CN113828801A - 一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置和方法，该装置包括基座、工作台，工作台设于基座上，可在基座上水平移动，工作台上方设有轧制变形模块、温度保持模块和电弧增材模块，基座上还设有深冷处理模块。还包括一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造方法。还包括一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造方法。本发明将电弧增材与深冷变形相结合，深冷变形利用某些金属材料在深冷情况下具有优异的塑性变形能力以及深冷环境阻碍变形过程中位错运动和再结晶行为，促使材料晶粒细化，提高材料强度与韧性。

Description

一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置和方法
技术领域
本发明涉及增材制造装置和方法，具体是涉及一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置和方法。
背景技术
电弧增材制造是通过电弧热熔化金属丝材，按照零件三维外形逐层沉积出最终零件的增材制造技术。电弧增材制造沉积效率高、制造成本低，在大规格金属构件快速柔性化制造中具有较大的潜力。然而电弧热输入高，材料内部易出现粗大晶粒，从而会降低构件的力学性能，影响了其在工业中的大规模应用。
轧制作为一种塑性加工工艺，通过轧辊对金属表面施加大压力，使材料产生大塑性变形。已有研究人员将轧制集成到电弧增材制造中，通过逐层添加塑性变形，能有效破碎粗大晶粒，显著提高材料的力学性能及改善各向异性。
深冷轧制是指将板材放到液氮中(液氮温度约-196℃)保温一段时间，达到预定的温度后再进行轧制的低温变形技术。深冷轧制后的材料的硬度和强度都可得到提高，同时可产生高密度的位错，增加晶界面积，提高材料的耐腐蚀性。深冷轧制后材料的组织更细小，经热处理后其屈服强度、抗拉强度及伸长率均显著提高。
CN209652374U公开了一种促进气体流动的深冷箱，包括箱体、设置在箱体外的驱动装置和设置在箱体内的进风筒，利用驱动装置驱动进风筒转动，所述箱体的侧壁设置液氮入口。通过驱动装置驱动进风筒转动，通过进风筒将氮气引至轧辊处，进一步使轧辊受冷均匀，提高深冷质量。该方法存在的问题是：(1)风扇在低温恶劣工况下存在故障率高和寿命短的问题；(2)风扇或风机需要额外的电能输入，同时根据能量关系，需要液氮冷量来弥合这部分电能，增大了液氮消耗量，(3)采用风机的深冷处理装置中，由于新风难以与液氮掺混均匀，会导致控温精度变差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种易操作、高精度、高效率、低成本的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置和方法，能显著细化晶粒、改善微观组织、提高材料的综合力学性能。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，包括基座、工作台，工作台设于基座上，可在基座上水平移动，所述工作台上方设有轧制变形模块、温度保持模块和电弧增材模块，所述基座上还设有深冷处理模块。
进一步，还设有运动机构和控制器，运动机构与控制器连接，所述电弧增材模块、温度保持模块和轧制变形模块均与运动机构连接；所述轧制变形模块、温度保持模块、深冷处理模块均与控制器连接。
进一步，所述工作台一侧设有凸耳，另一侧设有凹槽，所述基座的两端之间设有丝杆，丝杆位于基座的一侧，基座的另一侧内侧设有与工作台的凹槽配合使用的承载块，凹槽活动连接于承载块上，所述丝杆穿过凸耳，第二电机与丝杆连接，第二电机通过驱动丝杆转动，从而带动工作台在基座内水平移动。
进一步，所述温度保持模块包括第一温度传感器和第一喷射头，第一温度传感器与第一喷射头均与水平面成倾斜角；第一温度传感器与控制器连接。
进一步，所述深冷处理模块包括深冷箱和液氮储存罐，深冷箱安装在基座上，所述深冷箱包括深冷箱体，深冷箱体通过液氮回收管道与液氮储存罐相连；所述深冷箱体内设有第二温度传感器、第二喷射头，所述第一喷射头、第二喷射头均通过液氮输出管道与液氮储存罐连接；所述深冷箱体为夹层结构，深冷箱体的内外夹层之间填充有发泡材料。
进一步，所述深冷处理模块还包括第一电机，所述深冷箱还包括深冷箱盖，深冷箱盖设于深冷箱体侧面，深冷箱盖与第一电机相连，所述第一电机与控制器相连，控制器控制第一电机打开和关闭深冷箱盖。
进一步，所述液氮输出管道上设有液氮喷射回路控制阀，液氮喷射回路控制阀与控制器相连，通过控制器控制液氮喷射回路控制阀，从而调节第一喷射头、第二喷射头的液氮喷出量。
进一步，所述电弧增材模块包括焊枪和送丝机构，焊枪与焊接电源相连。
进一步，所述轧制变形模块包括轧辊和连接在轧辊上方的压力传感器，压力传感器上方设有液压缸，通过液压缸实现轧制压下变形，压力传感器和液压缸均与控制器连接。
