，实现梯度功能结构近净快速焊接成型制方法；在强制温度控制顺序生长整体成型方法、外加复合能量场、高效焊接方法和焊丝成份合金化的共同作用下，工件具有焊缝内部微观晶粒细化，表面组织耐磨，焊缝因连续顺序凝固没有明显的分层现象，焊缝无偏析现象发生，焊缝内部金属成份、表面金属成份与基体母材成份均匀过渡形成梯度材料结构，完成内部具有高韧塑性、表面具有高耐磨性的梯度功能结构的低成本、高性能焊接快速成型制造。

梯度功能结构制造方法，所述原位合金化梯度功能结构制备方法是采用多种成份的焊丝，根据设计技术要求和使用寿命，在轴体母材基体上原位合金化形成中间过渡层和外部功能层的梯度功能结构，使得零部件内部具有足够的强度、韧塑性与抗冲击能力，同时表面具有高耐磨性，并保证梯度功能层与母材基体具有良好的结合能力，不容易造成脱落，解决层间剥离和偏析的问题，形成原位合金化牢固梯度功能结构的梯度功能结构制造方法；所述超声是在焊接电弧上单独施加，或者在焊缝上单独施加，或者在电弧、熔池和焊缝上复合施加，产生超声焊接作用，促进焊接残余应力的重新分布以降低焊接残余应力水平，减少焊缝气孔缺陷，改善合金元素的流动性和强化相质点的活性，提高接头质量。

本发明的创新在于将高效气体保护焊接、电磁搅拌、电磁热处理、金属梯度材料、热沉控制焊接、新型粉芯焊丝、电弧焊接快速成形的技术有机结合起来，形成电磁热沉原位合金化带模凝固高效焊接制造新技术，应用于高性能特种零部件的加工制造过程中，形成外场复合带模强制温度控制顺序生长整体焊接快速成型新技术。

该外加磁场为恒定磁场或多种频率、多种强度、多种占空比以及方向交替变化的时变电磁搅拌外加磁场，以控制焊接电弧、熔滴过渡、熔池流体的强制运动，促使焊接熔池熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布，改善组织和相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性、焊缝气孔、夹渣，降低焊接缺陷率，有利于提高焊缝韧塑性，形成优质焊接接头，对工件实现电磁控制焊接过程。

梯度功能结构制造方法的焊接熔滴过渡形式为短路过渡，或滴状过渡，或射流过渡，或旋转喷射过渡；梯度功能结构制造方法使用实心焊丝，或药芯焊丝，或粉芯焊丝；梯度功能结构制造方法的保护气体使用二氧化碳，或氩气，或氦气，或氩气和二氧化碳的混合气体，或氩气和氧气的混合气体，或二氧化碳、氩气和氦气的混合气体，或二氧化碳、氦气、氩气和氧气的混合气体；

二.梯度功能结构制造设备

根据上述梯度功能结构制造方法可设计多种结构的梯度功能结构制造设备。如图1和图2所示，一种梯度功能结构制造设备，包括控制系统、电源系统、执行系统、检测监控系统、气体保护系统6和集成耦合平台系统13，所示控制系统是由多能场耦合控制系统1和热沉控制系统5构成；电源系统由电磁处理电源系统2、电磁搅拌电源系统3、高效焊接电源系统4和超声电源系统组成；执行系统是由电磁处理执行系统7、热沉控制执行系统8、超声控制执行系统14和模具移动执行系统9构成；检测监控系统由计算机辅助参数检测系统11、焊接残余应力检测系统12和高速摄影系统10构成，多能场耦合控制系统1与电源系统和执行系统通过集成耦合平台系统13联接在一起，对焊接快速成型过程进行系统控制，并与检测监控系统构成完整的梯度功能结构制造设备。

