CN109807559A - 一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

一种Al‑Si合金的丝材电弧增材制造方法，包括以下步骤:步骤1、利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形；步骤2、对增材体的侧面和顶面进行铣削加工；步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对增材体进行搅拌摩擦加工，同时在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置对增材体侧壁施加冷却辊压；步骤4、对增材体上表面进行精铣，以备下一步的电弧增材成形；步骤5、循环重复执行以上步骤，直到完成零件的最终成形。本发明能够完全破除Al‑Si合金增材成形过程中的枝晶生长并细化晶粒，有效地修复气孔和裂纹等缺陷，同时在丝材电弧增材制造及其改性过程中，通过施加冷却防止增材体发生过热及因此导致的微观组织粗化，大大提高增材体的力学性能，特别是塑性和疲劳性能。

Description

一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，具体涉及一种利用冷却辊压及搅拌摩擦加工辅助的Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法。

背景技术

金属的丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是采用熔化极气体保护焊(GMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)或等离子弧焊(PAW)为热源，利用离散、堆积原理，通过金属丝材的添加，在程序的控制下根据三维数字模型由线-面-体逐层堆焊出三维金属零件的先进制造技术。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比，具有以下优点：1)沉积速率高并且丝材利用率高，制造成本低；2)可以成形激光反射率高的材质(比如铝合金)；3)制造零件尺寸不受设备成型缸和真空室尺寸限制，易于实现大尺寸构件的制造。

Al-Si合金是用途最广的铸造铝合金。Si作为该类合金的主加元素，可以提高合金的铸造性能，改善熔体流动性，降低热裂倾向，减少疏松，提高气密性。获得的铸件组织致密，具有良好的焊接性、耐热性、抗蚀性、耐磨性和中等强度，但塑性较低。Al-Si合金的力学性能与Si的形态和分布密切相关，粗大针状或板片状的共晶Si组织会显著降低合金的强度和塑性。大量研究表明，通过变质处理、快速凝固，熔体搅拌等控制凝固组织的手段可改善Al-Si合金的铸态组织，使粗大、硬脆的针片状共晶Si组织更细小，分布更均匀，从而获得良好的力学性能。基此，具有良好焊接性能的Al-Si合金被认为是合适的电弧增材用合金材料。但在应用丝材电弧增材制造技术进行Al-Si合金的成形过程中仍存在以下问题亟待解决。

(1)成形精度控制问题(控形)

成形精度主要包括几何尺寸精度和表面粗糙度两个指标。增材过程中多重热循环导致产生较高的热应力引起成形件和基板变形，给尺寸精度控制带来更多困难。另外，由于丝材电弧增材成形过程中热积累严重、散热差等因素易导致层间结合处出现塌陷和“流淌”现象，成形面易产生高低不平的现象，最终导致成形件表面粗糙度增加。

(2)成形组织和性能控制问题(控性)

①电弧增材制造过程中，成形件易形成粗大的柱状晶以及偏析导致的化学成分不均匀现象，进而导致性能恶化(晶界脆性、晶间腐蚀等)。

②在电弧增材制造过程中易出现气孔、热裂纹等缺陷问题，降低了沉积金属的致密度及耐蚀性，减小了增材零件的有效承载面积，易造成应力集中，从而降低了增材零件的强度和塑形。

