CN109605039A - 一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置，本发明方法是将基板固定在工作台上，通过焊枪运动及送丝机构完成电弧沉积，沉积一层或多层后，打开直流脉冲电源对基板及沉积层进行加热，加热到预定的温度时，采用轧辊对沉积层表面进行热轧成形。本发明的装置包括基板、夹具、工作台、焊枪、送丝机构、温度传感器、轧辊、轧制加载单元、液压缸、电极、导线、直流脉冲电源、绝缘垫片。本发明将外加电场辅助加热、热轧塑性变形与电弧增材过程有机结合，采用的脉冲电源加热可降低材料变形抗力和提高材料塑性，通过电、热、力多场耦合作用细化沉积层晶粒，改善组织，消减电弧增材制造缺陷，降低沉积层残余应力，提升材料综合力学性能。

Description

一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法和装置，具体涉及一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置。

背景技术

电弧增材制造是一种以电弧或等离子弧为热源的增材制造技术，与激光、电子束增材制造相比，电弧增材制造技术以丝材为成形材料，材料利用率和沉积效率高，设备制造成本低，无需密闭真空腔，在大规格结构件制造中具有广阔的应用前景。然而，由于电弧输入热量高，电弧沉积过程中材料内部出现垂直于沉积方向的粗大柱状晶，不均匀组织结构会显著降低材料力学性能，引起材料各向异性，即使通过调控成形工艺参数和后续热处理工艺，仍无法完全消除粗大柱状晶组织，该问题降低了电弧增材过程中整体结构件的力学性能，从而限制了其在工业中的应用。

轧制作为一种塑性加工工艺，通过轧辊对金属表面施加大压力，使材料产生大塑性变形，能显著降低电弧增材过程中沉积层表面的粗糙度；同时，轧制变形能破碎粗大柱状晶组织，显著提高沉积层的硬度和强度，在材料内部积累大量变形能，在下一层电弧沉积过程中，电弧沉积的热量达到材料的再结晶温度时，会诱导材料发生再结晶过程，细化晶粒，从而提升材料力学性能及改善各向异性。然而，对于某些室温高强度低塑性金属材料，如钛合金、高温合金等，冷轧产生的塑性变形深度有限，无法完全破碎柱状晶组织，同时对轧制设备的负载能力也提出了更高的要求。

电流辅助成形工艺是指将焦耳热效应及电塑性效应应用到塑性成形工艺中，进而大幅提高材料成形极限和成形质量的工艺。当电流通过金属时，利用金属材料本身内阻，通过焦耳效应使材料迅速升温；同时脉冲电流引起的电塑性效应能极大降低材料的变形抗力和提高材料塑性。电流辅助加热具有快速、高效、精确、绿色等特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种将电弧增材与电辅助热轧成形同步复合制造的方法和装置。本发明针对常温高强度低塑性难成形金属材料，提供一种易操作、高精度、高效率、低成本的复合制造方法和装置，提高成形精度与材料利用率，同时显著细化晶粒、改善微观组织、提高材料的综合力学性能。

为解决以上所述问题，本发明提出了一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法，主要包括以下步骤：

1)对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗表面。

2)在基板与工作台之间、基板与夹具之间插入绝缘垫片，并固定。

3)将电极连接在基板两侧，并通过导线连接在直流脉冲电源正负极；

4)通过控制焊枪移动和送丝机构配合运动，实现电弧增材沉积层；

5)每完成一层或者多层沉积后，打开直流脉冲电源对基板及沉积层进行电辅助加热，通过温度传感器测定沉积层表面温度；当沉积层表面温度达到预定的热成形温度时，轧制压下装置带动轧辊对沉积层表面进行轧制压缩变形；