梯度功能结构制造设备，模具由第一模块16和第二模块25构成，模具上带有由第一移动机构22和第二移动机构21构成的升降系统，模具移动执行系统9控制带有升降系统的模具沿着工件轴向或者径向运动；焊接熔池19由模具的第一模块16、第二模块25和基体15共同构成；气体保护系统输送保护气体保护焊接电弧和焊接熔池19周围区域，避免焊缝受到污染；模具的第一模块16和第二模块25内有循环冷却通道，在冷却通道内有冷却介质流动，热沉控制执行系统8通过在模具内冷却通道中循环流动的冷却介质，控制焊接熔池19中液体金属凝固过程，与此同时热沉控制执行系统8还控制基体15的温度，在模具内表面造型和带模移动执行系统的辅助下，控制焊接熔池周围的温度过冷度，促进焊接熔池中金属顺序凝固和形成焊缝方向性生长，强制焊接熔池中金属近净成型为具有一定形状的结构部件。

梯度功能结构制造设备，所述电磁处理执行系统7通过安装在模具第一模块16的第一励磁机构17产生电磁场控制焊接熔池19，电磁搅拌作用于焊接熔池，促进焊接熔池凝固组织晶粒细化，均匀化焊缝成份和强化相的分布，促进气孔溢出；电磁处理执行系统7通过安装在模具第二模块25的第二励磁机构18在凝固焊缝部位产生电磁场控制凝固焊缝，电磁热处理作用于凝固焊缝，调整焊缝固态金属组织的残余应力分布，促进稳定相通过固态相变形成；超声控制执行系统14通过安装在焊枪20上的超声发生机构，在焊接电弧和焊接熔池19上方产生超声波，通过控制焊接电弧和焊接熔池来促进晶粒细化、去除杂质和无缺陷焊缝组织的生成，提高焊缝的强韧性，或者超声控制执行系统14通过安装在模具第二模块25的超声发生机构在凝固焊缝部位产生超声波控制凝固焊缝，调整焊缝固态金属组织的残余应力分布，促进稳定相通过固态相变形成。

梯度功能结构制造设备，计算机辅助参数检测系统11用来检测焊接过程的焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、焊接温度、磁场强度、磁场频率、超声强度和超声频率；焊接残余应力检测系统12用来分析焊缝和接头的残余应力水平；高速摄影系统10通过高速CCD24来监控焊接熔滴过渡形式和行为，分析焊接过程的稳定性；气体保护系统6通过喷嘴23形成稳定的层流气体流态来保护焊接电弧和焊接熔池，防止金属被氧化和污染。

模具材料可以为紫铜合金或者其它金属材料或者非金属材料来制造。

三.具体实施例：

1.采用本发明方法和设备制造如图3所示的42CrMo钢轴，变截面钢轴，小截面直径为90mm，大截面直径为140mm，轴用材料为42CrMo钢，采用的焊接工艺规范为：电磁搅拌磁场强度0.01T，频率为5Hz；电磁处理磁场强度为1.0T，频率为25Hz；超声频率为70KHz，功率为700W；焊接电流为300A，送丝速度为30m/min，保护气体为纯氩气；选择焊接熔池沿轴向方向顺序凝固生长出大截面轴，轴满足要求；采用本方法和设备也可以进行类似结构轴的堆焊修复，无明显的堆焊分层结构出现，具有高性能、低成本和长寿命的特点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。确定焊接规范时，应该综合考虑构件形式与焊接工艺参数的合理匹配，根据实际情况对工艺参数进统优化，保证获得高质量产品。

Claims (4)

1.一种梯度功能结构制造方法，其特征在于：在基体上，采用外场复合能量场-带模强制温度控制-整体顺序生长-电弧熔化焊接-原位合金化梯度功能材料制备的快速成型近净制造技术，按照尺寸设计和精度要求，高效、近净、低成本制造微观结构晶粒细化、焊缝无分层、无成份偏析、内部具有高塑性与高韧性、表面耐磨、耐腐蚀、耐高温的梯度功能结构；所述快速成型近净制造技术是电弧、熔滴、熔池和焊缝在外加复合能量场中，发生电磁控制电弧等离子旋转和熔滴过渡作用、电磁搅拌作用、电磁冶金作用、超声焊接作用，综合有序系统控制和促成大体积焊接熔池液态金属顺序定向凝固过程，在大电流高速送丝系统、高效焊接电源系统、带模强制温度控制系统、气体保护系统、原位合金化梯度功能材料的配合下，实现梯度功能结构近净无分层顺序生长整体焊接成型制造；

