CN114985778A - 一种层状异构钢及其电弧增材制造系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种层状异构钢及其电弧增材制造系统和方法。为解决对复杂结构件实现异构设计及成分、组织调控的问题，本发明在全层渗透热控制下，实现层状异构材料构件的电弧增材制造，因其沉积效率高、致密度高、工艺简单、成本低廉、分层成型等优点，可作为构建层状异质钢的首选制备工艺。利用电弧增材制造的成型特点可实现复杂构件的分层设计；利用电弧增材制造特有的全层渗透热控制控制可调控不同层的微观组织‑结构，提升构件的强‑韧综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种层状异构钢及其电弧增材制造系统和方法。
背景技术
基于材料“素化”思想的材料综合性能调控，对自然界中的多层级结构进行仿生设计，实现层状异构钢的构建不失为一种优异的选择。以界面主导力学性能的层状异构材料中的邻近层在成分、厚度、晶粒尺寸、晶体结构、晶体取向等方面均可实现精细调控，对于微组织-结构优化具有巨大的空间。与传统钢相比，层状异构钢可将不同组元材料的优势协同发挥，实现优异的强-塑性匹配，同时软/硬层片界面能够阻止裂纹的扩展过程，很大程度上增强材料的抗冲击性能和抗疲劳性能。
对于层状异构的制备工艺主要有以下三种：累积叠轧+退火处理工艺、高压扭转变形+轧制+退火处理工艺、扩散焊+轧制+退火处理工艺。这些制备工艺都进行了多步冷热加工，不同加工工艺间匹配十分重要，操作较为复杂，加工成本较高；而且无法对复杂结构件实现异构设计及成分、组织调控。
增材制造(AM)技术，又被称为3D打印，基于离散-堆积原理，融合了计算机辅助设计、自动化控制、材料科学等多学科，基于“自下而上”的思想，由零件三维数据驱动材料逐层累加的制造方法，颠覆了传统制造的模式，让传统制造工艺无法或难以制造的复杂结构构件的精密制造成为现实。电弧增材制造因其沉积效率高、致密度高、工艺简单、成本低廉、分层成型等优点，可作为构建层状异质钢的首选制备工艺。
电弧增材制造因此循环的热输入及大量的热累积，这些本质因素对于沉积件的微观组织-结构的演变有着决定性的作用。利用电弧增材制造的成型特点可实现复杂构件的分层设计；利用电弧增材制造特有的全层渗透热控制控制可调控不同层的微观组织-结构。这方面的工艺探索及结构设计具有较大的挑战，目前通过电弧增材制造制备层状异构钢的报道研究均处于初期探索阶段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：将不同金属材料按成分-结构设计原则进行分层沉积，基于增材制造过程中全层渗透热控制原位调控部件的组织-结构-性能，快速灵活构建强韧性匹配的多维多尺度三维层状复合钢构件。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种层状异构钢的电弧增材制造系统，包括数字化控制系统、焊接机器人、弧焊电源、变位机、焊枪和基板，所述数字化控制系统的第一输出端与弧焊电源的第一输入端连接，所述弧焊电源的阳极与焊接机器人的第一输入端连接，后经焊枪、层状异构材料构件、基板、变位机返回弧焊电源的阴极，所述焊枪设置在焊接机器人的机械臂末端，所述基板放置在变位机的工作台上，所述层状异构材料构件放置在基板上；
所述数字化控制系统的第二输出端与焊接机器人的第二输入端连接，所述数字化控制系统的第三输出端与变位机的输入端连接。
进一步，所述系统还包括夹具，所述夹具设置在变位机的工作台上，用于固定基板位置。
进一步，所述系统还包括热电偶测温系统、计算机，所述热电偶测温系统用于测量基板和层状异构材料构件的温度，所述热电偶测温系统与计算机控制系统的输入端连接，将热信号传输至计算机控制系统，所述计算机的输出端与数字化控制系统的输入端连接。