6)重复步骤4)和5)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。

为实现以上所述复合制造方法，本发明提出了一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置：包括基板、夹具、工作台、焊枪、送丝机构、温度传感器、轧辊、轧制加载单元、液压缸、电极、导线、直流脉冲电源、绝缘垫片。基板通过夹具固定在工作台上；焊枪和送丝机构连接在焊接运动机构上，两者配合实现前后、左右运动；温度传感器位于焊枪后方，电弧沉积层上方，对沉积层表面温度进行检测；轧制加载单元位于温度传感器后方，其上方与液压缸连接，下方与轧辊连接，实现轧制力加载及轧辊左右运动；轧辊芯轴外涂一层陶瓷绝缘材料，两端添加绝缘套；电极连接在基板两侧，通过导线与直流脉冲电源的正负极连接；在基板与工作台之间、基板与夹具之间插入绝缘垫片，并用夹具固定。

进一步地，电加热电源为低电压、大电流的直流脉冲电源，其占空比、频率、峰值电流等参数均可调，能实现高峰值、低密度的电流加热效果。

进一步地，轧制加载单元可通过其上方的液压缸直接调节轧制压下载荷值，同时安装力传感器实时监测轧制力大小；同时，轧制加载装置上安装有水冷通道。

进一步地，所述轧辊的类型主要包含以下三种：第一种为平辊，第二种为轧辊中部带有半圆形凹槽，第三种为轧辊中部带有半圆形凸起；根据对变形深度及残余应力消减程度的要求，合理选用以上三种具有不同截面特征的轧辊。轧辊采用钢制芯轴，外涂一层陶瓷绝缘材料，轴两端分别添加绝缘套，以满足轧制过程中绝缘要求。

进一步地，温度传感器为非接触式的红外温度传感器，位于沉积层上方。

进一步地，电源连接导线为耐火电缆，电缆的接头采用紫铜线耳连接，从而减少线路的发热和接头处的电压损耗，提高电加热电路的效率。

进一步地，复合制造工艺适用的材料为难成形金属材料，如钛合金、高温合金、镁合金、高强铝合金、金属间化合物等，尤其适用于电阻率大、电加热效果显著的金属材料。

本发明提供的一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置，具有以下优点：

1、本发明提出的一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置，通过外加电场、温度场与力场耦合作用辅助电弧增材制造过程，利用外加电场对材料迅速加热，通过轧辊对材料施加热塑性变形，从而显著提高零件尺寸精度、细化晶粒、改善微观组织、消减残余应力，提升零件综合力学性能。

2、本发明采用低电压、大电流的直流脉冲电源加热，利用材料本身阻值，通过焦耳效应提高材料塑性变形温度；与传统高温炉加热相比，电加热方式升温时间短、加热效率高、温度控制更加精确，且制造过程中无需转移成形零件至高温炉内，安全性更高。

3、本发明采用的直流脉冲电源，其占空比、频率、峰值电流等参数均可调，除了产生焦耳效应外，脉冲电流加热中产生的电塑性效应能降低材料变形抗力、提升材料塑性；同时促进材料内部的位错运动，通过提高形核率促进再结晶程度及晶粒细化；脉冲电流还能有效闭合材料内部微裂纹和微孔洞，进而提升材料的综合力学性能。

4、本发明在电弧增材后采用热轧塑性变形，高温下材料变形抗力低，塑性好，与常温冷轧成形相比，热轧能产生更大的塑性变形深度；同时热成形有利于积累大量变形能，高温下使材料发生再结晶，从而细化晶粒，提升力学性能。

5、本发明提供的一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，结构设计合理，操作简单，适用性强，自动化程度高、绝缘性好，成形精度高，成本低。

附图说明

图1为电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置结构示意图。

图2为三种轧辊形状示意图。

图3为轧辊芯轴和端部绝缘示意图。

其中，1是导线，2是工作台，3是直流脉冲电源，4是基板绝缘垫片，5是基板，6是左电极，7是左绝缘垫片，8是左夹具，9是沉积层，10是轧辊，11是液压缸，12是轧制加载单元，13是温度传感器，14是焊枪，15是运动机构，16是送丝机构，17是焊丝，18是右夹具，19是右绝缘垫片，20是右电极，21是陶瓷绝缘层，22是绝缘套。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方案做进一步详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