所述带模强制温度控制是由导热性高的、与零部件外形相同的金属材料作为成型模具，模具可自由运动，在模具内部通以循环冷却介质，通过循环冷却介质的散热作用，强制冷却和控制熔融液态金属的凝固过程，熔融液态金属位于由模具和基体所构成的大尺寸焊接熔池空间中；当焊接熔池底部的液态金属凝固成型后，模具沿工件的轴向或者径向方向顺序合理运动，从而使得焊接熔池中液态金属在底部基体上实现无分层的顺序凝固和焊缝方向性定向生长，模具的内表面与零部件的外观形状和尺寸相同，其精度满足零部件设计要求，通过连续焊接、大尺寸焊接熔池金属顺序冷却凝固后，形成具有与零部件相同外观形状的工件，无需大量的后续机械加工，实现梯度功能结构的近净、快速、整体、低成本的焊接成型制造；在带模方法、强制温度控制方法、整体顺序生长方法、快速近净成型方法、外加复合能量场、高效焊接方法、原位合金化方法、多种焊接材料的共同作用下，制备新型梯度功能结构，使得零部件内部的焊缝内部微观晶粒细化，表面组织耐磨、耐腐蚀，梯度功能结构的焊缝因连续顺序凝固没有明显的分层现象，焊缝无偏析现象发生，焊缝内部金属成份、表面金属成份与基体母材成份均匀过渡形成材料梯度，完成内部具有高韧塑性、表面具有高耐磨性，具备耐腐蚀性、耐高温的梯度功能结构的低成本、高性能电弧熔化焊接快速整体成型近净制造技术；

所述原位合金化梯度功能材料的制备是采用多种成份的焊丝，根据零部件设计技术要求和使用寿命，在基体上原位合金化形成具有中间过渡层、外部功能层的梯度功能结构，使得零部件内部具有足够的强度、韧塑性与抗冲击能力，同时表面具有高耐磨性、耐腐蚀性能，并保证梯度功能层与母材基体具有良好的结合能力，不容易脱落，解决层间剥离和成份偏析的问题，形成原位合金化牢固结合的梯度功能结构制造方法；所述超声是在焊接电弧上单独施加，或者在焊缝上单独施加，或者在电弧、熔池和焊缝上复合施加，产生超声波控制复合焊接作用，促进焊接残余应力的重新分布以降低焊接残余应力水平，加快熔池气体溢出，减少焊缝气孔缺陷，改善合金元素的流动性和强化相质点的活性，提高焊接接头的整体质量。

2.根据权利要求1所述的梯度功能结构制造方法，其特征在于：所述外加复合能量场由电磁能量场和超声能量场组成；电磁能量场包括电磁熔池搅拌能量场和电磁焊缝处理能量场；电磁能量场是恒定磁场，或者频率、强度、占空比以及方向变化的时变电磁场；电磁熔池搅拌能量场参数调节范围是：时变磁场磁感应强度为0.01～0.3T，磁场频率为0～30Hz，占空比为30～70％，或者恒定磁场磁感应强度为0.01～2.0T；电磁焊缝处理能量场参数调节范围是：磁感应强度为0.1～10T，磁场频率为1～2KHz，电磁场功率为1K～20KW；超声能量场参数调节范围是：超声频率为10K～400KHz，超声功率为0.1～2.5KW，占空比为20～80％；所述电弧熔化焊接技术包括高效焊接技术，高效焊接工艺参数调节范围是：焊接电流200～1800A，焊接送丝速度0.1～60m/min，焊丝直径0.6～4mm，采用单丝焊接方式，或者双丝焊接方式，或者三丝焊接方式，或者两个双焊丝方式。