上述的控形与控性问题是金属丝材电弧增材制造技术所面临的的共性难题，也是当前这一领域的研究热点。针对控形问题，目前主要通过堆焊工艺参数优化和路径规划等控制热输入手段以解决流淌和塌陷问题；另外，采用成形后精加工或者成形过程中引入其他办法解决成形件表面粗糙问题，主要采用成形后精加工或者成形过程中引入其他加工办法予以解决。而针对控性问题，近些年国内外学者提出在丝材电弧增材制造过程中引入锻造、辊压、轧制和超声振荡等手段以消除气孔、破碎枝晶、细化成形组织，进而达到改善性能之目的。其中华中科技大学和英国Cranfield大学都提出了在丝材电弧增材成形过程中利用轧制变形细化电弧沉积层微观组织的方法，所不同的是华中科技大学轧制变形更接近于“原位轧制”，即特殊设计的轧辊或者挤压装置位于焊枪的正后方，跟随焊枪移动(参见Haiou，Z.，Xiangping，W.，Guilan，W.，&Yang，Z..Hybrid direct manufacturing methodof metallic parts using deposition and micro continuous rolling.RapidPrototyping Journal，2013，19(6)：387-394.)；而英国Cranfield大学的方法属于层间轧制，即在电弧堆焊一层或几层后，等待沉积层冷却到环境温度后再进行轧制(参见Colegrove，P.A.，Coules，H.E.，Fairman，J.，Martina，F.，Kashoob，T.，Mamash，H.，&Cozzolino，L.D..Microstructure and residual stress improvement in wire and arcadditively manufactured parts through high-pressure rolling.Journal ofMaterials Processing Technology，2013，213(10)：1782-1791.)，该方法不仅有利于降低气孔率，而且使成形件的加工区域发生静态再结晶，晶粒尺寸减小至30μm以下，其中0～5μm的晶粒约占49％，5～10μm晶粒约占30％，剩余晶粒尺寸为10～30μm。“原位轧制”和“层间轧制”在改善凝固组织方面的效果与成形过程中引入的应变大小有关，也就是说应用的轧制力越大，组织越致密也越细化，但这也导致其在复杂形状和薄壁构件的成形方面表现出明显的局限性。

此外，中国专利CN106735967A公开了一种超声振动辅助电弧增材制造控形控性的方法，该方法提出在电弧增材制造过程中对熔池同步施加非接触式超声振动，破碎熔池内的晶粒，抑制晶粒长大，进而实现晶粒细化，但该方法在解决丝材电弧增材成形过程中出现的气孔、晶界液化等问题上未见显著效果。

搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing，FSP)技术是在搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding，FSW)的基础上发展起来的一种用于材料微观组织改性和新材料制备的技术。其基本原理与FSW相似，将高速旋转的搅拌针压入材料内部，通过搅拌头强烈的搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合和破碎，实现材料微观结构的致密化、均匀化和细化，从而改善材料的性能。目前，FSP技术已在细晶/超细晶材料和表面/块体复合材料制备、非均质材料微观结构改性、工件局部硬化/缺陷修补等方面取得了良好的效果。其优势具体表现在以下几个方面：(1)细化晶粒，提高材料性能。在搅拌摩擦加工过程中，在大应变+高温的复合条件下，搅拌区通过发生动态再结晶获得均匀细化的等轴晶粒，进而改善材料的力学性能。(2)消除材料组织结构缺陷，获得均匀、致密的组织结构。对铸造铝合金进行搅拌摩擦加工，铸造合金粗大的第二相颗粒和铝枝晶被破碎，铸造孔隙被弥合，基体晶粒被细化，材料的力学性能，特别是塑性和疲劳性能得到明显改善。T.S.Mahmoud利用FSP技术对共晶A390铝硅合金进行改性，研究表明通过FSP技术可以减少铸造缩松，对α-Al以及Si颗粒具有明显的细化作用(参见Mahmoud T S.Surface modification of A390hypereutecticAl–Si cast alloys using friction stir processing.Surface&Coatings Technology，2013，228(9)：209-220.)。此外，有报道显示对熔焊接头的焊缝进行FSP处理，使焊缝发生动态再结晶，可以消除焊缝的枝晶偏析，气孔、热裂纹等焊接缺陷，从而提高接头的整体性能(参见G K Padhy.Friction stir based welding and processing technologies-processes，parameters，microstructures and applications：A review.Journal ofMaterials Science&Technology，2018，34(9)：1-38.)。(3)降低结构残余应力。FSP属于固态加工技术，热输入低，加工处理后材料热变形和残余应力小。