一种层状异构钢电弧增材制造的方法，包括以下步骤：
步骤1，构件三维建模：通过三维绘图软件对构件模型进行建模，在计算机内将三维模型转换为STL格式数据模型；
步骤2，分层切片：对构建好的三维模型进行切片，切片方向按照模型定义的Z方向进行，根据零件模型特征、成型精度、增材制造金属熔覆厚度确定切片层高，在计算机中，沿Z方向对构件STL格式数据模型中的三角形面片按照搜索规则对预置层高和交截三角面片计算轮廓交点，并依次连接轮廓交点按定义的Z方向形成每层切片轮廓；
步骤3，路径规划：对已分层的切片层进行沉积路径的填充，构件外壁采用轮廓路径进行沉积填充，构件内层采用中轴变换路径进行异种合金钢填充；
步骤4，工艺参数设定：根据拟定的沉积材料，结合前期研究，选择一组成型较好成型组织致密的工艺参数作为初始工艺参数；
步骤5，数据处理：将以上切片方向、层高，沉积路径以及沉积工艺参数编译成机器人语言程序并传输给数字化控制系统及弧焊电源；
步骤6，基准点校准：根据拟定的切片方向、层高、沉积路径以及沉积工艺参数，在变位机的工作台上使用夹具固定基板，焊接机器人与变位机进行沉积起始点的校准；
步骤7，运行载入程序：按照步骤5的机器人语言程序顺序依次指令，驱动焊接机器人和变位机进行路径沉积，并通过热电偶实时监控制造过程中的热输入；
步骤8，层间间歇及检查：在每层沉积完毕后，焊接机器人、变位机停止运转及弧焊电源关闭并执行待机操作，若下一层材料更改，需执行换丝操作；
步骤9，测温控制反馈：在每层材料沉积完毕后，将热电偶测温系统测量的热信号传输给计算机，对沉积路径的工艺参数进行热控制优化、修正；
步骤10，重复执行步骤3-9，直至完成整个层状异构钢的增材制造。
进一步，所述步骤4中沉积工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速率、层间冷却时间。
一种层状异构钢，其基体包括同质或异质金属及合金，由金属-金属逐层堆积而成，其成分分布、组织结构、层级组合及宏观外形，根据用户需求进行设计并结合电弧增材制造的全层渗透热控制，实现组织-结构的原位调控。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)本发明所提供的制造方法工艺操控性好、综合制造成本低，适应多材料的层状异构材料构件的快速制造和智能制造需求。
(2)本发明只需通过一次加工，便可制造出多材料体系的层状异构材料构件，不同层的材料成分、间距、层错结构等均可根据用户定义调控。通过实时热信号反馈，在计算机中基于全层渗透热控制策略调控的工艺参数可实现材料微观组织-结构的原位调控，及强-韧综合力学性能的提升。
(3)本发明所提供的层状异构材料不需要过多的后热处理和机加工处理，适应于大型复杂结构金属构件的柔性化、智能化制造，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所提供的一种层状异构钢的电弧增材制造系统的结构示意图；
图2是本发明层状异构钢的制造方法流程图；
图3是本发明实施例所提供的异种金属层状复合材料的结构示意图；
其中，1-数字化控制系统，2-焊接机器人，3-弧焊电源，4-计算机，5-焊枪，6-变位机，7-热电偶测温系统，8-基板，9-层状异构材料构件，10-夹具，A为局部区域放大图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种层状异构钢的电弧增材制造系统，包括数字化控制系统1、焊接机器人2、弧焊电源3、计算机4、焊枪5、变位机6、热电偶测温系统7、基板8、夹具10；
所述数字化控制系统1的第一输出端与弧焊电源3的第一输入端连接，所述弧焊电源3的阳极与焊接机器人2的第一输入端连接，后经焊枪5、层状异构材料构件9、基板8、变位机6返回弧焊电源3的阴极，所述焊枪5设置在焊接机器人2的机械臂末端，所述基板8放置在变位机6的工作台上，所述层状异构材料构件9放置在基板8上。
