CN114589381A - 层间超声冲击辅助高性能cmt电弧增材制造方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属结构件复合增材制造技术领域，具体涉及层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造方法和装置。本发明通过冷金属过渡电弧增材制造控制装置和谐波超声冲击控制装置的交替工作，实现电弧增材构件的成形过程中应力与组织的调控，强化效果更彻底。本发明通过在CMT电弧增材制造过程的层间结合界面进行谐波超声冲击处理，有效消除界面残余拉应力并产生均匀塑性变形，从而调控初生粗大柱状β晶的尺寸并改善构件机械性能的各向异性，以达到减小晶粒尺寸、消除冶金缺陷和一体化提升强度与塑性的效果。
Description
技术领域
本发明属于金属结构件复合增材制造技术领域，具体涉及层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造方法和装置。
背景技术
电弧增材制造技术是一种利用逐层熔覆原理，采用电弧为热源，通过丝材的添加，根据三维数字模型逐渐成形出金属零件的数字化制造技术。相较于粉末堆积的增材制造方法，它具有沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、成本低等显著优点，尤其适用于大型尺寸构件的一体化成形。而CMT(冷金属过渡)电弧增材制造技术，通过数字控制方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控，前、后两套送丝系统协同作用实现脉冲式焊丝输送，可大大降低焊接热的产生并减少热传导。
但是，CMT电弧增材成形过程中材料在经过多次复杂热循环后，造成内应力的累积和残余拉应力的增长，成形件容易产生变形塌边等缺陷；而冶金缺陷如未熔合、卷入性和析出性气孔、夹杂等，也极易在增材过程中产生；此外，从界观尺度上看，电弧增材方法会沿增材方向产生贯穿型粗大柱状晶，仅仅依靠表面处理无法使其满足服役要求，需要引入层间调控处理来抑制粗大柱状晶的生长。
而最初用于消除焊缝残余应力的超声冲击技术，也可以在金属表面诱导相对深厚的均匀塑性变形层，同时它还具备了强化效果均匀、强化表面粗糙度小、生产效率高、成本低等显著优点，尤其匹配电弧增材技术的快速大尺寸成形过程。因此，我们提出一种CMT电弧增材制造复合层间超声冲击的过程中干预方法以期遏制粗大柱状晶的生长并一体化强韧零部件，实现高质量生产。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造方法和装置，其结构设计合理，操作便捷，简单适用；可实现航空、航天、航海关键构件的一体强韧化生产。
1.为解决上述技术问题，提出一种层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造方法，通过在CMT电弧增材制造过程的层间结合界面进行超声冲击处理，并在成形完成之后对两侧壁进行整体铣削加工后进行超声冲击处理。以此消除界面残余拉应力并使构件成形面发生均匀塑性变形、细化界面处晶粒组织、实现柱状晶和等轴晶的周期性均匀分布，从而有效阻断粗大柱状β晶的生长、改善构件的各向异性、同步提高电弧增材构件的强韧性。主要包括以下步骤：
1)对基板表面进行打磨以消除氧化层并进行脱脂和乙醇清洗，然后将其固定到工作平台上，通电预热基板；
2)利用CMT电弧增材控制机械臂带动焊枪在冷金属过渡一元化程序控制下进行增材制造；当一层成形完之后停止送丝并息弧，待沉积层自然冷却。
3)当传感器检测到起点处的温度下降到200℃以后，谐波超声冲击控制机械臂带动超声冲击头对已成形表面进行大面积搭接的超声冲击强化处理。
4)重复步骤2)，3)，完成每一层的成形与强化，最后得到一体化成件；
