CN115283790B - 一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法。该方法中，电弧增材制造装置与超声振动装置之间柔性连接。面对具有不同制造特征的电弧增材制造过程，基于其变化的增材制造路径，在焊枪移动方向发生改变的节点自适应调整超声振动装置位姿；同时动态调整钨针的振动状态与振动位置，实现振动头的跟随熔池变相位振动，更好的利用超声振动的空化效应与振动效应，增大振动场对熔覆层的作用范围，此外通过气泡破碎引起液压冲击以改变流体的流动来抑制熔池不理想的流动模式，维持焊道的均匀形貌，实现电弧增材制造零件的保形增性，适用于大型复杂零件的制造成形。

Description

一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法

技术领域

本发明涉及定向能量沉积技术领域，特别涉及一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法。

背景技术

电弧增材制造作为一种绿色制造技术，因其无需加工模具、直接成形、绿色可持续的优点被国内外学者广泛关注。与传统减材制造相比，电弧增材制造技术通过逐层堆叠沉积材料，借助计算机辅助设计直接成形任意形状三维零件，可提高材料利用率、节约制造成本并缩短制造周期，在金属零件的绿色、高效、可持续制造的发展方向具有独特优势。电弧增材制造技术以电弧为载热源，金属丝材为填充材料，具有沉积效率高、制造周期短、制造成本低、不受零件尺寸限制等优点，在大型和超大型零件快速制造领域具有较大的应用前景。但其仍存在一些不足，如复杂沉积件组织分布不均匀，熔池快速凝固时导致的气孔、裂纹、残余应力集中等问题，影响了零件的成形质量与机械性能，限制了电弧增材制造技术在金属制造与再制造领域的广泛应用。此外面向具有不同制造特征（曲面、凹槽、悬垂结构等）的复杂构件的电弧增材制造过程将不局限于水平基体上的沉积成形，倾斜基体上的沉积行为在重力、电弧力、洛伦兹力的诱导下容易导致不良的熔池行为、不对称的焊道形貌,甚至产生成形缺陷，影响产品的制造精度与质量。

鉴于此，相关学者尝试将焊丝搅拌、超声冲击等辅助技术引入电弧增材制造工艺，通过搅拌熔池减少电弧增材成形过程中的冶金缺陷以优化熔覆层成形质量。现有技术中存在一种振动送丝堆焊方法，利用焊枪的左右摆动与焊丝的往复振动相结合，在送丝的过程中伴随着焊丝的轴向振动，促进沉积过程中熔池的流动，有效的减少了沉积过程中气孔与热裂纹的产生。但振动的焊丝容易造成增材制造时电弧的振荡，影响制造过程的稳定性和成形质量。

因此，亟需开发一种面向不同制造特征的相位自适应超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法以实现面向不同制造特征零件的保形增性电弧增材制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法，将增材制造焊枪置于成型起点位置处，将超声振动针置于电弧增材制造过程中熔池的前方。面对具有不同制造特征的成形零件的制造过程，按照预定的增材制造路径进行电弧增材制造。在增材制造过程中，超声振动针跟随增材制造焊枪同步移动。当沉积过程处于稳定状态时，超声振动针插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出。

进一步，通过柔性连接装置将增材制造焊枪与超声振动针装备在同一执行轴的末端，并使超声振动针跟随增材制造焊枪同步移动。

所述柔性连接装置包括法兰盘转接板、焊枪法兰盘、转接支架、转动圆环、转动转接滑块和承载基板。

所述法兰盘转接板的两侧板面分别记为A侧和B侧。所述法兰盘转接板的A侧板面与执行轴末端固定连接。所述转动圆环通过转接支架支承在法兰盘转接板的B侧。所述转动圆环整体为环形圈体。所述转动圆环的外侧壁上设有沿周向设置的环形滑槽。所述转动转接滑块间隙配合在环形滑槽内且可沿环形滑槽旋转。所述承载基板设置在转动圆环的外侧，并与转动转接滑块连接。

