CN109623100A - 一种电弧增材与电辅助超声冲击强化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超声冲击强化复合制造方法和装置，本发明方法是用电弧熔化金属丝材，通过焊枪及送丝机构在基板上沉积一层或多层后，利用直流脉冲电源加热基板和沉积层，由温度传感器获取沉积层表面温度，当温度达到预定值，利用超声冲击装置对沉积层表面进行超声冲击。本发明的装置包括基板、夹具、工作台、焊枪、送丝装置、温度传感器、超声波发生器、超声冲击装置、电极、导线、直流脉冲电源、绝缘垫片。本发明将脉冲电流辅助加热、超声冲击强化与电弧增材过程有机结合，通过电、热、声、力多场耦合作用提升沉积层成形精度和细化晶粒尺寸，消减电弧增材过程中气孔、裂纹等缺陷及内部残余拉应力，提升材料力学性能。

Description

一种电弧增材与电辅助超声冲击强化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超声冲击强化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为热源，采用逐层熔敷原理，将熔化的丝材逐层堆焊，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。与激光、电子束增材制造相比，电弧增材制造技术通过电弧融化丝材，沉积速度快、制造效率高、材料利用率显著提升，并且设备制造成本低，无需密闭真空腔，在大尺寸、复杂形状结构件的低成本、高效、快速成形制造中具有广阔的应用前景。然而，由于电弧输入热量高，材料内部大温度梯度引起粗大柱状晶组织，从而降低了零件力学性能及其各向均匀性，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；同时电弧增材是一个极速加热，随之快速冷却凝固的超常规热力学过程，材料内部由于传热不均匀及大温度梯度分布而产生较大的残余拉应力，随着电弧增材沉积层数增加，残余拉应力也逐步叠加，卸载基板后，残余拉应力会使基板及零件发生严重的翘曲甚至开裂，这些问题限制了电弧增材在工业中的应用。

超声冲击是一种塑性成形及强化工艺，超声换能器及变幅杆将超声波发生器的高频振动通过冲击工具头传递到工件表面，在工件表面形成塑性变形层。高频振动引起的塑性变形能有效破碎电弧增材过程形成的粗大柱状晶，增大材料内部的位错密度，同时储存大量变形能，在下一层电弧增材过程中，当温度达到材料再结晶温度时，该变形能为再结晶提供驱动力，柱状晶转变为等轴晶组织，从而提升材料性能及各向性能均匀性。另外，超声冲击会在材料表面形成残余压应力层，能显著消减电弧增材过程引入的有害残余拉应力，同时减小增材过程翘曲变形。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，常温下超声冲击过程变形抗力大，冲击变形及残余压应力层深度有限，对电弧增材过程组织及残余拉应力改善作用有限，同时对超声冲击设备的负载及稳定性提出了更高的要求。

电流辅助加热是利用金属本身的电阻值，通过焦耳热效应对金属材料进行快速加热的过程。与传统的高温炉加热方式相比，电流辅助加热过程加热效率高、精度高、可控性好、响应速度快，满足绿色环保要求。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，改善材料内部微观组织，进而提升零件综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种将电弧增材与电辅助超声冲击强化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，同时破碎电弧增材过程粗大柱状晶，形成等轴晶组织，消减增材制造过程材料内部残余拉应力，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超声冲击强化复合制造方法，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、超声变幅杆与夹持柄之间分别插入绝缘垫片，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；将超声波冲击装置与超声波发生器连接；

4)打开电弧增材电源，通过控制焊枪移动和送丝机构配合运动，在基板上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，打开超声波发生器，通过超声换能器和变幅杆，带动冲击工具头对电弧沉积层表面进行冲击强化；

6)重复步骤4)和5)，通过改变焊枪及超声冲击装置的高度，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超声冲击强化复合制造装置：包括由基板、左右夹具、工作台、绝缘垫片组成的支撑装置；由焊枪、送丝机构、运动机构及电弧沉积层组成的电弧增材装置；由超声波发生器、超声换能器、换能器外壳、超声变幅杆、绝缘垫片、夹持柄和冲击工具头组成的超声冲击装置；由温度传感器以及液压缸所构成的温度检测装置；由直流脉冲电源、导线、左右电极所构成的电加热装置。其特征在于，基板通过左右夹具固定在工作台上；焊枪和送丝机构连接在电弧增材运动机构上；温度传感器位于焊枪后方，电弧沉积层上方；超声换能器置于换能器外壳内，换能器外壳上有管路接头，与超声波发生器连接，变幅杆连接在超声换能器下方，夹持柄连接在变幅杆下方，冲击工具头连接在夹持柄下方，在变幅杆与夹持柄之间插入绝缘垫片；左右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、基板与左右夹具之间分别插入绝缘垫片，并用左右夹具固定。