综上可见，如果在Al-Si合金丝材的电弧增材制造过程中结合层间搅拌摩擦加工改性，不但有利于增材体内部的微观组织细化，还可以消除气孔和裂纹等缺陷，获得组织致密且化学成分均匀的组织结构，同时还能够减小热变形，降低残余应力，提高增材体的力学性能。但利用搅拌摩擦加工的方法对增材体进行改性时，搅拌针作用区域有限，增材体侧壁的金属很难被处理到，侧壁金属仍保留铸造组织特征；此外，前层经过搅拌摩擦加工改性的沉积金属在后续电弧增材制造或搅拌摩擦加工改性过程中，显微组织由于受多重热循环作用会发生粗化，导致增材体性能下降。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种Al-Si合金丝材电弧增材制造方法，技术方案如下：

一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法包括以下步骤：

步骤1、利用三维绘图软件绘制零件模型，采用切片软件对零件模型进行分层切片处理，得到分层切片数据，利用仿真软件对分层切片数据进行仿真模拟并对成形路径进行优化，生成机器人控制代码，将机器人控制代码导入焊接机器人，利用焊接机器人，在事先准备好的基板上进行Al-Si合金丝材电弧增材成形，共沉积2～4层，形成多层沉积金属，并在成形过程利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却水的温度为5～25℃，冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为30～250MPa；

步骤2、对多层沉积金属的侧面和顶面进行铣削加工；

步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对铣削后的多层沉积金属进行搅拌摩擦加工，并在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却水的温度为5～25℃，冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为50～350MPa；

步骤4、对多层沉积金属上表面进行精铣，使加工表面平整，以备下一步的电弧增材成形；

步骤5、循环重复执行以上步骤，直至多层沉积金属达到预设的形状和尺寸，得到增材体；

所述冷却辊压装置包括滚柱、导热柱体和导热外圈，导热外圈转动装配在导热柱体的外壁上，导热柱体开设有内腔，导热柱体上表面设置有与内腔连通的冷却水进口，导热柱体下表面设置有与内腔连通的冷却水出口，滚柱垂直固定装配在导热柱体上表面的中心，且滚柱与焊接机器人的焊枪或搅拌摩擦加工设备的搅拌头同步动作。

步骤1中电弧增材成形过程中使用的焊接电流为60～300A，焊接电压为17.7～26.4V，焊丝摆动振幅为2.1～5.0mm，焊丝摆动速度为700～1600mm/min，成形速度为150～400mm/min，每层焊枪提升高度为1.0～2.6mm。

步骤1中电弧增材成形的多层沉积金属的宽度为7～50mm。

步骤1中所述Al-Si合金丝材中Si含量质量分数为4.5％-18.5％。

步骤1中所述的多层沉积金属由单道多层沉积或者多道多层沉积获得。

步骤2中多层沉积金属侧面的铣削量为0.1～0.5mm，顶面的铣削量为0.3～2.2mm。

步骤3中搅拌摩擦加工设备的搅拌头的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属的高度，搅拌头的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属的宽度。

搅拌摩擦加工设备所采用的搅拌头轴肩直径为6～46mm，搅拌针长度为2～5mm，搅拌头转速为400～1500r/min，行进速度为60～350mm/min，搅拌头倾角为1.5～3°。

本发明提供了一种冷却辊压及搅拌摩擦加工辅助的Al-Si合金丝材电弧增材制造方法，在冷却辊压辅助的电弧增材成形Al-Si合金过程中，每沉积2～4层Al-Si合金后，对多层沉积金属进行冷却辊压及搅拌摩擦加工改性；