实施例

本实施例基板选用Ti-6Al-4V钛合金轧制板，其尺寸为405mm×60mm×6mm，焊丝采用直径为1.2mm的Ti-6Al-4V钛合金焊丝，采用非熔化极惰性气体钨极保护焊(TIG)，具体实施步骤如下：

1)采用碱性溶液对钛合金基板5表面进行清洗，去除油污，对基板5表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗表面。

2)在基板5与工作台2之间插入一块尺寸比基板5大的基板绝缘垫片4，同时在基板5与左夹具8和右夹具18之间分别插入左绝缘垫片4和右绝缘垫片19，并通过左右夹具8和18固定。

3)将左电极6和右电极20分别连接在基板5左右两侧，并通过导线1连接在直流脉冲电源3正负极，导线1的接头采用紫铜线耳连接。

4)通过电弧增材设备控制机构15实现焊枪14移动和送丝机构16配合运动，实现电弧增材沉积，形成沉积层9，其中电弧增材制造过程中的主要工艺参数包括焊接速度4.5mm/s，焊接电流110A，单道焊缝宽度6mm，送丝速度1.6m/min，钨极到工件距离3.5mm，电弧增材过程中采用局部惰性气体保护装置，其中充满高纯度氩气，气体流量为20L/min。

5)每完成一层电弧沉积后，打开直流脉冲电源3，将脉冲电流密度调节到10A/mm²，对基板5及电弧沉积层9进行电辅助加热，通过温度传感器13测定沉积层9表面温度；当沉积层9表面温度达到预定的热成形温度800～1100℃时，轧制压下装置12带动轧辊10对沉积层9表面进行轧制压缩变形。

6)根据沉积层9的沉积高度，通过轧制加载装置12将轧制压下载荷设置为15～75KN，轧辊10采用H13工具钢，轧制速度8mm/s，轧制结束后，将沉积层9冷却到200℃以下。

7)重复步骤4)到6)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。

如图2，轧辊10的类型主要包含以下三种：第一种为平辊，轧辊直径100mm，轧辊宽度30mm，第二种为轧辊中部带有半圆形凹槽，其凹槽半径为3mm，第三种为轧辊中部带有半圆形凸起，其凸起半径为3mm，第二、三种轧辊直径与宽度均与第一种相同。平辊轧制由于缺乏侧向约束，高度方向变形较小，凹槽轧辊中凹槽尺寸与沉积层9宽度相当，在轧制过程中对沉积层9施加侧向约束，有利于减小沉积方向残余应力，凸起轧辊有利于轧制变形深入。根据对变形深度及残余应力消减程度的要求，合理选用以上三种具有不同截面特征的轧辊10。

将电弧增材过程与电辅助热轧塑性变形过程结合起来，通过精确控制热变形温度和轧制压下载荷，能有效破碎电弧增材过程中形成的粗大柱状晶，细化晶粒，提升材料综合力学性能，在一个工序中同时实现电弧增材和热轧变形，能显著提高复合制造过程的制造效率和制造质量。