所述增材制造焊枪通过焊枪法兰盘固定在法兰盘转接板的B侧。所述增材制造焊枪的焊枪头穿过转动圆环。所述超声振动针固定在承载基板上。

承载平台的倾斜角度与焊枪头的倾角保持一致，确保焊枪轴线与振动针轴线处于同一平面。这样在进行复杂零件的制造成形时，随着机器人各轴姿态的变化，焊枪以不同的位姿进行沉积成形时，两者轴线处于同一平面，更好的确保振动针跟随焊枪实时振动搅拌。

进一步，所述承载基板与转动转接滑块铰接。优选的承载基板与转动连接件之间铰链连接。在面对不同制造特征的零件成形时，振动针插入熔池的方向与角度会直接影响超声振动作用范围与效果，同时会影响焊道的成形形貌与精度。这样，可以通过铰接结构调整振动针的插入角度，调节熔池在超声冲击作用下流体的流动方向，在尽量保持焊道形貌均匀的前提下更好的发挥超声振动的作用效果。

进一步，所述超声振动针包括滑台气缸和变幅器。

进一步，所述超声振动针的振动频率为20KHz，振幅为3-8μm。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：将电弧增材制造装置与超声振动装置柔性连接，可实时调节超声振动针与焊丝之间的相对位置与姿态，实现自适应调整振动针的相位，使得振动针插入熔池后既可以超声搅拌熔池，同时可以借助气泡破碎产生的液压冲击引起的流体流动抑制熔池的不理想流动行为，维持焊道形貌的均匀性。本发明将焊枪头与振动针集成在机器人末端，可实现超声振动搅拌跟随焊枪头姿态同步移动；并且在采用超声振动搅拌基础上增加了实时控制单元，可灵活调整振动针的插入熔池时间与姿态，避免沉积过程中因振动针搅拌引起的熔池不稳定与焊道几何形状偏移，在稳定熔池形貌的前提下促进晶粒细化与性能优化。而变相位转动结构可确保多层多道增材制造成形实验中超声振动装置的位姿自适应调整，实现超声振动针跟随熔池变化移动。为此，电弧增材制造过程中的超声振动针相位的自适应调整使得超声辅助电弧增材制造工艺可以面向具有不同几何特征的零件增材制造成形，在维持焊道均匀形貌的前提下优化其组织结构与力学性能。采用相位自适应超声熔池搅拌电弧增材制造对于复杂零件的制造成形与组织结构调控具有重要意义。

附图说明

图1为变相位超声辅助机器人电弧增材制造装置结构示意图；

图2为变相位超声辅助机器人电弧增材制造装置俯视图；

图3为本发明具体实施案例6工作示意图；

图4为本发明具体实施案例7工作示意图；

图5为本发明具体实施案例8工作示意图；

图6为本发明具体实施案例9工作示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

针对现有技术中超声振动作用位置固定、作用范围有限、无法维持熔池几何形貌均匀等问题，本实施例提供一种面向不同制造特征的相位自适应超声熔池搅拌保形增性电弧增材制造方法。将增材制造焊枪置于成型起点位置处，将超声振动针置于电弧增材制造过程中熔池的前方。按照预定的增材制造路径进行电弧增材制造。在增材制造过程中，超声振动针跟随增材制造焊枪同步移动。当沉积过程处于稳定状态时（熔池无明显飞溅，电弧状态稳定），人工通过气动管路实时控制滑台气缸的运动，使得超声振动针插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出。