这里冷却辊压辅助的电弧增材成形是指在电弧逐层沉积Al-Si合金的过程中，利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁进行辊压冷却，有助于降低沉积过程对前层金属的热影响，其次，还可以利用辊压作用控制多层沉积金属的几何尺寸；在对沉积金属进行冷却辊压及搅拌摩擦加工改性过程中，利用辊压装置与搅拌头轴肩形成局部型腔，确保型腔包围的多层沉积金属在压辊和搅拌头的作用下形成无缺陷的锻造组织，同时压辊上的冷却装置又可避免搅拌摩擦加工区及前层金属发生过热导致的组织粗化。从而获得组织优良的多层沉积金属，进而提高多层沉积金属的力学性能。另外，也可改善增材制造零件的尺寸精度与粗糙度较差的问题。

相对于现有技术，本发明在提高构件尺寸精度和改善其粗糙度方面的优势明显，最重要的是能够完全破除Al-Si合金增材成形过程中的枝晶生长并细化晶粒，有效地修复气孔和裂纹等缺陷，同时在丝材电弧增材制造及其改性过程中，通过施加冷却防止多层沉积金属发生过热及因此导致的微观组织粗化，大大提高多层沉积金属的力学性能，特别是塑性和疲劳性能。此外，本发明的冷却辊压装置具有较高的灵活性，不仅适用于直壁结构件的丝材电弧增材制造，还适用于曲面结构件的丝材电弧增材制造。

附图说明

图1为本发明利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形的示意图；

图2为本发明冷却辊压装置的剖面示意图；

图3为本发明对多层沉积金属的侧面和顶面进行铣削加工的示意图；

图4为本发明利用冷却辊压辅助进行搅拌摩擦加工的示意图。

其中：基板1；多层沉积金属2；冷却辊压装置3；滚柱31；导热柱体32；导热外圈33；内腔34；冷却水进口35；冷却水出口36；滚珠37；搅拌头4；焊枪5；铣刀6。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

如图1～图4所示，本实施例提供了的4043铝合金丝材电弧增材制造直壁墙的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形：利用三维绘图软件绘制尺寸为300mm(长)×100mm(高)×11mm(宽)的直壁墙模型，采用切片软件对零件模型进行分层切片处理，得到分层切片数据，利用仿真软件对分层切片数据进行仿真模拟并对成形路径进行优化，生成机器人控制代码(或数控代码)，将机器人控制代码导入焊接机器人，利用焊接机器人，采用MIG焊机产生的电弧为热源，在事先准备好的T型基板1上进行4043铝合金丝材电弧增材成形，共沉积2～4层，形成多层沉积金属2，形成的多层沉积金属2的宽度为11mm，所述的多层沉积金属2由单道多层沉积获得；电弧增材成形过程中使用的焊接电流为90A，焊接电压18.7V，成形速度为232mm/min，每层焊枪提升高度1.5mm，焊丝摆动振幅2.75mm，焊丝摆动速度851mm/min。

同时在成形过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁进行辊压冷却，有助于降低沉积过程对前层金属的热影响，其次，还可以利用辊压作用控制多层沉积金属2的几何尺寸，冷却辊压过程中冷却水的温度为10℃，冷却水的流量为1500L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为50MPa。

步骤2、利用铣削机器人的铣刀6对多层沉积金属2的侧面和顶面进行铣削加工；一方面为了控制多层沉积金属2的尺寸精度，另一方面可为后续的搅拌摩擦加工工序提供平整表面，防止搅拌摩擦加工缺陷的产生，多层沉积金属2两侧面的铣削量为0.3mm，顶面的铣削量为2mm，铣削过程中按照最终零件尺寸要求的精度设定铣削量，进给速度等工艺参数；

步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对铣削后的多层沉积金属2进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工设备的搅拌头4的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属2的高度，搅拌摩擦加工设备的搅拌头4的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属2的宽度，这样可以最大程度细化多层沉积金属2的微观组织，消除缺陷，具体的，搅拌头4轴肩直径为10.5mm，搅拌针长度为4.8mm，搅拌头4转速为800r/min，行进速度为70mm/min，搅拌头4倾角为2.5°；

