CN112894077A - 使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置及方法。包括焊枪，基板，焊接工作台，电磁夹具和激振器；电磁夹具用于将基板固定在焊接工作台上，激振器与基板连接，用于电弧增材过程中的振动和增材后的构件的振动时效处理。在每增材制造一层后以及整体增材制造完成后对构件进行振动时效处理，减少构件中的残余应力，控制应力变形；同时利用振动传感器实时检测振动频率并反馈至振动控制装置，实现实时控制振动频率；在此基础上，使用能快速控制开关的电磁夹具对基板进行固定，能大量减少装卸夹具的时间，有效提高振动时效的效率。本发明能有效控制电弧增材中的应力变形，提高增材构件质量。

Description

使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置及方法。

背景技术

电弧制造是以焊接电弧为热源,根据零件三维实体所建立的CAD模型进行分层切片，以一定成形路径自下而上地制造出所需零件的先进数字化制造技术。其具有成形效率高、制造成本低、生产周期短、材料利用率高、可使用的材料种类广泛等优点。

但是在电弧增材过程中构件内部经历快速局部加热和冷却，基板和沉积层以及各沉积层之间产生巨大的温度梯度，金属熔体凝固收缩不均匀，将不可避免会产生残余应力和变形。极大得影响了增材制造构件的质量，限制了增材制造技术的应用和推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材制造装置及方法，以解决现在电弧增材制造过程中残余应力分布集中、成形件变形大的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置，包括焊枪，基板，焊接工作台，电磁夹具和激振器；所述电磁夹具用于将基板固定在焊接工作台上，所述激振器与基板连接，用于电弧增材过程中的振动和增材后的构件的振动时效处理。

进一步的，所述振动成型的电弧增材装置还包括振动传感器，振动时效控制装置；

所述振动传感器固定于基板上表面，并与振动时效控制装置相连，振动传感器将检测到的振动幅度和振动频率发送给振动时效控制装置，振动时效控制装置与激振器连接，用于控制激振器的振动幅度和振动频率。

进一步的，还包括振动装置外接电源，用于为振动传感器，激振器和振动时效控制装置供电。

进一步的，还包括电弧增材制造电源和计算机控制系统；焊枪和焊接工作台分别与电弧增材制造电源的两极相连，所述计算机控制装置控制焊枪的引弧、熄弧和移动。

进一步的，还包括振动工作台和橡胶垫；当用于增材后的构件的振动时效处理时，橡胶垫设置在振动工作台上，构件连同基板放置在橡胶垫上方，振动传感器固定于基板的上表面，激振器与基板连接，振动时效控制装置与激振器(11)和振动传感器连接。

一种采用上述的装置进行电弧增材的方法，在每一层电弧增材时，对放置增材构件的基板施加振动；每一层电弧增材后，施加振动进行时效处理；将增材后的构件和基板移至设有橡胶垫的振动工作台进行振动时效处理。

进一步的，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)：根据零件形状构建三维实体模型，将三维实体模型进行切片处理，并导入计算机控制系统，计算机控制系统根据模型生成加工程序文件；

步骤(2)：将基板打磨清理干净后，使用电磁夹具固定于焊接工作台上表面；将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板；

步骤(3)：启动激振器与振动时效控制装置，并通过振动传感器检测振动幅度、振动频率，再将振动幅度、振动频率控制在预设的区间内，此时振动频率应控制在50Hz以下、激振力控制在5KN以内；

步骤(4)：引燃电弧，焊枪沿预设路径运动，在被施加机械振动的条件下，完成一层堆积层的成形；在振动的条件下进行增材制造，以使得熔池轻微振荡，起到搅拌熔池，提高成形构件的质量的作用；

步骤(5)：关闭激振器，使用焰枪对增材制造构件表面进行快速扫描，均匀化构件中的残余应力；

步骤(6)：控制电磁夹具松开，重新启动激振器，通过振动时效控制装置控制振动频率至构件和基板整体系统的固有频率附近，对增材制造构件进行振动时效处理；

步骤(7)：在振动持续10±2分钟后，降低振幅和频率至步骤(3)中的范围。控制电磁夹具重新夹紧。

步骤(8)：重复步骤(4)至步骤(7)，直至增材制造构件成形完成，关闭激振器；

步骤(9)：松开电磁夹具，将构件连同激振器移动至振动工作台上，启动激振器，通过振动时效控制装置将振频控制在构件和基板整体系统的固有频率附近，对构件进行振动时效处理；