一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，包括基板5、左夹具8、右夹具18、工作台2、焊枪14、送丝机构16、温度传感器13、轧辊10、轧制加载单元12、液压缸11、左电极6、右电极20、导线1、直流脉冲电源3、基板绝缘垫片4、左绝缘垫片7和右绝缘垫片19。基板5固定在工作台2上；焊枪14垂直于基板5表面，送丝机构16与水平面成一定倾斜角，焊枪14与送丝机构16连接在电弧增材设备运动机构15上，两者配合实现前后、左右运动；温度传感器13位于焊枪14后方，对电弧沉积层9表面温度进行检测；轧制加载单元12位于温度传感器13后方，其上方与液压缸11连接，实现不同轧制力加载，下方与轧辊10连接，轧辊加载装置12及其上方的液压缸11可通过运动机构左右运动，从而带动轧辊10对沉积层9施加塑性变形；轧辊芯轴外涂一层陶瓷绝缘材料21，两端添加绝缘套22；左电极6和右电极20连接在基板5两侧，通过导线1与直流脉冲电源3的正负极连接，导线1的接头采用紫铜线耳连接；在基板5与工作台2之间插入大的比基板5尺寸更大的绝缘片4，同时在基板5与左右夹具8和18之间分别插入尺寸较小的绝缘垫片7和19，并通过左右夹具8和18固定在焊接工作台2上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例和优选实施方式，并非对本发明做任何形式上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置，包括基板5、左夹具8、右夹具18、工作台2、焊枪14、送丝机构16、温度传感器13、轧辊10、轧制加载单元12、液压缸11、左电极6、右电极20、导线1、直流脉冲电源3、基板绝缘垫片4、左绝缘垫片7和右绝缘垫片19。基板5通过左夹具8和右夹具18固定在工作台2上；焊枪14和送丝机构16连接在焊接运动机构15上，两者配合实现前后、左右运动；温度传感器13位于焊枪14后方，电弧沉积层9上方，对沉积层表面温度进行检测；轧制加载单元12位于温度传感器13后方，其上方与液压缸11连接，下方与轧辊10连接，实现轧制力加载及轧辊10左右运动；轧辊芯轴外涂一层陶瓷绝缘层21，两端添加绝缘套22；左电极6和右电极20连接在基板5两侧，通过导线1与直流脉冲电源3的正负极连接；在基板5与工作台2之间、基板5与左夹具8之间、基板5与右夹具18分别插入基板绝缘垫片4和左右绝缘垫片7和19，并用左右夹具8和18固定。

2.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，其特征在于，电加热电源为低电压、大电流的直流脉冲电源，其占空比、频率、峰值电流等参数均可调，能实现高峰值、低密度的电流加热效果。

3.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，其特征在于，轧制加载单元12可通过其上方的液压缸11直接调节轧制压下载荷值，同时安装力传感器实时监测轧制力大小；同时，轧制加载装置上安装有水冷通道。

4.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，其特征在于，所述轧辊的类型主要包含以下三种：第一种为平辊，第二种为轧辊中部带有半圆形凹槽，第三种为轧辊中部带有半圆形凸起；根据对变形深度及残余应力消减程度的要求，合理选用以上三种具有不同截面特征的轧辊。轧辊采用钢制芯轴，外涂一层陶瓷绝缘材料21，轴两端分别添加绝缘套22，以满足轧制过程中绝缘要求。

5.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，其特征在于，温度传感器13为非接触式的红外温度传感器，位于沉积层上方。

6.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，其特征在于，电源连接导线为耐火电缆，电缆的接头采用紫铜线耳连接，从而减少线路的发热和接头处的电压损耗，提高电加热电路的效率。

7.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助热轧成形复合制造装置，其特征在于，复合制造工艺适用的材料为常温高强度低塑性难成形金属材料，如钛合金、高温合金、镁合金、高强铝合金、金属间化合物等，尤其适用于电阻率大、电加热效果显著的金属材料。

8.根据权利要求1所述装置实现电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗表面；

2)在基板与工作台之间、基板与夹具之间插入绝缘垫片，并固定；

3)将电极连接在基板两侧，并通过导线连接在直流脉冲电源正负极；

4)通过控制焊枪移动和送丝机构配合运动，实现电弧增材沉积过程；

5)每完成一层或者多层沉积后，打开直流脉冲电源对基板及沉积层进行电辅助加热，通过温度传感器测定沉积层表面温度；当沉积层表面温度达到预定的热成形温度时，轧制压下装置带动轧辊对沉积层表面进行轧制压缩变形；

6)重复步骤4)和5)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。