同时在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用辊压装置与搅拌头4轴肩形成局部型腔，确保型腔包围的多层沉积金属2在辊压和搅拌头4的作用下形成无缺陷的锻造组织，同时冷却辊压装置3中通入的冷却水又可避免搅拌摩擦加工区及千层金属发生过热导致组织粗化，冷却辊压过程中冷却水的温度为10℃，冷却水的流量为1500L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为100MPa。

步骤4、利用铣削机器人或铣削机床的铣刀6对多层沉积金属2上表面进行精铣0.3mm，使加工表面平整，以备下一步的电弧增材成形；

步骤5、循环重复执行以上步骤，直至多层沉积金属2达到预设的形状和尺寸，得到增材体。

所述冷却辊压装置3包括滚柱31、导热柱体32和导热外圈33，导热外圈33通过滚珠37转动装配在导热柱体32的外壁上，导热柱体32开设有内腔34，导热柱体32上表面设置有与内腔34连通的冷却水进口35，导热柱体32下表面设置有与内腔34连通的冷却水出口36，滚柱31垂直固定装配在导热柱体32上表面的中心，且滚柱31与焊接机器人的焊枪5或搅拌摩擦加工设备的搅拌头4同步动作。

导热柱体32和导热外圈33可采用导热较好的金属材料制成。

经过冷却辊压及搅拌摩擦加工处理的区域组织由细小的等轴晶粒组成，且消除普通丝材电弧增材制造过程中容易形成的的气孔，孔洞和液化裂纹等缺陷，提高了成形体的力学性能。表1为分别采用冷却辊压及搅拌摩擦加工辅助电弧增材成形、普通电弧增材成形以及铸造成形4043铝合金薄壁墙的力学性能对比数据。

表1

实施例2

本实施例提供了的4047(Al-12Si)铝合金丝材电弧增材制造直壁墙的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形：利用三维绘图软件绘制尺寸为300mm(长)×100mm(高)×42mm(宽)的直壁墙模型，采用切片软件对零件模型进行分层切片处理，得到分层切片数据，利用仿真软件对分层切片数据进行仿真模拟并对成形路径进行优化，生成机器人控制代码(或数控代码)，将机器人控制代码导入焊接机器人，利用焊接机器人，采用MIG焊机产生的电弧为热源，在事先准备好的T型基板1上进行4047铝合金丝材电弧增材成形，形成多层沉积金属2，共沉积2层，形成的多层沉积金属2的宽度为42mm，所述的多层沉积金属由多道多层沉积获得；电弧增材成形过程中使用的焊接电流为180A，焊接电压22.3V，成形速度为232mm/min，提升高度1.5mm，焊丝摆动振幅3mm，摆动速度980mm/min。

同时在成形过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁进行辊压冷却，有助于降低沉积过程对前层金属的热影响，其次，还可以利用辊压作用控制多层沉积金属2的几何尺寸，冷却辊压过程中冷却水的温度为5℃，冷却水的流量为500L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为150MPa。

步骤2、利用铣削机器人的铣刀6对多层沉积金属2的侧面和顶面进行铣削加工；一方面为了控制多层沉积金属2的尺寸精度，另一方面可为后续的搅拌摩擦加工工序提供平整表面，防止搅拌摩擦加工缺陷的产生，多层沉积金属2两侧面的铣削量为0.3mm，顶面的铣削量为2.2mm，铣削过程中按照最终零件尺寸要求的精度设定铣削量，进给速度等工艺参数；

步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对多层沉积金属2进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工设备的搅拌头4的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属2的高度，搅拌摩擦加工设备搅拌头4的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属2的宽度，这样可以最大程度细化多层沉积金属2的微观组织，消除缺陷，具体的，搅拌头4轴肩直径为40mm，搅拌针长度为4.8mm，搅拌头4转速为800r/min，行进速度为70mm/min，搅拌头4倾角为2.5°；