一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造方法，包括以下步骤：
(1)采用碱性溶液对基板表面进行清洗，去除油污，对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗基板表面；
(2)将基板与工作台通过夹具连接在一起；
(3)打开第二喷射头，调节液氮喷射回路控制阀使得深冷箱内温度达到预定深冷温度；
(4)通过控制器控制焊枪移动和送丝机构配合运动，实现电弧增材沉积，形成电弧沉积层；
(5)每完成一层或多层电弧沉积，移动工作台至深冷箱内，对电弧沉积层进行深冷处理，通过第二温度传感器测定电弧沉积层表面温度；当电弧沉积层表面温度达到预定的深冷变形温度时，将工作台移出深冷箱；轧辊对电弧沉积层表面进行深冷轧制变形，第一温度传感器实时监测电弧沉积层温度，控制器根据监测温度信号控制第一喷射头，使电弧沉积层始终保持深冷变形所需温度；
(6)轧制结束后，将电弧沉积层恢复至室温；
(7)继续进行下一层电弧增材沉积过程；
(8)重复步骤(4)到(7)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明通过外加深冷温度场与力场耦合作用辅助电弧增材制造过程，利用外加深冷处理对材料迅速冷却，通过轧辊对材料施加深冷变形，通过深冷超低温抑制位错运动促进晶粒细化，大幅提升材料的力学性能。
2、本发明采用气体法对工件进行深冷处理；与液体法相比，气体法深冷处理方式可获得更低的深冷处理温度、冷却效率更高、温度控制更加精确，且在深冷处理过程中可避免将工件直接放入液氮所带来的冲击作用，因而可以减少工件的开裂，同时可以避免人直接与液氮接触，安全性更高。
3、本发明采用的深冷箱，控制器通过控制液氮供给回路控制阀门，可调节液氮喷出口的液氮喷出量，从而控制深冷处理温度。深冷处理后组织的细化可提高材料的综合力学性能。
4、本发明利用丝杆驱动工作台，工作台可以快速移入深冷箱内，缩短了深冷处理与轧制处理工序之间的时间间隔，提高了工作效率，同时可避免人对电弧沉积层的直接接触，提高了安全系数。
5、本发明在电弧增材后采用深冷轧制变形，在轧制过程中可通过喷射口和温度传感器可使沉电弧积层始终保持低温，同时保持深冷变形温度的均匀性和一致性，进而确保增材构件力学性能的均匀性。
6、本发明工作台开有凹槽，基座加工有承载块，安装时凹槽与承载块相配合。在轧制过程中承载块将代替丝杆承受来自轧辊竖直向下的轧制力，防止丝杆受力变形，影响传动；同时将丝杆布局在装置侧面，也能起到减少丝杆载荷的作用。
7、本发明采用不锈钢环状软管作为液氮管道，可减少管内液氮于外界的热交换，进一步地，深冷箱体为三层结构，内外为不锈钢材质，在深冷箱体的内外夹层之间填充有发泡材料，可减少深冷箱与外界的热交换，提高深冷处理效率，减少液氮消耗量；设有液氮回收管道，与液氮储存罐相连，可在加工结束后回收多余液氮。
8、本发明采用铂电阻温度传感器，其可在低温下正常工作；在深冷箱内均匀排布多个铂电阻温度传感器，可获得深冷箱范围内温度场分布均匀性数据。
9、本发明在轧制过程中可实时监测轧制力大小，轧辊可根据压力传感器数据，通过其上方的液压缸直接调节轧制压下载荷值，实现实时可控的形变处理。
10、本发明结构设计合理，操作简单，适用性强，自动化程度高、成形精度高，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例之电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置的结构示意图。
图2是图1所示实施例的基座的结构示意图(包括工作台和深冷箱)。
图3是图1所示实施例的深冷箱的结构示意图。
图中，1—基板，2—工作台，2-1—凸耳，2-2—凹槽，3—丝杆，4—基座，4-1—安装孔，4-2—承载块，5—夹具，6—轧辊，7—压力传感器，8—液压缸，9—第一温度传感器，10—电弧沉积层，11—第一喷射头，12—运动机构，13—焊枪，14—送丝机构，15—第一电机，16—深冷箱，16-1—深冷箱盖，16-2—深冷箱体，16-3—不锈钢层，16-4—发泡材料层，17—第二温度传感器，18—控制器，19—第二喷射头，20—液氮喷射回路控制阀，21—液氮储存罐，22—端盖，23—第二电机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1为电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置的结构示意图，图1中，与控制器相连的实线为信号线；虚线为液压管道；点划线为各装置与运动机构间的机械结构。本实施例之电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置包括基座4、工作台2，工作台2设于基座4上，可在基座4上水平移动。
