CN112958875A

CN112958875A - 一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置与方法

Info

Publication number: CN112958875A
Application number: CN202110299395.XA
Authority: CN
Inventors: 占小红; 陈丹; 王磊磊; 周旭东
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2021-06-15

Abstract

本发明公开了一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置与方法，属于电弧增材制造领域。针对目前电弧增材制造成形过程中，由于构件反复经历复杂的升温和降温而产生残余应力和变形，提出了利用豪克能技术和滚压轮同时作用于电弧增材构件表面，实现实时消除电弧增材构件中残余应力、提升增材构件性能的目的，减少了零件的后续加工处理。其特征在于，通过红外测温系统实时监测电弧增材过程的构件温度，实时控制滚压轮及其上方随动的豪克能振动冲击设备，共同垂直作用于增材表面，从而改善其内部残余应力。本发明在消除增材件的残余应力时，结合了豪克能的振动冲击力和滚压轮的挤压力，相比单一的冲击力或挤压力更适用于堆积而成的增材构件。

Description

一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置与方法

技术领域

本发明涉及电弧增材技术领域，尤其涉及一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置与方法。

背景技术

增材制造技术以其成形速度快、制造成本低等突出优点，成为了目前航空航天等多个领域炙手可热的研究热点。与焊接、铆接、机加工等工艺相比，增材制造技术减重效果显著、气密性好、疲劳性能高、生产效率高，更易实现自动化、柔性化制造。增材制造技术通过分层堆积和热源逐层熔覆技术完成构件的制造，目前已经成功在铝合金、钛合金、不锈钢等金属中生产应用。尤其是铝合金的电弧增材技术，具有堆积速率高、材料利用率高、生产成本低、开放的成形环境对成形件尺寸无限制等优点，具备大尺寸零件成型的能力，在航天航空大型复杂铝合金结构件的生产方面，有望实现铝合金大型复杂结构件的快速近净成型。

而在国内航空领域，目前基本无电弧增材件应用于客机、军用机、无人机的前例，以及正式采用含有较大尺寸增材制造零件的飞机进行服役。主要原因是金属材料在电弧增材的过程中经历了复杂的热过程和冶金过程，随着堆积层数的增加，堆积零件热累积严重，由此产生了残余应力和变形，这会严重影响增材件的成形以及其质量，从而直接影响该结构的力学性能与服役寿命。

目前消除构件残余应力的方法有热处理、机械拉伸、超声振动、挤压等，使用热处理、机械拉伸方法消除大型金属构件的残余应力时设备成本较高；在焊接中，普通的超声振动消除残余应力的消除率在30％～50％左右，而豪克能技术能够使残余应力的消除率达到80％～100％。针对堆积成形的大型电弧增材构件，其逐层热累积导致的残余应力较大，因此使用豪克能振动加滚轮的挤压同步作用于增材构件表面，能够最大程度上消除增材过程中构件的残余应力，且该方法还能一定程度上消除沉积层内的气孔等缺陷。

发明内容

针对电弧增材过程中增材构件中存在较大残余应力的问题，本发明提出一种利用豪克能振动加滚轮挤压的装置和方法，将豪克能设备产生的高频冲击能量，同时结合滚轮的挤压力垂直作用到沉积金属内部，通过对在重结晶温度内的增材金属施加一定值的压应力，对增材构件中的沉积层内残余应力进行控制和改善，以达到消除增材件内残余应力、细化晶粒、减少内部缺陷、提高增材件整体性能的目标。

本发明是通过以下技术手段和方法实现上述工艺目的的。

一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置，包括红外实时测温系统、电弧增材系统和豪克能滚压系统三部分。

其中，红外实时测温系统包括红外热像仪、成像温度分析平台、数据线，其中所述红外热像仪的测试温度范围为100℃～1800℃，所述红外热像仪连接成像温度分析平台，实时监控电弧增材过程的热输入。

电弧增材系统包括包括电弧增材电源、机器人、机器人控制柜、送丝机构、基板、沉积构件、保护气以及焊枪，所述电弧增材系统连接成像温度分析平台，实时控制电弧增材过程的热输入。

豪克能滚压系统包括滚轮、豪克能设备、控制器，所述滚轮和豪克能设备的移动由同一台控制器控制，所述控制器与成像温度分析平台相连接，沿增材路径实时冲击和碾压。

其中，豪克能振动设备位于滚轮的上方，两者均垂直作用于增材构件上表面。

优选地，豪克能冲击设备作用于滚轮上，滚轮与增材件表面接触，在挤压沉积层的同时对其进行振动冲击。

优选地，挤压轮的宽度略大于单道焊缝宽度。

一种复合能量冲击消除电弧增材制造构件的方法，包括如下步骤：

步骤一、构建增材几何数模，并将其导入到增材成形的分层软件中，规划设置增材路径；

步骤二、将打磨处理后的基板装夹固定于焊接工作平台上，调试红外热像仪等相关设备；

步骤三、开启红外热像仪设备，实时监控增材过程中增材构件的温度变化，并同步传输到豪克能设备与滚压设备的移动控制器内；

步骤四、开启豪克能设备电源、滚压设备电源、焊接电源，确定基板上的增材起点，开始增材；

步骤五、按照规划的增材路径完成电弧增材，依次关闭焊接电源、豪克能设备、滚压设备。

其中，豪克能振动参数和滚压参数根据金属材料的具体性能参数、增材的高度进行选择。

优选地，根据红外热像仪监控的实时温度确定增材焊枪与滚压轮之间的距离，使豪克能滚压区域在增材金属的重结晶温度范围内。

本发明通过使用豪克能技术代替普通的超声冲击设备，大幅度提高了残余应力消除率；同时考虑到随着增材过程的进行，沉积层不断增加，仅适用振动冲击消除的残余应力有限，而豪克能振动冲击力结合滚轮的挤压力，可以最大程度上减小增材过程中产生的残余应力。此外，通过将豪克能设备作用于滚轮上，利用滚轮将豪克能设备产生的能量均匀地作用于沉积层表面，改善其内部的气孔等缺陷，从而提升增材件的整体力学性能。本发明在实施过程中具有通用性，针对不同的工件材料和尺寸均可使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的设备装置和技术步骤，下面结合附图对本发明进行进一步说明，其中：