步骤(10)：振动持续30±10分钟后，关闭激振器和振动控制装置，完成振动时效处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)通过在增材制造过程使用激振器引入机械振动，使得熔池微振，起到搅拌熔池、减少气孔、提高增材制造构件质量的作用；

(2)通过在每电弧增材制造一层后进行振动时效，能够细化构件的晶粒，并降低残余应力，有效降低应力变形，提高构件的质量；

(3)在增材制造一层构件后，使用焰枪对构件进行快速扫描，对构件进行整体加热，使得应力均匀化，能有效提高振动时效质量；

(4)在增材制造完成后，将构件移动至振动平台上进行整体的振动时效处理，能进一步降低构件中的残余应力与应力变；

(5)通过振动传感器对构件的振动幅度、振动频率进行实时监测，并通过振动时效控制装置实现实时控制振动频率；

(6)本发明操作简便、工艺灵活、易于推广，能有效提高电弧增材制造构件的质量。

附图说明

图1为本发明的使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置中焊接平台示意图。

图2为本发明的使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置中振动平台示意图。

附图标记说明：

1-基板，2-焊接工作台，3-焊枪，4-电弧增材制造电源，5-振动传感器，6-振动装置外接电源，7-计算机控制系统，8-振动时效控制装置，9-增材制造构件，10-电磁夹具，11-激振器，12-橡胶垫，13-振动工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1、2所示，本发明提供了一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材制造装置。包括：增材制造系统和振动系统。

所述增材制造系统包括：电弧增材制造电源4、焊枪3、电磁夹具10、基板1、焊接工作台2和计算机控制系统7。焊枪3和焊接工作台2分别于电弧增材制造电源4两极相连，基板1用电磁夹具10固定于焊接工作台2上表面，焊枪3位于基板1上方，计算机控制系统7控制焊枪3的引弧、熄弧和移动。电磁夹具10能通过开关快速控制基板1的夹紧与松开。

所述振动系统包括：激振器11、振动传感器5、振动时效控制装置8、振动工作台13、橡胶垫12和振动装置外接电源6。其中激振器11固定于基板1侧边，振动传感器5固定于基板1上表面并与振动时效控制装置8相连接。

本发明还提供一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：根据零件形状构建三维实体模型，将三维实体模型进行切片处理，并导入计算机控制系统7，计算机控制系统7根据模型生成加工程序文件。

步骤二：将基板1打磨清理干净后，使用电磁夹具10固定于焊接工作台2上表面。将焊枪3移动至起弧点上方，并使焊枪3位于基板1上方并垂直于基板1。

步骤三：启动激振器11与振动时效控制装置8，并通过振动传感器5检测振动幅度、振动频，再通过振动传感器将振动幅度、振动频率控制在预设的区间内，此时振动频率应控制在50Hz以下、激振力控制在5KN以内。

步骤四：引燃电弧，焊枪3沿预设路径运动，在被施加机械振动的条件下，完成一层堆积层的成形。在振动的条件下进行增材制造，以使得熔池轻微振荡，起到搅拌熔池，提高成形构件的质量的作用。

步骤五：关闭激振器11，使用焰枪对增材制造构件表面进行快速扫描，均匀化构件中的残余应力。

步骤六：控制电磁夹具10松开，重新启动激振器11，通过振动时效控制装置8控制振动频率至构件和基板1整体系统的固有频率附近，对增材制造构件进行振动时效处理。

步骤七：在振动持续10分钟后，降低振幅和频率至步骤三中的范围。控制电磁夹具10重新夹紧。

步骤八：重复步骤四至步骤七，直至增材制造构件成形完成，关闭激振器11。

步骤九：松开电磁夹具10，将构件连同激振器11移动至振动工作台13上。启动激振器11，通过振动时效控制装置8将振频控制在构件和基板整体系统的固有频率附近，对构件进行振动时效处理。

步骤十：振动持续30分钟后，关闭激振器11和振动时效控制装置8，完成振动时效处理。

实施例：使用振动时效控制低碳钢电弧增材制造中的应力变形

将基板用角磨机打磨干净并清理油污。

安装并调试装置，将基板通过电磁夹具固定于底座的上表面。启动激振器，在基板上施加机械振动，并通过振动时效控制装置控制振动的激振力为5kN，频率为50Hz。焊枪在基板上方起弧。焊枪的类型为MAG，焊枪的电弧电流为180A、电弧电压为20V、电；焊丝直径为