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，超声波发生器频率为20KHz，电流为0～2.5A，功率为0～1500W，变幅杆振幅为0～150μm，冲击工具头直径为1～8mm，根据电弧沉积层尺寸优化选择不同直径的冲击工具头。

进一步地，超声变幅杆与夹持柄接触的区域分别插入不同尺寸的绝缘垫片，确保电辅助加热过程中，施加超声冲击时，满足绝缘性要求，提升制造过程安全性。

进一步地，换能器内部有冷却回路，超声冲击过程中对换能器进行冷却，提高超声冲击工作时间及稳定性。换能器外壳用于固定及保护超声换能器，其上方有管路接头，用于连接超声波发生器。

进一步地，温度传感器为非接触式的红外温度传感器，位于电弧沉积层上方，用来测试电弧沉积层表面温度。

进一步地，电源连接导线为云母带型耐火电缆，利用云母带在高温条件下的强绝缘性，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超声冲击强化复合制造方法和装置，超声波发生器能产生15～40KHz的高频电振动，通过超声换能器转换为机械振动，变幅杆将此机械振动的振幅进一步放大传输到冲击工具头，进而对零件进行超声冲击，该复合制造方法及装置具有以下优点：

1、本发明提出的一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，通过外加电场、温度场、超声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，通过超声冲击装置将高频超声能量通过冲击工具头传递到材料表面，有效消减电弧增材过程出现的塌边和凹陷等缺陷，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，同时在一个工序中同时实现电弧增材和超声冲击变形，能显著提高复合制造过程的制造效率和制造质量。

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，电流辅助加热方式升温时间短、加热效率高、制造过程中无需转移成形零件至高温炉内，安全性更高。同时，电流辅助加热温度控制精确度高、柔性大，可根据材料特征及塑性变形工艺要求，实现热成形(成形温度大于再结晶温度)、温成形(成形温度介于回复温度和再结晶温度之间)或冷成形(成形温度低于回复温度和再结晶温度)等不同成形工艺。

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，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使材料在高温下进行超声冲击变形，由于高温下材料变形抗力低，塑性好，与常温超声冲击变形相比，高温下冲击能产生更大的塑性变形深度及残余压应力层；热冲击成形有利于积累大量变形能，在高温下材料通过再结晶形成均匀细小的等轴晶组织，从而提升力学性能及其各向分布均匀性。同时，超声冲击产生的残余压应力能显著减小电弧增材过程基板及工件的翘曲变形；另外，超声冲击能有效闭合材料内部微裂纹。抑制裂纹扩展速率，进而提高零件疲劳性能。

5、本发明提供的一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造装置，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超声冲击强化复合制造装置结构示意图。

图2为超声冲击装置示意图。

图3为电弧增材与机器人协同超声冲击强化复合制造示意图。

其中，1是导线，2是工作台，3是直流脉冲电源，4是绝缘垫片，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是超声波发生器，11是超声冲击装置，11-1是超声换能器，11-2是换能器外壳，11-3是变幅杆，11-4是绝缘垫片，11-5是夹持柄，11-6是冲击工具头，12是液压缸，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是夹持装置，22是机器人，23是机器人控制器，24是计算机。

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1

本实施例基板选用Inconel 718高温合金轧制板，其尺寸为300mm×50mm×4mm，焊丝采用直径为1mm的Inconel 718高温合金焊丝，采用等离子焊，具体实施步骤如下：

1)采用碱性溶液对高温合金基板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大的绝缘垫片4；在基板5与左右夹具8和18之间分别插入绝缘垫片7和19，并通过左右夹具8和18固定；在变幅杆11-3与夹持柄11-5接触的位置插入绝缘垫片11-4。

3)将两个电极6和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4mm/s，焊接电流100A，单道焊缝宽度5mm，送丝速度1.5m/min，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8A/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900～1100℃时，超声冲击装置11通过冲击工具头11-6将超声高频振动传递到电弧沉积层9表面，并进行超声冲击变形。

6)根据沉积层9的尺寸，选择不同直径大小的冲击工具头11-6，冲击工具头11-6材料为硬质合金，夹持柄11-5为45钢，单层超声冲击结束后，将沉积层9冷却到200℃以下。