图1为豪克能滚压消除电弧增材制造残余应力方法步骤流程图；

图2为豪克能滚压消除电弧增材制造残余应力装置示意图；

图3为豪克能滚压消除电弧增材制造残余应力装置俯视定位示意图；

图4为豪克能滚压装置施力示意图。

图中：

1-红外实时测温系统、11-红外热像仪、12-成像温度分析平台、13-数据线；

2-电弧增材系统、21-送丝机构、22-基板、23-沉积构件、24-保护气、25-焊枪；

3-豪克能滚压系统、31-滚轮、32-豪克能设备、33-控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明，以便对本发明的核心要点有更加直观的了解。此外，在本领域内不脱离本发明的相关改进或改变，都属于本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明的具体实施时，首先根据需求利用三维数模软件构建相应的模型，由于电弧增材的精度较低，因此在构建模型时，对整个模型加2mm的加工预留量。将数模导入到分层切片软件中，规划增材路径，并根据增材金属的材料特性和增材的高度确定豪克能振动冲击与滚设备的相关参数。在增材开始前，将红外热像仪对焦于增材区域，开启实时监控温度模式。然后，确定基板上电弧增材的起点，开始CMT电弧增材。期间利用红外热像仪检测增材件表面的温度，使豪克能滚压设备的作用区域位于增材金属的重结晶温度范围内，直到整个增材过程结束。

如图2所示，豪克能振动设备(32)和滚压设备(31)位于CMT焊枪(25)的后方，均垂直于增材件(23)和基板表面(22)。红外热像仪的监控镜头(11)实时监控增材件，分析监控获得的数据，传输到控制器(33)，控制豪克能滚压设备随着焊枪的移动而滚压前进。

如图3所示，为了使豪克能振动冲击力和滚轮的压力更好地作用于增材件表面，滚轮宽度L₀略大于焊道的宽度L。利用红外热像仪实时监测增材过程中沉积层的温度，将测试获得的温度实时传送到分析软件后，利用控制器控制豪克能滚压设备的移动。豪克能滚压设备与焊枪之间的水平距离d由增材件的温度决定，使豪克能滚压的作用区域温度位于增材金属的重结晶温度范围内。豪克能振动冲击力与滚轮的载荷根据增材的层高设定，滚轮的移动速度根据焊枪移动的速度进行设定。

如图4所示，在CMT电弧增材高强铝合金时，通过施加挤压力和振动冲击力消除增材件内部的残余应力。豪克能振动设备位于辊压轮的上方，两者均垂直作用于沉积层表面，随着焊枪移动的同时，控制器驱动豪克能设备与滚压轮同步前进，豪克能设备利用冲击头将振动冲击力F₁传递到滚轮，滚轮对增材件表面施加的力包括其自身载荷F₂和振动冲击载荷F₁，并随着滚轮的滚压沿着增材路径前进。

显然，本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所作的举例，并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置，其特征在于，包括红外实时测温系统(1)、电弧增材系统(2)和豪克能滚压系统(3)三部分：

所述红外实时测温系统包括红外热像仪(11)、成像温度分析平台(12)、数据线(13)，其中，所述红外热像仪的测试温度范围为100℃～1800℃，所述红外热像仪连接成像温度分析平台，实时监控电弧增材过程的热输入；

所述电弧增材系统包括电弧增材电源、机器人、机器人控制柜、送丝机构(21)、基板(22)、沉积构件(23)、保护气(24)以及焊枪(25)，所述电弧增材系统连接成像温度分析平台，实时控制电弧增材过程的热输入；

所述豪克能滚压系统包括滚轮(31)、豪克能设备(32)、控制器(33)，所述滚轮和豪克能设备的移动由同一台控制器控制，所述控制器与成像温度分析平台相连接，沿增材路径实时冲击和碾压。

2.根据权利要求1所述的复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述豪克能振动设备位于滚轮的上方，两者均垂直作用于增材构件上表面。

3.根据权利要求1所述的复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置，其特征在于，所述豪克能冲击设备作用于滚轮上，滚轮与增材件表面接触，在挤压沉积层的同时对其进行振动冲击，挤压轮的宽度略大于单道焊缝宽度。

4.一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

(1).构建增材几何数模，并将其导入到增材成形的分层软件中，规划设置增材路径；

(2).将打磨处理后的基板装夹固定于焊接工作平台上，调试红外热像仪等相关设备；

(3).开启红外热像仪设备，实时监控增材过程中增材构件的温度变化，并同步传输到豪克能设备与滚压设备的移动控制器内；

(4).开启豪克能设备电源、滚压设备电源、焊接电源，确定基板上的增材起点，开始增材；

(5).按照规划的增材路径完成电弧增材，依次关闭焊接电源、豪克能设备、滚压设备。

5.根据权利要求4所述的复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的方法，其特征在于，根据金属材料的性能参数、增材的高度选择豪克能振动参数和滚压参数；根据红外热像仪监控的实时温度确定增材焊枪与滚压轮之间的距离，使豪克能滚压区域在增材金属的重结晶温度范围内。