5)对成形直壁两个侧面的波纹状凸起铣削加工处理后，利用谐波超声冲击系统对侧壁进行相同工艺参数的超声冲击处理以达到整体强化的效果。
2.为实现上述方法，本发明提出一种层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造装置，包括冷金属过渡电弧增材控制装置和谐波超声冲击控制装置两部分。
3.所述冷金属过渡电弧增材控制装置包括：焊枪、绝缘外壳、导丝管、丝材进给控制器、CMT电弧增材控制机械臂、丝材预热箱和进丝管道；所述CMT电弧增材控制机械臂能够灵活控制焊枪的三坐标移动如进给速度，填丝路径和层厚等；丝材通过进丝管道进入丝材预热箱并通过丝材进给控制器调整送丝速度，然后穿过导丝管与基板接触短路并起弧；所述丝材预热箱通过一组紧固铆钉连接到CMT电弧增材控制机械臂末端的旋转轴上，同时其上方通过气管卡套与进丝管道连接；所述丝材进给控制器通过螺纹连接至丝材预热箱的底部，并通过内置程序控制原料丝材的脉冲式进给；所述导丝管通过焊接方式紧固在丝材进给控制器的底部外壳上；所述焊枪顶部与导丝管的底部外壳也是通过焊接方式连接，所述绝缘外壳与焊枪为卡箍式可拆连接。CMT电弧增材制造过程关键工程参数如下：峰值电流为130A，焊枪的进给速度为0.2–0.5m/min,送丝速度为5-10m/min，平均电压为13V,采用99.99vol％的纯氩气作为保护气体保护沉积层，气体流速为20L/min。
4.所述谐波超声冲击控制装置包括：谐波振动控制器，谐波超声冲击控制机械臂，冲击枪外壳，紧固螺母，变幅杆，冲击座套和冲击头；所述冲击头为可更换结构，安装在冲击座套内部，能够上下活动；所述冲击座套通过螺纹紧固在变幅杆上，所述变幅杆呈倒锥形结构，起放大振幅的作用，并通过紧固螺母固定到冲击枪外壳上；所述冲击枪外壳通过焊接方式与谐波振动控制器的外壳底部紧固连接；所述谐波振动控制器能够调控输出电压和电流以实现不同波形、频率和振幅的超声冲击方式，并通过一组紧固铆钉连接到谐波超声冲击控制机械臂末端的旋转轴上；所述谐波超声冲击控制机械臂可精确控制超声冲击头实现大面积搭接的进给策略。其关键工程参数如下：工作频率为10-90kHz，额定功率为1000W，最大输出振幅为50μm，进给速度与焊枪的进给速度一致在0.2-0.5m/min范围内，冲击头可更换，直径范围为2-5mm，外力载荷可通过谐波超声冲击控制机械臂施加，最大值为75kN。
5.所述超声冲击强化处理的搭接率为50％以达到均匀强化的效果；同时采用超声冲击路径与填丝路径垂直的进给策略，以期达到更加致密的强化效果。
本发明能够有效破坏电弧增材制造过程中沿增材方向生长的柱状晶生长，形成柱状晶和等轴晶交替的微观结构分布，从而降低电弧增材构件力学性能的各向异性，提升其强度与韧性。此外，作用于结合界面上的超声冲击波能够消除表面层的孔洞和微裂纹等微观冶金缺陷，从而提高成形件的致密度；同时平整化结合界面，降低结合界面的粗糙度，提升界面结合强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的整体装置结构示意图；
图2为工作区域局部放大示意图；
图3为本发明的层间超声冲击进给策略示意图；
图4为本发明的粗大柱状晶调控效果机理示意图；
图5为本发明的实际粗大柱状晶调控效果微观结构对比图。
附图标注：1、焊枪，2、绝缘外壳，3、导丝管，4、丝材进给控制器，5、CMT电弧增材控制机械臂，6、紧固铆钉，7、丝材预热箱，8、进丝管道，9、气管卡套，10、谐波振动控制器，11、谐波超声冲击控制机械臂，12、冲击枪外壳，13、紧固螺母，14、变幅杆，15、冲击座套，16、冲击头，17、成形零部件，18、基板，19、工作台。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明通过在CMT电弧增材制造过程的层间结合界面进行超声冲击处理，以此消除界面残余拉应力并使构件成形面发生均匀塑性变形，同时细化界面处晶粒组织、实现柱状晶和等轴晶的周期性均匀分布，从而有效阻断粗大柱状β晶的生长、改善构件的各向异性、同步提高电弧增材构件的强韧性。
