CN113953625B - 一种控制cmt电弧增材制造熔池流动的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法，包括：在沉积综合平台上固定设置铝合金基板，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板，所述红铜挡板之间为沉积路径。本发明主要通过模铸铜板约束沉积路径来影响增材过程中的熔池流动和材料成型，进而改变增材制造墙体的结构组织和机械性能。

Description

一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别涉及一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法。

背景技术

冷金属过渡电弧增材制造是一种高效率和低成本的新型增材制造技术，然而，相对较低的沉积精度和结构组织性能限制了该技术的发展。研究发现，焊丝位置是决定熔滴和熔池过渡效果的重要因素，对沉积墙体形状有很大影响。交替焊丝沉积方向有利于建造相对规则的沉积墙体，可以显著提高沉积墙体的均匀性和稳定性。实验发现，和自由冷却的沉积墙体相比，主动冷却的沉积墙体具有较低的表面粗糙度。当沉积新一层铝合金时，相邻一层铝合金会被重新熔化并且发生严重变形。部分沉积墙体在横向上存在重合区，沿沉积速度方向呈多层结构。

当前认为，气孔缺陷是铝合金电弧增材制造的主要问题。铝合金中的气孔主要是由氢引起的，并且气孔程度和含氢分子之间的相关性呈近似线性。对铝合金内部气孔形态和数量进行定量的统计分析，来了解沉积参数对其的影响。一般认为，层间锤击的沉积墙体具有高度细化的晶粒。观察发现，沉积墙体的中间区域主要由等轴晶体组成，沿生成方向具有均匀性。随着沉积层数的增加，柱状晶体增加，并且沿生成方向生长。电弧增材制造熔池中的洛伦兹力、温度梯度剪切应力、等离子体剪切应力和熔池表面热流分布和常规增材制造不同。因此，实时记录沉积电流、电压、材料热循环和高速电弧图像可用于理解熔池力学行为以及气孔形成机制。沉积墙体的结构组织受到调幅工艺的强烈影响。电弧增材制造沉积墙体的结构优化和组织均匀化可由后续成形过程完成。强化沉积墙体的结构组织和机械性能，是电弧增材制造需要克服的关键难点，利用CMT电弧增材模铸制造工艺，达到满足工业制造标准的增材结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法，通过模铸铜板约束沉积路径来影响增材过程中的熔池流动和材料成型，进而改变增材制造墙体的结构组织和机械性能。

本发明提供了一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置，在沉积综合平台上固定设置铝合金基板，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板，所述红铜挡板之间为沉积路径；所述红铜挡板连接有电磁加热器，沉积过程中对红铜挡板进行加热。

通过设定所述红铜挡板左右两侧间距，控制沉积路径的形状尺寸。

所述红铜挡板的高度和沉积墙体的高度保持一致；所述红铜挡板的厚度和熔池的高度保持一致。

进一步的，利用温度检测仪监测所述红铜挡板的温度。

进一步的，在每叠加一层铜板时，电磁加热器需要重新对铜板进行加热，并且左右两侧挡板的加热提前设定，使铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，以减小熔池和铜板的温度差。

所述装置上方设置风冷装置，沉积后对红铜挡板和沉积墙体进行降温处理。

进一步的，降温时间提前设定，使降温效果和降温效率得到提升。在沉积墙体的温度降到合理范围内时，再进行下一次沉积，以减小沉积墙体的热输入和热变形。

本发明还提供了一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的方法，包括：

(1)在沉积综合平台上进行CMT电弧增材模铸制造，将铝合金基板利用定位夹具固定在沉积综合平台上方，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板；增材过程采用铝硅合金焊丝，同时高纯氩气保护处理；CMT沉积过程分别在X方向和Z方向上进行，X方向为沉积速度方向，Z方向为层间堆积方向；

(2)采用机械臂辅助CMT焊枪沉积工艺，控制CMT焊枪的移动路径和移动速度；焊丝馈送系统调节焊丝进给速度，控制沉积速度；焊丝和铝合金基板初始距离固定，焊枪在移动过程中始终位于铝合金基板上方并且进给熔融焊丝；在铝合金基板和铜板的固定路径下，焊枪逐步逐层堆铝硅合金，最终形成沉积墙体。