所述数字化控制系统1的第二输出端与焊接机器人2的第二输入端连接，所述数字化控制系统1的第三输出端与变位机6的输入端连接。
所述热电偶测温系统7用于测量基板8和层状异构材料构件9的温度，所述热电偶测温系统7与计算机4控制系统的输入端连接，将热信号传输至计算机4控制系统，所述计算机4的输出端与数字化控制系统1的输入端连接。
本实施例的焊接机器人2为六自由度机器人，变位机6为二自由度变位机。
如图2所示，一种层状异构钢电弧增材制造的方法，包括以下步骤：
步骤1，将设计好的金属基层状复合材料构件的三维模型输入计算机4，将三维模型转换为STL格式数据模型；
步骤2，对构建好的三维模型进行切片，切片方向按照模型定义的Z方向进行，根据零件模型特征、成型精度、增材制造金属熔覆厚度确定切片层高。该模型几何模型简单。在计算机4中，沿Z方向对构件STL格式数据模型中的三角形面片按照搜索规则对预制的等厚层高和交截三角面片计算轮廓交点，并依次连接轮廓交点按定义的Z方向形成每层切片轮廓；
步骤3，将分层轮廓曲线导入路径规划模块，对已分层的切片层进行沉积路径的填充，采用复合路径(轮廓偏置路径+扫描填充路径)进行轮廓填充，外层轮廓偏置路径采用奥氏体不锈钢进行填充，沉积路径2～3层，厚度4～6mm；内部扫描路径采用奥氏体不锈钢+低碳低合金钢间隔排列填充；
步骤4，设定工艺参数，奥氏体不锈钢焊丝采用160A～180A焊接电流、19V～20V焊接电压、2～4mm/s焊接速度、层间冷却时间为210s进行沉积；低碳低合金钢焊丝采用110A～130A焊接电流、18V～19V焊接电压、2～4mm/s焊接速度、层间冷却时间为150s进行沉积；
步骤5，将上述切片方向、层高、沉积路径以及工艺参数编译成机器人语言程序并传输给数字化控制系统1及弧焊电源3；
步骤6，基准点校准：根据拟定的切片方向、切片厚度、沉积路径以及沉积工艺参数，在变位机6的工作台上使用夹具10固定基板8，焊接机器人2与变位机6进行沉积起始点的校准；
步骤7，运行载入程序：按照步骤5的机器人语言程序顺序依次指令，驱动焊接机器人2和变位机6进行路径沉积，并通过热电偶实时监控制造过程中的热输入；
步骤8，层间间歇及检查：在每层沉积完毕后，焊接机器人2、变位机6停止运转及弧焊电源3关闭并执行待机操作，若下一层材料更改，需执行换丝操作；
步骤9，测温控制反馈：在每层材料沉积完毕后，将热电偶测温系统7测量的热信号传输给计算机4，对沉积路径进行热控制优化、修正；
步骤10，重复执行步骤3-9，直至完成整个层状异构钢的增材制造。
具体地，数字化控制系统1控制焊接机器人2运动，同时控制弧焊电源3的启动、停止及相关参数的调节；制造过程中，根据数字化控制系统1的指令与热电偶测温系统7的在线监控下，基于多层热扩散控制策略，弧焊电源3实时调整电弧参数并选择性地输送金属丝材，在电弧的作用下金属丝材熔化形成沉积层金属基体；
最后，各系统配合在基板8上逐层沉积得到三维金属基层状异构材料构件9(如图3所示)。
为了控制电弧增材制造过程中的热输入对沉积构件的组织-结构-性能的影响，基板8和三维金属基层状异构材料构件9的温度由热电偶测温系统7实时监控，并将测量信号反馈给计算机4。基于多层热扩散控制策略，优化待沉积层沉积路径的加工工艺参数：对于奥氏体不锈钢的沉积层，避免层间温度高于450℃，增加层间冷却时间，以防止后续沉积层在450～750℃间冷却速度过慢；对于低碳低合金钢的沉积层，增加层间冷却时间并适当增加焊接电流、电压，保证层间温度低于200℃，并保证较多的热输入峰值温度高于铁素体-奥氏体相线，促进再结晶晶粒细化，增加层间冷却时间和焊接电流、电压，以防止后续沉积层在450～750℃间冷却速度过慢；
