CN111805105A - 电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法及其路径规划方法 - Google Patents

电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法及其路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，包括如下步骤：形成轮廓线；形成增材偏置轮廓；填充电弧成形层；形成摩擦焊轮廓；填充摩擦焊成形层：对摩擦焊扫描轮廓内实体部分进行填充得到摩擦焊扫描路径。本发明还提供了电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，包括如下步骤：电弧增材；搅拌摩擦焊。本发明以切片层轮廓信息为基准采用不同的偏置方式、不同的路径间距、路径方向，可有效减少零件的气孔及应力应变；能够制造大尺寸、结构复杂、成形质量高、力学性能高的金属零件，能够有效减少仅采用电弧增材制造成形金属零件的后续处理工作。

Description

电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法及其路径规划方法
技术领域
本发明涉及电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法及其路径规划方法。
背景技术
电弧增材制造技术是采用电弧作为热源，焊丝作为填充材料，焊丝在电弧的作用下熔化成熔滴，在设定的路径上沉积金属零件。与其他金属增材制造相比，电弧增材制造技术具有高效、低成本的优点，可以在短时间内、低成本的制造出金属构件，且电弧增材制造技术可实现多工位同时制造，容易实现大尺寸合金框架件的快速增材制造，应用场合广泛。然而，在电弧增材制造成形过程中，随堆积层数的叠加，堆积零件热积累严重，导致应力集中。同时在成形过程中，气孔是容易出现的缺陷，它的存在降低了零件的致密性和耐腐蚀性，减小了有效承载面积，容易形成应力集中，降低构件的强度和硬度，使零件发生变形。
针对上述问题，目前研究者采用将电弧增材制造分别与超声振动、传统轧制工艺相结合来改善成形件的组织与性能。如专利 CN106735967A公开了一种超声振动辅助电弧增材控形控性的方法。在电弧增材制造过程中对熔池同步施加非接触式超声波振动以破碎熔体中的枝状晶粒、抑制晶粒长大、提高形核率从而起到细化晶粒的作用，同时超声振动对熔池产生搅拌作用降低熔池温度梯度、加快熔池中气泡的溢出、促进成分均匀混合从而减少成形件内缺陷的产生。该工艺有效细化熔池内晶粒，减少温度梯度、气孔造成的缺陷，但该工艺成形零件组织未发生改变，在实际应用过程中尚需其他处理。专利2010101476322公开了一种电弧熔积与轧制工艺相结合的成形方法。在熔敷过程中，对半熔融区枝状晶进行微型轧制破碎进而细化晶粒，提高零件的力学性能，但该工艺在减少残余应力、气孔等缺陷方面存在局限性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，包括如下步骤：
形成轮廓线：对待加工零件三维模型切片得到的每一切片层，获取轮廓信息形成封闭的轮廓线；
形成增材偏置轮廓：将轮廓线向内偏置距离d，形成电弧增材的扫描轮廓；
填充电弧成形层：对电弧增材的扫描轮廓内实体部分进行填充得到电弧增材扫描路径；
形成摩擦焊轮廓：对符合搅拌摩擦条件的切片层，将对应轮廓线向外偏置距离0.3倍填充间距D，形成摩擦焊扫描轮廓；
填充摩擦焊成形层：对摩擦焊扫描轮廓内实体部分进行填充得到摩擦焊扫描路径。
所述进行填充，是进行zigzag填充。
所述偏置距离d为，填充电弧成形层步骤中的填充间距， 6mm<d<12mm。
相邻切片层之间的电弧增材扫描路径方向垂直。
所述填充间距D为，填充摩擦焊成形层步骤中的填充间距，4mm ≤D≤10mm。
符合搅拌摩擦条件的切片层中，电弧增材扫描路径和摩擦焊扫描路径方向垂直。
本发明还提供了电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，包括如下步骤：
电弧增材：按照电弧增材扫描路径，逐层进行电弧增材加工，每一层电弧增材加工时进行热成像扫描，如任意一层的热成像扫描温度达到预定范围，则标记该层为符合搅拌摩擦条件的切片层，并在该层电弧增材加工完成后执行搅拌摩擦焊步骤；
搅拌摩擦焊：按照摩擦焊扫描路径进行搅拌摩擦焊加工。
所述电弧增材加工过程中采用同步送丝的方式实现成形。
所述电弧增材加工过程中，对电弧增材加工的工作位，同步施加电磁场；电磁场由频率20～200Hz、强度50～1000A/m的电磁场发生器产生。
本发明的有益效果在于：以切片层轮廓信息为基准采用不同的偏置方式、不同的路径间距、路径方向，可有效减少零件的气孔及应力应变；通过红外热成像检测已成形部分热积累效应进而判断搅拌摩擦焊介入时机，使得电弧增材制造与搅拌摩擦焊有效融合，利用搅拌摩擦焊对已成形的部分进行搅拌摩擦，可以有效减少电弧增材制造过程中形成的缺陷及残余应力，增强致密性，提高成形质量；能够制造大尺寸、结构复杂、成形质量高、力学性能高的金属零件，能够有效减少仅采用电弧增材制造成形金属零件的后续处理工作。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本发明提供有电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，包括如下步骤：
电弧增材：按照电弧增材扫描路径，逐层进行电弧增材加工，每一层电弧增材加工时进行热成像扫描，如任意一层的热成像扫描温度达到预定范围，则标记该层为符合搅拌摩擦条件的切片层，并在该层电弧增材加工完成后执行搅拌摩擦焊步骤；
搅拌摩擦焊：按照摩擦焊扫描路径进行搅拌摩擦焊加工。
一般而言，热成像扫描温度的预定范围为1500～1800℃。
通过红外热成像检测已成形部分热积累效应进而判断搅拌摩擦焊介入时机，使得电弧增材制造与搅拌摩擦焊有效融合，利用搅拌摩擦焊对已成形的部分进行搅拌摩擦，可以有效减少电弧增材制造过程中形成的缺陷及残余应力，增强致密性，提高成形质量。
电弧增材加工过程中采用同步送丝的方式实现成形。
电弧增材加工过程中，对电弧增材加工的工作位，同步施加电磁场；电磁场由频率20～200Hz、强度50～1000A/m的电磁场发生器产生。电磁脉冲能细化电弧增材制造的晶粒、减少气孔的产生、减小应变；同时，电磁场能有效辅助搅拌摩擦焊，提高搅拌头寿命。
本发明还提供电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，包括如下步骤：
形成轮廓线：对待加工零件三维模型切片得到的每一切片层，获取轮廓信息形成封闭的轮廓线；
形成增材偏置轮廓：将轮廓线向内偏置距离d，形成电弧增材的扫描轮廓；
填充电弧成形层：对电弧增材的扫描轮廓内实体部分进行填充得到电弧增材扫描路径；
形成摩擦焊轮廓：对符合搅拌摩擦条件的切片层，将对应轮廓线向外偏置距离0.3倍填充间距D，形成摩擦焊扫描轮廓；
填充摩擦焊成形层：对摩擦焊扫描轮廓内实体部分进行填充得到摩擦焊扫描路径。
进行填充，是进行zigzag填充。
偏置距离d为，填充电弧成形层步骤中的填充间距， 6mm<d<12mm。
填充间距D为，填充摩擦焊成形层步骤中的填充间距，4mm≤D ≤10mm。
相邻切片层之间的电弧增材扫描路径方向垂直。
符合搅拌摩擦条件的切片层中，电弧增材扫描路径和摩擦焊扫描路径方向垂直。
以切片层轮廓信息为基准采用不同的偏置方式、不同的路径间距、路径方向，可有效减少零件的气孔及应力应变。
由此，通过搅拌摩擦焊对已成形的电弧增材制造部分进行搅拌摩擦的方法，能够在搅拌头与已成形零件的接触部位产生摩擦热，使金属塑化软化，塑化金属在搅拌头的旋转作用下填充搅拌针后方的空腔，并在搅拌头轴肩和搅拌针的搅拌与挤压作用下使进行固相连接；这种方式可以将电弧增材制造微观组织转变为锻造组织，并能有效消除电弧增材成形过程中形成的裂纹、气孔等缺陷缺陷，增强致密性，减少残余应力与变形。
本发明能够制造大尺寸、结构复杂、成形质量高、力学性能高的金属零件，能够有效减少仅采用电弧增材制造成形金属零件的后续处理工作。