焊枪的保护气为氩气和二氧化碳的混合气体、气体流量为20L/min，在增材制造过程中通过振动传感器实时监控振动的频率和增幅。增材制造完成一层沉积后，关闭电磁夹具，通过振动时效控制装置调整振动频率在构件的共振频率附近以取得最好的振动效果。振动时效处理10min后控制电磁夹具夹紧，继续进行增材制造。在增材制造整体完成后，将构件连同基板移动至振动平台上，重新以构件整体的共振频率对其进行振动时效处理，处理时间30min。

Claims (7)

1.一种使用振动时效控制应力变形的电弧增材装置，其特征在于，包括焊枪(3)，基板(1)，焊接工作台(2)，电磁夹具(10)和激振器(11)；所述电磁夹具(10)用于将基板(1)固定在焊接工作台(2)上，所述激振器(11)与基板(1)连接，用于电弧增材过程中的振动和增材后的构件的振动时效处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振动成型的电弧增材装置还包括振动传感器(5)，振动时效控制装置(8)；

所述振动传感器(5)固定于基板(1)上表面，并与振动时效控制装置(8)相连，振动传感器(5)将检测到的振动幅度和振动频率发送给振动时效控制装置(8)，振动时效控制装置(8)与激振器(11)连接，用于控制激振器(11)的振动幅度和振动频率。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括振动装置外接电源(6)，用于为振动传感器(5)，激振器(11)和振动时效控制装置(8)供电。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括电弧增材制造电源(4)和计算机控制系统(7)；焊枪(3)和焊接工作台(2)分别与电弧增材制造电源(4)的两极相连，所述计算机控制装置控制焊枪(3)的引弧、熄弧和移动。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括振动工作台(13)和橡胶垫(12)；当用于增材后的构件的振动时效处理时，橡胶垫(12)设置在振动工作台(13)上，构件连同基板(1)放置在橡胶垫(12)上方，振动传感器(5)固定于基板(1)的上表面，激振器(11)与基板(1)连接，振动时效控制装置(8)与激振器(11)和振动传感器(5)连接。

6.一种采用权利要求5所述的装置进行电弧增材的方法，其特征在于，在每一层电弧增材时，对放置增材构件的基板(1)施加振动；每一层电弧增材后，施加振动进行时效处理；将增材后的构件和基板移至设有橡胶垫的振动工作台进行振动时效处理。

7.一种采用权利要求6所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：根据零件形状构建三维实体模型，将三维实体模型进行切片处理，并导入计算机控制系统(7)，计算机控制系统(7)根据模型生成加工程序文件；

步骤(2)：将基板(1)打磨清理干净后，使用电磁夹具(10)固定于焊接工作台(2)上表面；将焊枪(3)移动至起弧点上方，并使焊枪(3)位于基板(1)上方并垂直于基板(1)；

步骤(3)：启动激振器(11)与振动时效控制装置(8)，并通过振动传感器(5)检测振动幅度、振动频率，再将振动幅度、振动频率控制在预设的区间内，此时振动频率应控制在50Hz以下、激振力控制在5KN以内；

步骤(4)：引燃电弧，焊枪(3)沿预设路径运动，在被施加机械振动的条件下，完成一层堆积层的成形；在振动的条件下进行增材制造，以使得熔池轻微振荡，起到搅拌熔池，提高成形构件的质量的作用；

步骤(5)：关闭激振器(11)，使用焰枪对增材制造构件表面进行快速扫描，均匀化构件中的残余应力；

步骤(6)：控制电磁夹具(10)松开，重新启动激振器(11)，通过振动时效控制装置(8)控制振动频率至构件和基板整体系统的固有频率附近，对增材制造构件进行振动时效处理；

步骤(7)：在振动持续10±2分钟后，降低振幅和频率至步骤(3)中的范围。控制电磁夹具重新夹紧。

步骤(8)：重复步骤(4)至步骤(7)，直至增材制造构件成形完成，关闭激振器(11)；

步骤(9)：松开电磁夹具(10)，将构件连同激振器移动至振动工作台(13)上，启动激振器(11)，通过振动时效控制装置将振频控制在构件和基板整体系统的固有频率附近，对构件进行振动时效处理；

步骤(10)：振动持续30±10分钟后，关闭激振器和振动控制装置，完成振动时效处理。

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