本发明通过模铸铜板约束沉积路径，通过设定红铜挡板的两侧间距，控制沉积路径的形状尺寸。由于铝铜物理性质和化学性质差异明显，两者在接触后不会出现明显的材料属性变化，利用熔池与红铜挡板侧面直接接触，达到控制材料成型的效果。相比于常规电弧增材制造的沉积墙体，模铸铜板约束沉积路径的沉积墙体在沉积效率上和材料利用程度上有一定幅度的提高。除此之外，模铸铜板约束沉积路径的电弧增材制造不同于常规电弧增材制造，利用电磁加热器使红铜挡板温度升高，再利用温度检测仪来监测红铜挡板的温度，进而保持红铜挡板温度与熔池温度的差值保持在合理范围内。由于在沉积过程中减小了熔池与红铜挡板的温度差，模铸铜板约束沉积路径的沉积墙体的熔池的散热速度小于常规电弧增材制造的沉积样品，这在一定程度上促进了熔池内部气孔的逸出，减少了沉积墙体内部的气孔规模，因此提高了沉积墙体的机械性能。

有益效果

与现有技术相比，本发明的具体改良效果体现在以下几方面：

(1)沉积效率高：沉积墙体可以依据铜板的位置沉积出特定的尺寸规格，在不影响沉积墙体的质量的前提下，这大幅提高了沉积墙体的沉积效率。

(2)材料利用程度高：沉积墙体完成后一般不需要进行表面切削处理，或者进行轻微的表面磨削处理，这大幅提高了材料的利用程度。

(3)气孔缺陷较低：和常规电弧增材制造的沉积墙体相比，本发明技术所使用的模铸铜板约束沉积路径的电弧增材制造的沉积墙体，其内部的气孔大小和气孔分布得到降低。

(4)机械性能较强：和常规电弧增材制造的沉积墙体相比，本发明技术所使用的模铸铜板约束沉积路径的电弧增材制造的沉积墙体，其平均极限拉伸强度和屈服强度得到升高。

(5)和通过夹持部件控制熔池流动相比，本发明通过铜板约束不仅可以约束熔池凝固成型，增加沉积效率和材料利用程度，还可以通过调节铜板温度，改变熔池的流动行为和组织特性，包括降低熔池凝固后的气孔率，提高熔池凝固后的致密性，以及提高电弧增材整体的机械性能。

附图说明

图1为本发明制造装置示意图；

图2为本发明沉积墙体示意图；

图3为本发明制造系统示意图；

图4为本发明制造流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置，在沉积综合平台上固定设置铝合金基板，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板，所述红铜挡板之间为沉积路径；所述红铜挡板连接有电磁加热器，沉积过程中对红铜挡板进行加热。利用温度检测仪监测所述红铜挡板的温度。所述装置上方设置风冷装置，沉积后对红铜挡板和沉积墙体进行降温处理。

如图4所示，本实施例还提供了一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的方法，包括：

增加熔池在纵向上的单层堆积高度，提高沉积墙体的高度；减少熔池在横向上的扩展宽度，提高沉积墙体的材料利用程度；减小熔池和周围环境的温度差，熔池有了更好的润湿性，熔池内部孔隙逸出速率更快，沉积墙体气孔率更低；改变熔池流动的单一性，熔池有了更好的均匀性，熔池致密性更高，沉积墙体机械性能得到提高。

实施例2

根据实施例1的方法，沉积前采用拆叠夹具对铜板进行移动叠加，使铜板的高度和熔池的高度保持一致。沉积过程中采用电磁加热器对铜板进行加热，使铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，以减小熔池和铜板的温度差。沉积后采用冷风对沉积墙体进行冷却处理，以减小沉积墙体的热输入和热变形。在其他实验条件相同情况下，以没有铜板约束的沉积墙体作为对照组。沉积完成后，观测CMT沉积墙体的正面和侧面的结构尺寸，比较其层宽和层厚。