Claims (10)

1.电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，其特征在于：包括如下步骤：
形成轮廓线：对待加工零件三维模型切片得到的每一切片层，获取轮廓信息形成封闭的轮廓线；
形成增材偏置轮廓：将轮廓线向内偏置距离d，形成电弧增材的扫描轮廓；
填充电弧成形层：对电弧增材的扫描轮廓内实体部分进行填充得到电弧增材扫描路径；
形成摩擦焊轮廓：对符合搅拌摩擦条件的切片层，将对应轮廓线向外偏置距离0.3倍填充间距D，形成摩擦焊扫描轮廓；
填充摩擦焊成形层：对摩擦焊扫描轮廓内实体部分进行填充得到摩擦焊扫描路径。
2.如权利要求1所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，其特征在于：所述进行填充，是进行zigzag填充。
3.如权利要求1所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，其特征在于：所述偏置距离d为，填充电弧成形层步骤中的填充间距，6mm<d<12mm。
4.如权利要求1所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，其特征在于：相邻切片层之间的电弧增材扫描路径方向垂直。
5.如权利要求1所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，其特征在于：所述填充间距D为，填充摩擦焊成形层步骤中的填充间距，4mm≤D≤10mm。
6.如权利要求1所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工路径规划方法，其特征在于：符合搅拌摩擦条件的切片层中，电弧增材扫描路径和摩擦焊扫描路径方向垂直。
7.电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
电弧增材：按照电弧增材扫描路径，逐层进行电弧增材加工，每一层电弧增材加工时进行热成像扫描，如任意一层的热成像扫描温度达到预定范围，则标记该层为符合搅拌摩擦条件的切片层，并在该层电弧增材加工完成后执行搅拌摩擦焊步骤；
搅拌摩擦焊：按照摩擦焊扫描路径进行搅拌摩擦焊加工。
8.如权利要求7所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，其特征在于：。
9.如权利要求7所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，其特征在于：所述电弧增材加工过程中采用同步送丝的方式实现成形。
10.如权利要求1所述的电弧增材复合搅拌摩擦焊加工方法，其特征在于：所述电弧增材加工过程中，对电弧增材加工的工作位，同步施加电磁场；电磁场由频率20～200Hz、强度50～1000A/m的电磁场发生器产生。
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