7)重复步骤4)到6)，通过改变焊枪14、送丝机构16及超声冲击装置11的高度，逐层堆积从而形成预定的工件形状。

一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造装置，如图1、图2所示，包括由基板5、左右夹具8和18、工作台2、绝缘垫片4、7和19组成的支撑装置；由焊枪14、送丝机构16、运动机构15及电弧沉积层9组成的电弧增材装置；由超声波发生器10、超声换能器11-1、换能器外壳11-2、超声变幅杆11-3、绝缘垫片11-4、夹持柄11-5和冲击工具头11-6组成的超声冲击装置；由温度传感器13以及液压缸12所构成的温度检测装置；由直流脉冲电源3、导线1、左右电极6和20所构成的电加热装置。其特征在于，基板5通过左右夹具8和18固定在工作台2上；焊枪14和送丝机构16连接在电弧增材运动机构15上；温度传感器13位于焊枪14后方，电弧沉积层9上方；超声换能器11-1置于换能器外壳内11-2，换能器外壳11-2上有管路接头，与超声波发生器10连接，变幅杆连接11-3在超声换能器11-1下方，夹持柄11-5连接在变幅杆11-3下方，冲击工具头11-6连接在夹持柄11-5下方，在变幅杆11-3与夹持柄11-5之间插入绝缘垫片11-4；左右电极6和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与左右夹具8和18之间分别插入绝缘垫片4、7和19，并用左右夹具8和18固定。

实施例2

本发明的超声冲击装置11还可以通过机器人22协同控制进行配装使用，如图3，由于机器人22能够实现复杂空间曲面活动，具有更高的灵活性及运动精度，能成形复杂程度更高的零件。在多关节机器人22末端添加夹持装置21，用来夹持超声冲击装置11，其结构特征与实施例1类似，多关节机器人22通过控制器23与计算机24连接。针对成形零件的特征及尺寸，通过计算机24对三维零件特征进行切片，获得最佳路径，生成路径运动轨迹，将计算机24指令传递到控制器23，进而控制多关节机器人22进行姿态变化，进入到超声冲击强化初始位置，电弧增材结束后，通过直流脉冲电源3加热到指定的成形温度，打开超声波发生器10，通过多关节机器人22对电弧沉积层9表面进行超声冲击；当完成一层超声冲击后，调整焊枪14及送丝机构16位置，多关节机器人22通过数控代码调整姿态，开始下一层电弧增材及超声冲击过程。

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 (9)

1.一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，包括由基板5、左右夹具8和18、工作台2、绝缘垫片4、7和19组成的支撑装置；由焊枪14、送丝机构16、运动机构15及电弧沉积层9组成的电弧增材装置；由超声波发生器10、超声换能器11-1、换能器外壳11-2、超声变幅杆11-3、绝缘垫片11-4、夹持柄11-5和冲击工具头11-6组成的超声冲击装置；由温度传感器13以及液压缸12所构成的温度检测装置；由直流脉冲电源3、导线1、左右电极6和20所构成的电加热装置。其特征在于，基板5通过左右夹具8和18固定在工作台2上；焊枪14和送丝机构16连接在电弧增材运动机构15上；温度传感器13位于焊枪14后方，电弧沉积层9上方；超声换能器11-1置于换能器外壳内11-2，换能器外壳11-2上有管路接头，与超声波发生器10连接，变幅杆连接11-3在超声换能器11-1下方，夹持柄11-5连接在变幅杆11-3下方，冲击工具头11-6连接在夹持柄11-5下方，在变幅杆11-3与夹持柄11-5之间插入绝缘垫片11-4；左右电极6和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与左右夹具8和18之间分别插入绝缘垫片4、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超声冲击强化复合制造方法和装置，其特征在于，采用低电压、大电流的直流脉冲电源，其占空比、频率、峰值电流等参数均连续实时可调，能实现快速、稳定、高精度、高效率的电流加热效果。

3.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，其特征在于，超声波发生器频率为15～40KHz，电流为0～2.5A，功率为0～1500W，变幅杆振幅为0～150μm，冲击工具头直径为1～8mm，根据电弧沉积层尺寸优化选择不同直径的冲击工具头。

4.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，其特征在于，超声变幅杆与夹持柄接触的区域插入绝缘垫片，确保电辅助加热过程中，施加超声冲击时，满足绝缘性要求，提升制造过程安全性。

5.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，其特征在于，换能器内部有冷却回路，超声冲击过程中对换能器进行冷却，提高超声冲击工作时间及稳定性。换能器外壳用于固定及保护超声换能器，其上方有管路接头，用于连接超声波发生器。

6.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，其特征在于，温度传感器为非接触式的红外温度传感器，位于电弧沉积层上方，用来测试电弧沉积层表面温度。

7.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，其特征在于，电源连接导线为云母带型耐火电缆，利用云母带在高温条件下的强绝缘性，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。

8.根据权利要求1所述的电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，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。

9.一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法，通过电弧增材装置在基板上完成电弧增材过程，通电加热装置加热基板和电弧沉积层到指定温度，通过超声冲击装置对沉积层表面进行超声冲击，将脉冲电流辅助加热、超声冲击强化与电弧增材过程有机结合，通过电、热、声、力多场耦合作用提升电弧沉积层成形精度和改善内部微观组织特征，消减电弧增材过程残余拉应力及内部缺陷，从而提升零件综合力学性能。