如图1所示为本发明的整体装置结构示意图，图2为工作区域局部放大示意图，主要包括冷金属过渡电弧增材控制装置和谐波超声冲击控制装置两部分。所述冷金属过渡电弧增材控制装置能够灵活控制焊枪1的三坐标移动如进给速度，填丝路径和层厚等并实现脉冲式焊丝输送的低热输入CMT电弧增材制造。所述谐波超声冲击控制装置可精确控制超声冲击头16的大面积搭接强化进给路径和搭接率，同时通过调控谐波振动控制器10的输出电压和电流能够实现不同波形，频率和振幅的超声冲击方式，针对不同材料可实现不同参数的快速切换。其中，在成形钛合金等高熔点、易氧化金属材料时，随行氩气无法满足保护要求，需安装简易式惰性气体保护室。其中，谐波超声冲击控制装置在加工时需外接一台波形发生器箱，为现有技术，用于产生较高负载和超声频冲击信号。
如图3所示为本发明的层间超声冲击进给策略意图，所述超声冲击强化处理的搭接率为50％以达到均匀强化的效果；同时确保超声冲击路径与填丝路径垂直，以期达到更加致密的强化效果。为避免两侧面的冲击强化层在进一步提升精度的减材加工后被去除，我们在对侧壁进行铣削平整加工后再进行一体化的超声冲击强化处理以期达到一体化强韧的效果。
如图4为本发明的粗大柱状晶调控效果机理示意图，表面超声冲击可以有效细化顶层晶粒，而高搭接率层间超声冲击可以较好的调节结合界面状态并阻断增材方向粗大柱状晶的生长，从而有效改善了增材件的各向异性。
图5为本发明的实际粗大柱状晶调控效果微观结构对比图。通过对比可以看到，在单道表面超声冲击可以有效细化顶层晶粒，而高搭接率层间超声冲击可以较好的调节结合界面状态并阻断增材方向粗大柱状晶的生长，从而有效改善了增材件的各向异性。
利用上述装置的一种层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造的方法，冷金属过渡电弧增材控制装置在完成一层材料的成形后，温度传感器对沉积层界面的温度实时监控，当其表面温度降至200℃时，谐波超声冲击控制装置对该层材料进行大面积搭接的超声冲击强化，重复上述步骤，直至工件的完整成形。
下面举例说明：实施例具体包括以下步骤：
采用熔化极气体保护焊的CMT电弧增材制造方法，所用焊丝为6063铝合金电弧增材丝，其直径为1.2mm；基板18为10mm厚的6063铝合金基板；
步骤S1：对6063铝合金基板表面进行打磨以消除氧化层并用乙醇进行脱脂和清洗，然后将其固定到工作平台19上，通电预热基板18；
步骤S2：自动送丝设备将6063铝合金电弧增材丝通过进丝管道8送入丝材预热箱7进行初步预热；
步骤S3：CMT电弧增材设备开启，焊枪1通电，设置其关键参数如下：峰值电流为130A，焊枪的进给速度为0.3m/min,送丝速度为7.2m/min，平均电压为13V，氩气作为保护气体，气体流速为20L/min,打印完一层后，停止送丝并关闭电源；
步骤S4：当CMT电弧增材设备在基板上完成一定层数的沉积成形后，温度传感器监控沉积层界面的温度降至200℃时，谐波超声冲击控制装置启动对该层界面材料进行大面积搭接的超声冲击强化：设置关键参数如下：工作频率为30kHz，额定功率为1000W，输出振幅为50μm，进给速度为0.3m/min，冲击头直径为3mm，外加载荷为25kN；
步骤S5：重复步骤S3和S4，直至工件的完整成形；
步骤S6：对成形6063铝合金直壁两个侧面的波纹状凸起铣削加工处理后，利用谐波超声冲击系统对侧壁进行超声冲击处理以达到整体强化的效果。