参照图2，工作台2一侧设有凸耳2-1，另一侧设有凹槽2-2，基座4的两端之间设有丝杆3，基座4的两端分别开有安装孔4-1，丝杆3通过两端的安装孔4-1安装于基座4上，丝杆3位于基座4的一侧，基座4的另一侧内侧设有与工作台2的凹槽2-2配合使用的承载块4-2，承受轧制过程中纵向力，凹槽2-2活动连接于承载块4-2上，凸耳2-1上开有螺纹孔，丝杆3穿过凸耳2-1的螺纹孔，丝杆3端部加工出齿轮轴，第二电机23通过端盖22与丝杆3连接，第二电机23通过驱动丝杆3转动，从而带动工作台2在基座4内水平移动。本实施例中，丝杆3的数量为两根。
工作台2上为基板1，基板1通过夹具5固定在工作台2上。在工作台2上方设有轧制变形模块、温度保持模块和电弧增材模块，温度保持模块设于轧制变形模块的一侧，电弧增材模块设于温度保持模块的一侧；轧制变形模块对电弧沉积层进行塑性变形。还设有运动机构12和控制器18，运动机构12与控制器18连接，电弧增材模块、温度保持模块和轧制变形模块均与运动机构12连接，运动机构12在控制器18的控制下，带动电弧增材模块、温度保持模块和轧制变形模块运动。轧制变形模块、温度保持模块均与控制器18连接。
电弧增材模块包括焊枪13和送丝机构14，焊枪13与焊接电源相连。
轧制变形模块包括轧辊6和连接在轧辊6上方的压力传感器7，压力传感器7上方设有液压缸8，通过液压缸8实现轧制压下变形，压力传感器7和液压缸8均与控制器18连接。
温度保持模块包括第一温度传感器9和第一喷射头11，第一温度传感器9与第一喷射头11均与水平面成一定倾斜角。第一温度传感器9与控制器18连接。
参照图3，基座4上还设有深冷处理模块，深冷处理模块与控制器18相连，深冷处理模块包括第一电机15、深冷箱16和液氮储存罐21，深冷箱16安装在基座4上，深冷箱16包括深冷箱体16-2和深冷箱盖16-1，深冷箱盖16-1设于深冷箱体16-2侧面，深冷箱盖16-1与第一电机15相连，第一电机15与控制器18相连，控制器18控制第一电机15打开和关闭深冷箱盖16-1；深冷箱体16-2为不锈钢材质，深冷箱体16-2为夹层结构，深冷箱体16-2的内外夹层之间填充有发泡材料16-4，可减少深冷箱16与外界的热交换，达到节省液氮使用量，提高深冷处理效率得目的。深冷箱体16-2通过液氮回收管道与液氮储存罐21相连。
深冷箱体16-2内设有第二温度传感器17、第二喷射头19。第一喷射头11、第二喷射头19均通过液氮输出管道与液氮储存罐21连接，液氮输出管道上设有液氮喷射回路控制阀20，液氮喷射回路控制阀20与控制器18相连，通过控制器18控制液氮喷射回路控制阀20，从而调节第一喷射头11、第二喷射头19的液氮喷出量。本实施例中，第二温度传感器17为铂电阻温度传感器，第二温度传感器17、第二喷射头19的数量均为三个，三个第二温度传感器17和三个第二喷射头19均匀分布在深冷箱体16-2内。液氮输出管道和液氮回收管道均采用不锈钢环状软管。
本发明深冷变形温度范围为-196℃～-140℃，深冷轧制变形力5kN～40kN。
本实施例之电弧增材与深冷轧制成形复合制造方法，基板选用2219铝合金轧制板，其尺寸为300mm×100mm×8mm，焊丝采用直径为1.2mm的ER2319铝合金焊丝，采用冷金属过渡工艺(CMT)实现电弧增材，具体包括以下步骤：
(1)采用碱性溶液对铝合金基板表面进行清洗，去除油污，对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗基板表面。
(2)将基板1与工作台2通过夹具5连接在一起。
(3)打开第二喷射头19，调节液氮喷射回路控制阀20使得深冷箱16内温度达到预定深冷温度，预定深冷温度为-196℃～-140℃，本实施中，深冷变形温度为-160℃。
(4)通过控制器18控制焊枪13移动和送丝机构14配合运动，实现电弧增材沉积，形成电弧沉积层10，其中电弧增材制造过程中的主要工艺参数包括焊接速度10mm/s，单道焊缝宽度10mm，送丝速度6m/min，焊枪13底部到工件距离15mm，电弧增材制造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25L/min。
(5)每完成一层或多层电弧沉积，通过丝杆3移动工作台2至深冷箱16内，对电弧沉积层10进行深冷处理，通过第二温度传感器17测定电弧沉积层10表面温度；当电弧沉积层10表面温度达到预定的深冷变形温度时，控制丝杆3将工作台2移出深冷箱16；轧制变形模块带动轧辊6对电弧沉积层10表面进行深冷轧制变形，深冷轧制变形力为20kN，第一温度传感器9实时监测电弧沉积层10温度，控制器18根据监测温度信号控制第一喷射头10，使电弧沉积层10始终保持深冷变形所需温度，深冷变形温度为-100℃。
(6)根据电弧沉积层10的沉积高度，将轧制压下载荷设置为0～45KN，轧辊6采用H13工具钢，轧制速度10mm/s，轧制结束后，将电弧沉积层10恢复至室温。
(7)继续进行下一层电弧增材沉积过程。