本实施例提高了超声辅助搅拌熔池作用效果，实现电弧增材制造过程中不同工况下的超声辅助保形增性电弧增材。

实施例2：

参见图1和图2，本实施例主要内容同实施例1，其中，通过柔性连接装置将增材制造焊枪与超声振动针装备在同一执行轴的末端。

所述柔性连接装置包括法兰盘转接板6、焊枪法兰盘3、转接支架4、转动圆环7和转动转接滑块17和承载基板8。

所述法兰盘转接板6的两侧板面分别记为A侧和B侧。所述法兰盘转接板6的A侧板面与执行轴末端固定连接。所述转动圆环7通过转接支架4支承在法兰盘转接板6的B侧。所述转动圆环7整体为环形圈体。所述转动圆环7的外侧壁上设有沿周向设置的环形滑槽。所述转动转接滑块17间隙配合在环形滑槽内且可沿环形滑槽旋转。所述承载基板8设置在转动圆环7的外侧，并与转动转接滑块17连接。

所述增材制造焊枪通过焊枪法兰盘3固定在法兰盘转接板6的B侧。所述增材制造焊枪的焊枪头穿过转动圆环7。所述超声振动针固定在承载基板8上。

本实施例中，电弧增材制造装置与超声振动装置之间柔性连接。面对具有不同制造特征的电弧增材制造过程，基于其变化的增材制造路径，在焊枪移动方向发生改变的节点自适应调整超声振动装置位姿。同时动态调整钨针的振动状态与振动位置，实现振动头的跟随熔池变相位振动，更好的利用超声振动的空化效应与振动效应，增大振动场对熔覆层的作用范围，此外通过气泡破碎引起液压冲击以改变流体的流动来抑制熔池不理想的流动模式，维持焊道的均匀形貌，实现电弧增材制造零件的保形增性，适用于大型复杂零件的制造成形。

实施例3：

本实施例主要内容同实施例2，其中，所述承载基板8与转动转接滑块17铰接。

实施例4：

本实施例主要内容同实施例2，其中，所述超声振动针包括滑台气缸9、变幅器10、夹持装置11和振动针13。所述夹持装置11可轴向拆分为两块抱箍。所述夹持装置11套设在变幅器10外围。所述滑台气缸9包括工作台、导轨和气缸。所述导轨设置在气缸上，工作台可沿导轨在气缸上作直线运动。所述气缸包括活塞杆和活塞腔。所述活塞腔容纳活塞杆，活塞杆根据气压的压差可在活塞腔移动。所述活塞杆通过销钉和工作台连接。所述气缸固定在承载基板8上。所述夹持装置11与工作台连接。所述变幅器10的变幅杆末端布置有振动针13。所述振动针13的材质为钨或钨合金。

气源通过气动管路与活塞腔连通。气动管路上设置有电磁阀。当沉积过程处于稳定状态时（熔池无明显飞溅，电弧状态稳定），通过人工实时控制电磁阀进而控制工作台的运动，使得超声振动针插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出。

实施例5：

本实施例主要内容同实施例1，其中，所述超声振动针的振动频率为20KHz，振幅为3-8μm。

实施例6：

本实施例主要内容同实施例2，其中以叶轮叶片的增材制造成形为例，所述的过渡支架为铝合金材料，通过螺纹连接固定在法兰盘转接件上，分别将电弧增材制造装置与超声振动装置安装在机器人执行轴末端，所述的振动针的直径为2mm，长度为100mm，轴向振动频率达到20KHz，气缸采用MXS6-10型号，行程为10 mm，调整超声振动装置的安装姿态以调节振动针与焊枪头的相对位姿。图3a为起弧阶段，图3b为稳定阶段，图3c为变方向沉积阶段，图3d为熄弧阶段。电弧增材制造装置开始沉积时，参见图3a，电弧增材制造过程处于起弧阶段。采用①②③④展示电弧增材制造焊枪工作过程中的先后位置。由于起始熔池不稳定，引入超声搅拌容易导致熔池几何形状偏差，为此在该阶段不宜开展超声冲击辅助增材制造。当熔池移动一段距离后，电弧增材制造过程趋于稳定，熔池处于稳定状态后启动变幅器10，并通过滑台气缸9的伸缩将振动针插入熔池，对熔池进行轴向搅拌，促进晶粒的细化和气孔的溢出。在多道多层复杂零件沉积过程中焊枪的前行方向会发生改变，参见图3c，为此通过圆环转动件自适应调整超声振动装置的相位，使其始终保持从电弧增材制造焊枪行进方向的前方斜向插入熔池，实现变相位自适应超声辅助电弧增材制造。同时在沉积方向发生改变的过程中容易出现熔池沉积不稳定的情况，可以通过及时调整滑台气缸以改变振动针对熔池的作用范围，避免熔池形貌发生偏移，提高产品的成形质量。此外，参见图3d，当沉积过程将要结束，处于熄弧阶段时。由于电流的变化使得熔池处于不稳定，需要及时调整滑台气缸使得振动针脱离熔池，避免熔池形貌发生偏移。综上所述，采用本发明的技术方案可以实现复杂零件的相位自适应超声辅助电弧增材制造，在保持焊道形貌均匀的前提下改善了零件的组织结构与力学性能。