3.一种梯度功能结构制造设备，包括控制系统、电源系统、执行系统、检测监控系统、气体保护系统(6)和集成耦合平台系统(13)，其特征在于：所示控制系统是由多能场耦合控制系统(1)和热沉控制系统(5)构成；电源系统由电磁处理电源系统(2)、电磁搅拌电源系统(3)、高效焊接电源系统(4)和超声电源系统组成；执行系统是由电磁处理执行系统(7)、热沉控制执行系统(8)、超声控制执行系统(14)和模具移动执行系统(9)构成；检测监控系统由计算机辅助参数检测系统(11)、焊接残余应力检测系统(12)和高速摄影系统(10)构成，多能场耦合控制系统(1)与电源系统和执行系统通过集成耦合平台系统(13)联接成一个整体，对气体保护电弧熔化焊接快速成型近净制造过程进行系统控制，并与检测监控系统构成完整的梯度功能结构制造设备；

模具由第一模块(16)和第二模块(25)共同构成，模具上带有由第一移动机构(22)和第二移动机构(21)构成的升降系统，模具移动执行系统(9)控制带有升降系统的模具沿着工件轴向或者径向运动；焊接熔池(19)由模具的第一模块(16)、第二模块(25)和基体(15)组成的空间共同构成；气体保护系统输送保护气体保护焊接电弧和焊接熔池(19)及其焊接周围区域，避免焊缝受到污染；模具的第一模块(16)和第二模块(25)内有循环冷却通道，在冷却通道内有冷却介质流动，热沉控制执行系统(8)通过在模具内部通道中冷却介质的循环流动控制焊接熔池(19)中液体金属的凝固过程，与此同时热沉控制执行系统(8)还控制基体(15)温度，模具内表面具有与零部件外形相同的精确造型，在具有精确造型的模具和模具移动执行系统的辅助下，通过控制焊接熔池周围的温度梯度，促进焊接熔池中金属顺序凝固和形成方向性生长，强制焊缝近净成型为具有一定形状的梯度功能结构；

所述电磁处理执行系统(7)通过安装在模具第一模块(16)的第一励磁机构(17)产生电磁场控制焊接熔池(19)，电磁搅拌作用于焊接熔池，促进焊接熔池凝固组织晶粒细化，均匀化焊缝成份和强化相的分布，促进焊缝气体溢出；电磁处理执行系统(7)通过安装在模具第二模块(25)的第二励磁机构(18)在凝固焊缝部位产生电磁场控制凝固焊缝，电磁热处理作用于凝固焊缝，调整焊缝固态金属组织的残余应力分布，促进稳定相通过固态相变形成；超声控制执行系统(14)通过安装在焊枪(20)上的超声发生机构，在焊接电弧和焊接熔池(19)上方产生超声波，通过控制焊接电弧和焊接熔池来促进晶粒细化、空化、活化、去除杂质和无缺陷焊缝组织的生成，提高焊缝的强韧性，或者超声控制执行系统(14)通过安装在模具上的超声发生机构在凝固焊缝部位产生超声波控制凝固焊缝，调整焊缝固态金属组织的残余应力分布，促进稳定相通过固态相变形成。

4.根据权利要求3所述的梯度功能结构制造设备，其特征在于：计算机辅助参数检测系统(11)用来检测焊接过程的焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、焊接温度、磁场强度、磁场频率、超声强度和超声频率；焊接残余应力检测系统(12)用来检测和分析焊缝和接头的残余应力水平；高速摄影系统(10)通过高速CCD(24)来实时监控焊接熔滴过渡形式和行为，并分析焊接过程的稳定性和评价结构的可靠性；气体保护系统(6)通过喷嘴(23)形成稳定的层流气体流态来保护焊接电弧和焊接熔池，防止焊缝金属被氧化和污染，形成优质焊缝和结构。

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