对于没有路径约束的沉积墙体，在沉积墙体的1到6层，由于沉积过程中熔池温度分布不均，熔池在中间密度小两侧密度大，使得熔池向中间发生动态流动，但又由于熔池两侧接触的是对流空气，使得熔池向两侧发生动态流动。因为熔池向两侧流动速度大和向中间流动速度，导致后一层熔池两侧累加在前一层沉积墙体两侧的外部，进而导致沉积墙体在层间堆积方向上的层宽变化趋势逐层变宽，样品第1层层宽5.42±0.02mm，样品第6层层宽7.12±0.02mm。与层宽相对应，样品第1层层厚2.27±0.02mm，样品第6层层厚1.77±0.02mm。在沉积墙体的7到28层，由于熔池向中间发生动态流动和向两侧发生动态流动趋势达到动态平衡，导致后一层熔池两侧累加在前一层沉积墙体两侧的内部，进而导致沉积墙体在层间堆积方向上的层宽变化趋势为基本不变，样品第7层层宽7.08±0.02mm，样品第28层层宽7.02±0.02mm。与层宽相对应，样品第7层层厚1.78±0.02mm，样品第28层层厚1.77±0.02mm。

对于铜板约束路径的沉积墙体，在沉积墙体的1到22层，即使沉积过程中熔池向两侧流动速度大和向中间流动速度，但由于存在路径约束，使得熔池向两侧发生动态流动的趋势得以限制，并且向中间发生动态回流，进而使得熔池集中在设定的空间区域内，沉积墙体在层间堆积方向上的层宽变化趋势为底层和中层以及上层基本维持一致。和层宽相对应，由于每层沉积墙体的体积基本不变，样品第1层层宽4.40±0.02mm，样品第22层层宽5.49±0.02mm。与层宽相对应，样品第1层层厚2.84±0.02mm，样品第22层层厚2.26±0.02mm。

实施例3

根据实施例1的方法，沉积前采用拆叠夹具对铜板进行移动叠加，使铜板的高度和熔池的高度保持一致。沉积过程中采用电磁加热器对铜板进行加热，使铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，以减小熔池和铜板的温度差。沉积后采用冷风对沉积墙体进行冷却处理，以减小沉积墙体的热输入和热变形。在其他实验条件相同情况下，以没有铜板约束的沉积墙体作为对照组。沉积完成后，观测CMT沉积墙体的正面和侧面的结构尺寸，比较其侧面平整度和顶面波动度。

对于没有路径约束的沉积墙体，沉积墙体在沉积速度方向上的距离为142.5mm，由于层间固相和液相的交替接触，使得沉积墙体侧面在远离接触线的区域相对平整，在接近接触线的区域发生凸起和凹陷，因此沉积墙体的侧面平整度较差，为19％，沉积墙体在层间堆积方向上的侧面平整度分布规律为离散分布。由于沉积墙体在沉积过程中为两端循环起弧，因此沉积墙体的顶面波动度为两端较低，中间区域无规律轻微波动，沉积墙体在沉积速度方向上的顶面波动度分布为弧线分布。

对于铜板约束路径的沉积墙体，沉积墙体在沉积速度方向上的距离为142.5mm，即使层间固相和液相的交替接触，但由于存在路径约束，使得沉积墙体在接触线周边区域的凸起和凹陷得以抑制，因此沉积墙体的侧面平整度较好，为5％，沉积墙体在沉积速度方向上的侧面平整度分布规律为均匀分布。由于沉积墙体在两端和空气的接触面积较大，沉积墙体的热扩散较快，沉积墙体在中间和空气的接触面积较小，沉积墙体的热扩散较慢，因此沉积墙体的顶面波动度为两端较低中间较高，沉积墙体在层间堆积方向上的顶面波动度分布为弧线分布。

实施例4

根据实施例1的方法，沉积前采用拆叠夹具对铜板进行移动叠加，使铜板的高度和熔池的高度保持一致。沉积过程中采用电磁加热器对铜板进行加热，使铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，以减小熔池和铜板的温度差。沉积后采用冷风对沉积墙体进行冷却处理，以减小沉积墙体的热输入和热变形。在其他实验条件相同情况下，以没有铜板约束的沉积墙体作为对照组。沉积完成后，观测CMT沉积墙体的正面和侧面的结构尺寸，比较其气孔大小和气孔分布。