实施例7：

本实施例主要内容同实施例2，本实施例为具有悬垂结构特征的零件的电弧增材制造过程。附图4a、4b、4c为超声辅助电弧增材制造过程的三个阶段。附图中采用①②③④⑤展示电弧增材制造焊枪工作过程中的先后位置。

参见图4a，第I阶段：薄壁墙的制造成形。其增材制造路径为往复移动直线，在单道多层的往复沉积过程中焊枪的移动方向不断发生改变。为此，振动针13每层沉积结束后需要借助转动圆环7和转动转接滑块17及时调整相位，使其在熔池稳定后通过滑台气缸9始终从电弧增材制造焊枪行进方向的前方斜向插入熔池。

参见图4b，第II阶段：水平悬垂结构的制造成形。对于无支撑的悬垂结构成形，焊枪头18及时调整姿态，通过电弧力抵消部分重力对熔池的影响，因此焊枪调整为斜向上的姿态移动。熔池中的流体在重力作用下仍容易向下流淌，形成不对称的熔池形貌，导致焊道的几何形貌发生偏移。而在超声振动搅拌熔池的过程中气泡破碎会引起液压冲击，导致熔池大量流体的流动。为此在进行水平悬垂结构的增材制造时，通过调整振动针13的相位使其沿熔池下方向上插入熔池，使液压冲击引起的由下往上流动的流体抑制熔池在重力作用下向下流淌的趋势，维持焊道形貌的均匀、对称。

参见图4c，第III阶段：倾斜悬垂结构的制造成形。这过程中焊枪沿一定的倾角向上沉积，熔池在重力作用下熔池沿倾斜基面发生流淌，导致不对称的焊道形貌。为此类似于第II阶段的制造成形，超声振动器在转动圆环7和转动转接滑块17的作用下从熔池的下方斜向上插入熔池，在维持焊道形貌对称的前提下超声搅拌熔池提高零件性能。

综上所述，面对悬垂结构特征零件的制造成形，相位自适应超声熔池搅拌电弧增材制造方法在保持焊道形貌均匀的同时可以细化结晶组织，提高零件的成形质量。

实施例8：

本实施例主要内容同实施例2，其中如图5所示为螺旋桨结构零件的电弧增材制造过程示意图。根据螺旋桨模型的特征将各层焊道的增材路径分解为绕螺旋桨轴的空间曲线，在圆轴上进行熔滴沉积行为，然而在这一过程中沉积行为发生在曲面上。区别于水平位置的电弧增材，倾斜基体上的电弧增材由于焊道的起弧、熄弧点存在高度差并且受到重力作用的影响，液态熔池有着沿曲面向下流淌的趋势，导致焊道形貌的不均匀和熄弧位置的金属过量堆积。具体成形制造时，通过机器人5调整焊枪倾角并通过变位机旋转螺旋桨轴使焊枪始终垂直于沉积表面，由于起弧点与沉积位置存在高度差，熔池容易沿曲面发生流淌。为此通过转动圆环7、转动转接滑块17自适应调整超声振动器位姿，当熔池处于稳定状态时通过滑台气缸9使其保持沿焊枪移动方向从熔池侧面沿斜面由下往上插入熔池。一方面通过超声振动搅拌细化晶粒，另一方面通过沿斜面自下而上的超声冲击带动液态金属向上流动，缓解熔池在重力和起弧、熄弧点高度差作用下流淌的趋势，实现在保持焊道形貌均匀的前提下细化晶粒组织，提高零件质量。综述所述，采用相位自适应超声熔池搅拌电弧增材制造技术可以实现非水平基体零件沉积的保形增性电弧增材制造。