同时在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用辊压装置与搅拌头4轴肩形成局部型腔，确保型腔包围的多层沉积金属2在辊压和搅拌头4的作用下形成无缺陷的锻造组织，同时冷却辊压装置3中通入的冷却水又可避免搅拌摩擦加工区及千层金属发生过热导致组织粗化，冷却辊压过程中冷却水的温度为25℃，冷却水的流量为2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为300MPa。

步骤4、利用铣削机器人或铣削机床的铣刀6对多层沉积金属2上表面进行精铣0.5mm，使加工表面平整，以备下一步的电弧增材成形。

步骤5、循环重复执行以上步骤，直至多层沉积金属2达到预设的形状和尺寸。

所述冷却辊压装置3包括滚柱31、导热柱体32和导热外圈33，导热外圈33通过滚珠37转动装配在导热柱体32的外壁上，导热柱体32开设有内腔34，导热柱体32上表面设置有与内腔34连通的冷却水进口35，导热柱体32下表面设置有与内腔34连通的冷却水出口36，滚柱31垂直固定装配在导热柱体32上表面的中心，且滚柱31与焊接机器人的焊枪5或搅拌摩擦加工设备的搅拌头4同步动作。

导热柱体32和导热外圈33可采用导热较好的金属材料制成。

经过冷却辊压及搅拌摩擦加工处理的区域组织由细小的等轴晶粒组成，且消除普通丝材电弧增材制造过程中容易形成的的气孔，孔洞和液化裂纹等缺陷，提高了成形体的力学性能。表2为分别采用冷却辊压及搅拌摩擦加工辅助电弧增材成形、普通电弧增材成形以及铸造成形4047铝合金薄壁墙的力学性能对比数据。

表2

实施例3

本实施例提供了的4043铝合金丝材电弧增材制造直壁墙的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形：利用三维绘图软件绘制尺寸为300mm(长)×100mm(高)×11mm(宽)的直壁墙模型，采用切片软件对零件模型进行分层切片处理，得到分层切片数据，利用仿真软件对分层切片数据进行仿真模拟并对成形路径进行优化，生成机器人控制代码(或数控代码)，将机器人控制代码导入焊接机器人，利用焊接机器人，采用MIG焊机产生的电弧为热源，在事先准备好的T型基板1上进行4043铝合金丝材电弧增材成形，共沉积2～4层，形成多层沉积金属2，形成的多层沉积金属2的宽度为11mm，所述的多层沉积金属2由单道多层沉积获得；电弧增材成形过程中使用的焊接电流为60A，焊接电压17.7V，成形速度为400mm/min，每层焊枪提升高度1mm，焊丝摆动振幅2.1mm，焊丝摆动速度700mm/min。

同时在成形过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁进行辊压冷却，有助于降低沉积过程对前层金属的热影响，其次，还可以利用辊压作用控制多层沉积金属2的几何尺寸，冷却辊压过程中冷却水的温度为10℃，冷却水的流量为1500L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为40MPa。

步骤2、利用铣削机器人的铣刀6对多层沉积金属2的侧面和顶面进行铣削加工；一方面为了控制多层沉积金属2的尺寸精度，另一方面可为后续的搅拌摩擦加工工序提供平整表面，防止搅拌摩擦加工缺陷的产生，多层沉积金属2两侧面的铣削量为0.3mm，顶面的铣削量为2mm，铣削过程中按照最终零件尺寸要求的精度设定铣削量，进给速度等工艺参数；

步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对铣削后的多层沉积金属2进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工设备的搅拌头4的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属2的高度，搅拌摩擦加工设备的搅拌头4的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属2的宽度，这样可以最大程度细化多层沉积金属2的微观组织，消除缺陷，具体的，搅拌头4轴肩直径为10.5mm，搅拌针长度为2mm，搅拌头4转速为1500r/min，行进速度为320mm/min，搅拌头4倾角为1.5°；