对于没有路径约束的沉积墙体，沉积墙体在截面上的气孔尺寸和气孔分布较多，由于在沉积墙体沉积过程中，熔池除了底部和上一层沉积焊缝接触，其他部位直接和空气发生自然接触，这导致熔池和空气直接发生对流，熔池平均降温速度相对较快，熔池内部气体在熔池凝固前不能快速逃逸出沉积墙体，进而导致沉积墙体在内部存在较多的氢气孔，这严重影响沉积墙体的机械性能。

对于铜板约束路径的沉积墙体，沉积墙体在截面上的气孔尺寸和气孔分布较少，由于在沉积墙体沉积过程中，熔池除了底部和上一层沉积焊缝接触，顶部直接和空气发生自然接触，其他部位和两侧铜板直接发生接触，这导致熔池和空气直接发生对流的区域大幅减小，并且熔池部分区域和两侧铜板直接发生接触，两侧铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，熔池和铜板的温度差得到减小，熔池平均降温速度相对较慢，这促进熔池内部气体在熔池凝固前快速逃逸出沉积墙体，进而导致沉积墙体内部的氢气孔得到一定程度的降低，这在一定程度上提高了沉积墙体的机械性能。

实施例5

根据实施例1的方法，沉积前采用拆叠夹具对铜板进行移动叠加，使铜板的高度和熔池的高度保持一致。沉积过程中采用电磁加热器对铜板进行加热，使铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，以减小熔池和铜板的温度差。沉积后采用冷风对沉积墙体进行冷却处理，以减小沉积墙体的热输入和热变形。在其他实验条件相同情况下，以没有铜板约束的沉积墙体作为对照组。沉积完成后，观测CMT沉积墙体的正面和侧面的结构尺寸，比较其平均极限拉伸强度。

对于没有路径约束的沉积墙体，沉积墙体在横向截面上的平均极限拉伸强度和屈服强度分别为169±15MPa和133±13MPa，沉积墙体在纵向截面上的平均极限拉伸强度和屈服强度分别为153±15MPa和118±13MPa。因此，没有路径约束的沉积墙体的拉伸强度，在横向上比纵向上稍高。

对于铜板约束路径的沉积墙体，沉积墙体在横向截面上的平均极限拉伸强度和屈服强度分别为223±15MPa和178±13MPa，沉积墙体在纵向截面上的平均极限拉伸强度和屈服强度分别为179±15MPa和138±13MPa。因此，路径约束的沉积墙体的拉伸强度，在横向上和纵向上有一定程度的提高。

Claims (5)

1.一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置，其特征在于：在沉积综合平台上固定设置铝合金基板，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板，所述红铜挡板之间为沉积路径；所述红铜挡板连接有电磁加热器，沉积过程中对红铜挡板进行加热；所述红铜挡板的高度和沉积墙体的高度保持一致；所述红铜挡板的厚度和熔池的高度保持一致。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过设定所述红铜挡板左右两侧间距，控制沉积路径的形状尺寸。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：利用温度检测仪监测所述红铜挡板的温度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置上方设置风冷装置，沉积后对红铜挡板和沉积墙体进行降温处理。

5.一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的方法，包括：

步骤一、在沉积综合平台上进行CMT电弧增材模铸制造，将铝合金基板利用定位夹具固定在沉积综合平台上方，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板；所述红铜挡板的高度和沉积墙体的高度保持一致；所述红铜挡板的厚度和熔池的高度保持一致；增材过程采用铝硅合金焊丝，同时高纯氩气保护处理；CMT沉积过程分别在X方向和Z方向上进行，X方向为沉积速度方向，Z方向为层间堆积方向；

步骤二、采用机械臂辅助CMT焊枪沉积工艺，控制CMT焊枪的移动路径和移动速度；焊丝馈送系统调节焊丝进给速度，控制沉积速度；焊丝和铝合金基板初始距离固定，焊枪在移动过程中始终位于铝合金基板上方并且进给熔融焊丝；在铝合金基板和铜板的固定路径下，焊枪逐步逐层堆铝硅合金，最终形成沉积墙体。

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