以上实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造装置，其特征在于，所述装置包括冷金属过渡电弧增材控制装置和谐波超声冲击控制装置两部分；
所述冷金属过渡电弧增材控制装置包括：焊枪、绝缘外壳、导丝管、丝材进给控制器、CMT电弧增材控制机械臂、丝材预热箱和进丝管道；所述CMT电弧增材控制机械臂能够灵活控制焊枪的三坐标移动；丝材通过进丝管道进入丝材预热箱并通过丝材进给控制器调整送丝速度，然后穿过导丝管与基板接触短路并起弧；所述丝材预热箱连接到CMT电弧增材控制机械臂末端的旋转轴上，同时其上方通过气管卡套与进丝管道连接；所述丝材进给控制器连接至丝材预热箱的底部，并通过内置程序控制原料丝材的脉冲式进给；所述导丝管通过焊接方式紧固在丝材进给控制器的底部外壳上；所述焊枪顶部与导丝管的底部外壳也是通过焊接方式连接，所述绝缘外壳与焊枪为卡箍式可拆连接；
所述谐波超声冲击控制装置包括：谐波振动控制器，谐波超声冲击控制机械臂，冲击枪外壳，紧固螺母，变幅杆，冲击座套和冲击头；所述冲击头为可更换结构，安装在冲击座套内部，能够上下活动；所述冲击座套紧固在变幅杆上，所述变幅杆呈倒锥形结构，起放大振幅的作用，并固定到冲击枪外壳上；所述冲击枪外壳与谐波振动控制器的外壳底部紧固连接；所述谐波振动控制器能够调控输出电压和电流以实现不同波形、频率和振幅的超声冲击方式，并连接到谐波超声冲击控制机械臂末端的旋转轴上；所述谐波超声冲击控制机械臂可精确控制超声冲击头实现大面积搭接强化进给策略。
2.使用如权利要求1所述装置层间超声冲击辅助高性能CMT电弧增材制造的方法，其特征在于，通过在CMT电弧增材制造过程的层间结合界面进行超声冲击处理，并在成形完成之后对两侧壁进行整体铣削加工后进行超声冲击处理，以此消除界面残余拉应力并使构件成形面发生均匀塑性变形、细化界面处晶粒组织、实现柱状晶和等轴晶的周期性均匀分布，从而有效阻断粗大柱状β晶的生长、改善构件的各向异性、同步提高电弧增材构件的强韧性，具体步骤如下：
1)对基板表面进行打磨以消除氧化层并进行脱脂和乙醇清洗，然后将其固定到工作平台上，通电预热基板；
2)利用CMT电弧增材控制机械臂带动焊枪在冷金属过渡一元化程序控制下进行增材制造；当一层成形完之后停止送丝并息弧，待沉积层自然冷却；
3)当传感器检测到起点处的温度下降到200℃以后，谐波超声冲击控制机械臂带动超声冲击头对已成形表面进行大面积搭接的超声冲击强化处理；
4)重复步骤2)，3)，完成每一层的成形与强化，最后得到一体化成件；
5)对成形直壁两个侧面的波纹状凸起铣削加工处理后，利用谐波超声冲击系统采用与步骤3)相同的工程参数对侧壁进行超声冲击处理以达到整体强化的效果。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，CMT电弧增材制造的工程参数如下：峰值电流为130A，焊枪的进给速度为0.2–0.5m/min,送丝速度为5-10m/min，平均电压为13V,采用99.99vol％的纯氩气作为保护气体保护沉积层，气体流速为20L/min。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3)中，谐波超声冲击处理的工程参数如下：工作频率为10-90kHz，额定功率为1000W，最大输出振幅为50μm，进给速度与焊枪的进给速度一致在0.2-0.5m/min范围内，冲击头可更换，直径范围为2-5mm，外力载荷可通过谐波超声冲击控制机械臂施加，最大值为75kN。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，超声冲击强化处理的搭接率为50％以达到均匀强化的效果；同时采用超声冲击路径与填丝路径垂直的进给策略，以期达到更加致密的强化效果。
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