同时在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用辊压装置与搅拌头4轴肩形成局部型腔，确保型腔包围的多层沉积金属2在辊压和搅拌头4的作用下形成无缺陷的锻造组织，同时冷却辊压装置3中通入的冷却水又可避免搅拌摩擦加工区及千层金属发生过热导致组织粗化，冷却辊压过程中冷却水的温度为10℃，冷却水的流量为1500L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为100MPa。

步骤4、利用铣削机器人或铣削机床的铣刀6对多层沉积金属2上表面进行精铣0.3mm，使加工表面平整，以备下一步的电弧增材成形；

步骤5、循环重复执行以上步骤，直至多层沉积金属2达到预设的形状和尺寸，得到增材体。

所述冷却辊压装置3包括滚柱31、导热柱体32和导热外圈33，导热外圈33通过滚珠37转动装配在导热柱体32的外壁上，导热柱体32开设有内腔34，导热柱体32上表面设置有与内腔34连通的冷却水进口35，导热柱体32下表面设置有与内腔34连通的冷却水出口36，滚柱31垂直固定装配在导热柱体32上表面的中心，且滚柱31与焊接机器人的焊枪5或搅拌摩擦加工设备的搅拌头4同步动作。

导热柱体32和导热外圈33可采用导热较好的金属材料制成。

实施例4

本实施例提供了的4047(Al-12Si)铝合金丝材电弧增材制造直壁墙的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形：利用三维绘图软件绘制尺寸为300mm(长)×100mm(高)×50mm(宽)的直壁墙模型，采用切片软件对零件模型进行分层切片处理，得到分层切片数据，利用仿真软件对分层切片数据进行仿真模拟并对成形路径进行优化，生成机器人控制代码(或数控代码)，将机器人控制代码导入焊接机器人，利用焊接机器人，采用MIG焊机产生的电弧为热源，在事先准备好的T型基板1上进行4047铝合金丝材电弧增材成形，形成多层沉积金属2，共沉积2层，形成的多层沉积金属2的宽度为50mm，所述的多层沉积金属由多道多层沉积获得；电弧增材成形过程中使用的焊接电流为300A，焊接电压26.4V，成形速度为150mm/min，提升高度2.5mm，焊丝摆动振幅5mm，摆动速度1600mm/min。

同时在成形过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁进行辊压冷却，有助于降低沉积过程对前层金属的热影响，其次，还可以利用辊压作用控制多层沉积金属2的几何尺寸，冷却辊压过程中冷却水的温度为5℃，冷却水的流量为500L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为200MPa。

步骤2、利用铣削机器人的铣刀6对多层沉积金属2的侧面和顶面进行铣削加工；一方面为了控制多层沉积金属2的尺寸精度，另一方面可为后续的搅拌摩擦加工工序提供平整表面，防止搅拌摩擦加工缺陷的产生，多层沉积金属2两侧面的铣削量为0.3mm，顶面的铣削量为2.2mm，铣削过程中按照最终零件尺寸要求的精度设定铣削量，进给速度等工艺参数；

步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对多层沉积金属2进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工设备的搅拌头4的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属2的高度，搅拌摩擦加工设备搅拌头4的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属2的宽度，这样可以最大程度细化多层沉积金属2的微观组织，消除缺陷，具体的，搅拌头4轴肩直径为46mm，搅拌针长度为3mm，搅拌头4转速为400r/min，行进速度为80mm/min，搅拌头4倾角为3°；

同时在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置3对多层沉积金属2侧壁施加冷却辊压；利用辊压装置与搅拌头4轴肩形成局部型腔，确保型腔包围的多层沉积金属2在辊压和搅拌头4的作用下形成无缺陷的锻造组织，同时冷却辊压装置3中通入的冷却水又可避免搅拌摩擦加工区及千层金属发生过热导致组织粗化，冷却辊压过程中冷却水的温度为25℃，冷却水的流量为2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为350MPa。