层状异构材料构件9的组织-结构原位调控，无需后热处理的繁杂工艺。所获得的成型件的屈服强度可超过550MPa，抗拉强度可达到1000MPa，断后伸长率也达到了40％左右；一定程度上在不降低塑性的情况下提升了整体强度，实现了材料的强韧性匹配。
Claims (6)
1.一种层状异构钢的电弧增材制造系统，包括数字化控制系统、焊接机器人、弧焊电源、变位机、焊枪和基板，其特征在于：
所述数字化控制系统的第一输出端与弧焊电源的第一输入端连接，所述弧焊电源的阳极与焊接机器人的第一输入端连接，后经焊枪、层状异构材料构件、基板、变位机返回弧焊电源的阴极，所述焊枪设置在焊接机器人的机械臂末端，所述基板放置在变位机的工作台上，所述层状异构材料构件放置在基板上；
所述数字化控制系统的第二输出端与焊接机器人的第二输入端连接，所述数字化控制系统的第三输出端与变位机的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种层状异构钢的电弧增材制造系统，其特征在于：所述系统还包括夹具，所述夹具设置在变位机的工作台上，用于固定基板位置。
3.根据权利要求2所述的一种层状异构钢的电弧增材制造系统，其特征在于：所述系统还包括热电偶测温系统、计算机，所述热电偶测温系统用于测量基板和层状异构材料构件的温度，所述热电偶测温系统与计算机控制系统的输入端连接，将热信号传输至计算机控制系统，所述计算机的输出端与数字化控制系统的输入端连接。
4.一种层状异构钢电弧增材制造的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，构件三维建模：通过三维绘图软件对构件模型进行建模，在计算机内将三维模型转换为STL格式数据模型；
步骤2，分层切片：对构建好的三维模型进行切片，切片方向按照模型定义的Z方向进行，根据零件模型特征、成型精度、增材制造金属熔覆厚度确定切片层高，在计算机中，沿Z方向对构件STL格式数据模型中的三角形面片按照搜索规则对预置层高和交截三角面片计算轮廓交点，并依次连接轮廓交点按定义的Z方向形成每层切片轮廓；
步骤3，路径规划：对已分层的切片层进行沉积路径的填充，构件外壁采用轮廓路径进行沉积填充，构件内层采用中轴变换路径进行异种合金钢填充；
步骤4，工艺参数设定：根据拟定的材料，选择一组工艺参数作为初始工艺参数；
步骤5，数据处理：将以上切片方向、层高，沉积路径以及沉积工艺参数编译成机器人语言程序并传输给数字化控制系统及弧焊电源；
步骤6，基准点校准：根据拟定的切片方向、层高、沉积路径以及沉积工艺参数，在变位机的工作台上使用夹具固定基板，焊接机器人与变位机进行沉积起始点的校准；
步骤7，运行载入程序：按照步骤5的机器人语言程序顺序依次指令，驱动焊接机器人和变位机进行路径沉积，并通过热电偶实时监控制造过程中的热输入；
步骤8，层间间歇及检查：在每层沉积完毕后，焊接机器人、变位机停止运转及弧焊电源关闭并执行待机操作，若下一层材料更改，需执行换丝操作；
步骤9，测温控制反馈：在每层材料沉积完毕后，将热电偶测温系统测量的热信号传输给计算机，基于全层渗透热控制策略，对沉积路径进行热控制优化、修正；
步骤10，重复执行步骤3-9，直至完成整个层状异构钢的增材制造。
5.根据权利要求4所述的一种层状异构钢电弧增材制造的方法，其特征在于：所述步骤4中工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速率、层间冷却时间。
6.一种权利要求4或5所述方法得到的层状异构钢，其特征在于：所述层状异构钢的基体包括同质或异质金属及合金，由金属-金属逐层堆积而成，其成分分布、组织结构、层级组合及宏观外形，根据用户需求进行设计并结合电弧增材制造的全层渗透热控制，实现组织-结构的原位调控。
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