(8)重复步骤(4)到(7)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。
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，本发明将电弧增材过程与深冷轧制变形过程结合起来，通过精确控制深冷变形温度和轧制压下载荷，能有效破碎电弧增材过程中形成的粗大组织，细化晶粒，提升材料综合力学性能，在一个工序中同时实现电弧增材和冷轧变形，能显著提高复合制造过程的制造效率和制造质量。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：包括基座、工作台，工作台设于基座上，可在基座上水平移动，所述工作台上方设有轧制变形模块、温度保持模块和电弧增材模块，所述基座上还设有深冷处理模块。
2.如权利要求1所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：还设有运动机构和控制器，运动机构与控制器连接，所述电弧增材模块、温度保持模块和轧制变形模块均与运动机构连接；所述轧制变形模块、温度保持模块、深冷处理模块均与控制器连接。
3.如权利要求1或2所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述工作台一侧设有凸耳，另一侧设有凹槽，所述基座的两端之间设有丝杆，丝杆位于基座的一侧，基座的另一侧内侧设有与工作台的凹槽配合使用的承载块，凹槽活动连接于承载块上，所述丝杆穿过凸耳，第二电机与丝杆连接，第二电机通过驱动丝杆转动，从而带动工作台在基座内水平移动。
4.如权利要求2所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述温度保持模块包括第一温度传感器和第一喷射头，第一温度传感器与第一喷射头均与水平面成倾斜角；第一温度传感器与控制器连接。
5.如权利要求4所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述深冷处理模块包括深冷箱和液氮储存罐，深冷箱安装在基座上，所述深冷箱包括深冷箱体，深冷箱体通过液氮回收管道与液氮储存罐相连；所述深冷箱体内设有第二温度传感器、第二喷射头，所述第一喷射头、第二喷射头均通过液氮输出管道与液氮储存罐连接；所述深冷箱体为夹层结构，深冷箱体的内外夹层之间填充有发泡材料。
6.如权利要求5所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述深冷处理模块还包括第一电机，所述深冷箱还包括深冷箱盖，深冷箱盖设于深冷箱体侧面，深冷箱盖与第一电机相连，所述第一电机与控制器相连，控制器控制第一电机打开和关闭深冷箱盖。
7.如权利要求5所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述液氮输出管道上设有液氮喷射回路控制阀，液氮喷射回路控制阀与控制器相连，通过控制器控制液氮喷射回路控制阀，从而调节第一喷射头、第二喷射头的液氮喷出量。
8.如权利要求1或2所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述电弧增材模块包括焊枪和送丝机构，焊枪与焊接电源相连。
9.如权利要求2所述的电弧增材与深冷轧制成形复合制造装置，其特征在于：所述轧制变形模块包括轧辊和连接在轧辊上方的压力传感器，压力传感器上方设有液压缸，通过液压缸实现轧制压下变形，压力传感器和液压缸均与控制器连接。
10.一种电弧增材与深冷轧制成形复合制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采用碱性溶液对基板表面进行清洗，去除油污，对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗基板表面；
(2)将基板与工作台通过夹具连接在一起；
(3)打开第二喷射头，调节液氮喷射回路控制阀使得深冷箱内温度达到预定深冷温度；
(4)通过控制器控制焊枪移动和送丝机构配合运动，实现电弧增材沉积，形成电弧沉积层；
(5)每完成一层或多层电弧沉积，移动工作台至深冷箱内，对电弧沉积层进行深冷处理，通过第二温度传感器测定电弧沉积层表面温度；当电弧沉积层表面温度达到预定的深冷变形温度时，将工作台移出深冷箱；轧辊对电弧沉积层表面进行深冷轧制变形，第一温度传感器实时监测电弧沉积层温度，控制器根据监测温度信号控制第一喷射头，使电弧沉积层始终保持深冷变形所需温度；
(6)轧制结束后，将电弧沉积层恢复至室温；
(7)继续进行下一层电弧增材沉积过程；
(8)重复步骤(4)到(7)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。
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