步骤4、利用铣削机器人或铣削机床的铣刀6对多层沉积金属2上表面进行精铣0.5mm，使加工表面平整，以备下一步的电弧增材成形。

步骤5、循环重复执行以上步骤，直至多层沉积金属2达到预设的形状和尺寸。

所述冷却辊压装置3包括滚柱31、导热柱体32和导热外圈33，导热外圈33通过滚珠37转动装配在导热柱体32的外壁上，导热柱体32开设有内腔34，导热柱体32上表面设置有与内腔34连通的冷却水进口35，导热柱体32下表面设置有与内腔34连通的冷却水出口36，滚柱31垂直固定装配在导热柱体32上表面的中心，且滚柱31与焊接机器人的焊枪5或搅拌摩擦加工设备的搅拌头4同步动作。

导热柱体32和导热外圈33可采用导热较好的金属材料制成。

本发明的优异之处在于，在丝材电弧增材制造及其搅拌摩擦改性过程中，通过冷却辊压装置施加冷却防止多层沉积金属发生过热及因此导致的微观组织粗化，大大提高多层沉积金属的力学性能，同时通过冷却辊压装置实现了控制多层沉积金属几何尺寸的目的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方法。对于利用MIG、TIG或PAW焊机产生电弧为热源，采用不同直径，不同合金元素含量的Al-Si合金丝材为填充金属，进行增材成形的过程中均可以利用层间冷却辊压及搅拌摩擦加工方法来消除沉积金属的气孔、液化相和裂纹等缺陷，并细化组织，从而改善性能，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用三维绘图软件绘制零件模型，采用切片软件对零件模型进行分层切片处理，得到分层切片数据，利用仿真软件对分层切片数据进行仿真模拟，生成机器人控制代码，将机器人控制代码导入焊接机器人，利用焊接机器人，在事先准备好的基板上进行Al-Si合金丝材电弧增材成形，共沉积2～4层，形成多层沉积金属，并在成形过程利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却水的温度为5～25℃，冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为30～250MPa；

步骤2、对多层沉积金属的侧面和顶面进行铣削加工；

步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对铣削后的多层沉积金属进行搅拌摩擦加工，并在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却水的温度为5～25℃，冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为50～350MPa；

步骤4、对多层沉积金属上表面进行精铣，使加工表面平整，以备下一步的电弧增材成形；

步骤5、循环重复执行以上步骤，直至多层沉积金属达到预设的形状和尺寸，得到增材体；

所述冷却辊压装置包括滚柱、导热柱体和导热外圈，导热外圈转动装配在导热柱体的外壁上，导热柱体开设有内腔，导热柱体上表面设置有与内腔连通的冷却水进口，导热柱体下表面设置有与内腔连通的冷却水出口，滚柱垂直固定装配在导热柱体上表面的中心，且滚柱与焊接机器人的焊枪或搅拌摩擦加工设备的搅拌头同步动作。

2.根据权利要求1所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤3中搅拌摩擦加工设备的搅拌头的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属的高度，搅拌头的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤1中电弧增材成形的多层沉积金属的宽度为7～50mm。

4.根据权利要求1所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1中所述的多层沉积金属由单道多层沉积或者多道多层沉积获得。

5.根据权利要求1所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1中电弧增材成形过程中使用的焊接电流为60～300A，焊接电压为17.7～26.4V，焊丝摆动振幅为2.1～5.0mm，焊丝摆动速度为700～1600mm/min，成形速度为150～400mm/min，每层焊枪提升高度为1.0～2.6mm。

6.根据权利要求1所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2中多层沉积金属侧面的铣削量为0.1～0.5mm，顶面的铣削量为0.3～2.2mm。

7.根据权利要求2所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，搅拌摩擦加工设备所采用的搅拌头轴肩直径为6～46mm，搅拌针长度为2～5mm，搅拌头转速为400～1500r/min，行进速度为60～350mm/min，搅拌头倾角为1.5～3°。

8.根据权利要求1所述的一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1中所述Al-Si合金丝材中Si含量质量分数为4.5％-18.5％。