实施例9：

本实施例主要内容同实施例2，其中超声辅助电弧增材制造装置进行水轮机叶片的增材制造时，将曲面基板固定在旋转基体上，基体表面喷有防飞溅喷剂。电弧增材制造装置开始进行增材制造时，超声振动器12启动，振动器末端的振动针13被带动按一定频率轴向振动。当增材制造过程中无飞溅且熔池稳定时，气管控制滑台气缸9伸张，将振动针沿焊枪移动方向从熔池前端插入，实现成形过程中的枝晶破碎、搅拌熔池。随着成形过程的进行，沉积位置逐渐移动至圆弧基面上，需要控制机器人5调整焊枪倾角避免液态金属沿曲面向下流淌。并且可以通过单独控制转动圆环7与转动转接滑块17改变超声振动针的相位与姿态使其沿斜面由下往上插入熔池，来调整超声冲击引起的流体流动方向，从而进一步缓解熔池的不理想流淌，实现水轮机叶片的保形增性电弧增材制造，具体过程参见图6。

Claims (3)

1.一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法，其特征在于：通过柔性连接装置将增材制造焊枪与超声振动针装备在同一执行轴的末端；

所述柔性连接装置包括法兰盘转接板（6）、焊枪法兰盘（3）、转接支架（4）、转动圆环（7）、转动转接滑块（17）和承载基板（8）；

所述法兰盘转接板（6）的两侧板面分别记为A侧和B侧；所述法兰盘转接板（6）的A侧板面与执行轴末端固定连接；所述转动圆环（7）通过转接支架（4）支承在法兰盘转接板（6）的B侧；所述转动圆环（7）整体为环形圈体；所述转动圆环（7）的外侧壁上设有沿周向设置的环形滑槽；所述转动转接滑块（17）间隙配合在环形滑槽内且可沿环形滑槽旋转；所述承载基板（8）设置在转动圆环（7）的外侧，并与转动转接滑块（17）铰接；

所述增材制造焊枪通过焊枪法兰盘（3）固定在法兰盘转接板（6）的B侧；所述增材制造焊枪的焊枪头穿过转动圆环（7）；所述超声振动针固定在承载基板（8）上；

所述超声振动针包括滑台气缸（9）、变幅器（10）、夹持装置（12）和振动针（13）；所述夹持装置（12）可轴向拆分为两块抱箍；所述夹持装置（12）套设在变幅器（10）外围；所述滑台气缸（9）固定在承载基板（8）上；所述夹持装置（12）与滑台气缸（9）连接；所述变幅器（10）的变幅杆末端布置有振动针（13）；通过气动管路实时改变超声振动针的轴向位置；

将增材制造焊枪置于成型起点位置处，将超声振动针置于电弧增材制造过程中熔池的前方；按照预定的增材制造路径进行电弧增材制造；在增材制造过程中，超声振动针跟随增材制造焊枪同步移动，并针对成形零件的不同制造特征自适应调整振动针的位姿；当沉积过程处于稳定状态时，超声振动针插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出的同时缓解熔池的不良流动模式。

2.根据权利要求1所述的一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法，其特征在于：所述振动针（13）的材质为钨或钨合金。

3.根据权利要求1所述的一种相位自适应的超声熔池搅拌保形电弧增材制造方法，其特征在于：所述超声振动针的振动频率为20KHz，振幅为3-8μm。