EP4622760A1 - Fabrication additive d'une pièce métallique - Google Patents

Fabrication additive d'une pièce métallique

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Publication number
EP4622760A1
EP4622760A1 EP23809253.0A EP23809253A EP4622760A1 EP 4622760 A1 EP4622760 A1 EP 4622760A1 EP 23809253 A EP23809253 A EP 23809253A EP 4622760 A1 EP4622760 A1 EP 4622760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire
torch
filler
substrate
arc
Prior art date
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Pending
Application number
EP23809253.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mathieu HAUTESSERRE
Paul DAHERON
Emmanuel Bertrand
Pascal Paillard
Laurent COUTURIER
Valentine LEGRAND
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Nantes Université
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Nantes, Institut de Recherche Technologique Jules Verne filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/342—Build-up welding

Definitions

  • the present invention relates to the field of manufacturing metal parts.
  • the invention relates in particular to a process for the additive manufacturing of a metal part as well as an installation for implementing this process.
  • the successive deposition can for example be carried out by powder deposition as in the SLM process (in English “selective laser melting”). This process makes it possible to obtain a part with an equiaxed microstructure by adjusting the deposition parameters.
  • CN113102862 suggests vibrating the weld pool using a non-fusible vibrating needle.
  • the article by T. Yuan “Grain refining by ultrasonic stirring of the wed pool” proposes vibrating a tungsten metal tip in the liquid metal of the weld pool.
  • CN110484843 and the article by Ding Yuan “Grain refining of TL6A1-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assisted by ultrasonic vibration” propose carrying out ultrasonic hammering during deposition.
  • the article by Takehiko Watanabe “improvement of mechanical properties of ferritic stainless steel weld metal by ultrasonic vibration” proposes a deposition process with a vibrating filler wire. In this process, the wire must still be sufficiently rigid when in contact with the weld pool to have good transmission of vibrations. To do this, the wire must pass under the electric arc as quickly as possible, which can lead to process instability. It is also possible to melt the wire only by the heat of the weld pool, which leads to limited deposition rates.
  • Kun Zhang's article "Effect of latter feeding wire on double-wire GTA-AM stainless steel” describes an additive manufacturing process with a TIG torch using two filler wires, one fed out towards the welding arc l the other towards the weld pool.
  • CN111215898 describes a WAAM process using a vibrating pressure roller on the metal layer after its deposition.
  • a layer-by-layer additive manufacturing process of a metal part comprising the movement of an arc welding torch, in particular with an electrode (fusible or non-fusible), above a substrate, in which, when moving the torch:
  • a metal deposit is carried out with two filler fds, a first filler fd being unwound towards the welding arc, a second filler fd being unwound so as to plunge into the weld pool,
  • the process thus makes it possible, thanks to the vibrations present within the molten bath, to improve the microstructure of the deposited metal, and therefore the mechanical qualities of the manufactured part, but also to increase productivity thanks to the double supply of material.
  • the process thus ensures suitable geometry and deposition speed and good mechanical characteristics for the part obtained, in particular isotropic mechanical characteristics.
  • the process makes it possible in particular to obtain a finer microstructure with smaller grains and a lower aspect ratio. Additionally, the maximum MUD structure density is reduced, leading to more isotropic properties of the part.
  • the welding torch can be moved relative to the substrate at a speed generally between 10 and 100 cm/min, for example 40 cm/min.
  • the second filler wire is moved away from the welding arc.
  • the second wire which plunges into the molten pool can also constitute a cold spot in the molten pool leading to a modification of the thermal gradient therein.
  • the second wire when the second wire vibrates, it can produce thermal pumping of the heat from the molten pool, making it possible, for example, to control its cooling.
  • the second wire can dip into a mushy part of the weld pool.
  • pasty part of the weld pool we mean the part of the weld pool currently solidifying. This part is located at the rear of the weld pool relative to the direction of movement of the welding torch.
  • the vibrations will be transmitted to the pasty part of the weld pool and will interact with the metal being solidified and cause significant germination of grains and reduce their size and aspect ratio.
  • the second wire can plunge into the weld pool on the downstream side thereof relative to a direction of advancement of the torch.
  • the part of the second wire immersed in the molten bath is at least partially in a solid state between a point of penetration into the molten bath of the second wire and a point of total melting of the second wire, the distance separating the point of penetration and the total melting point along the second wire being non-zero. This ensures good vibration transmission.
  • the diameter of the first wire can be identical to that of the second wire.
  • the ratio between the unwinding speed of the first wire and that of the second wire can be between 1.1 and 10, preferably between 2 and 6, better still between 3 and 4, for example equal to approximately 3.6.
  • the quantity of material deposited therefore mainly comes from the first filler wire.
  • the first filler wire mainly ensures a good deposition speed and the second wire mainly ensures the quality of the microstructure and secondarily increases the deposition rate.
  • the filler wires can have a diameter of between 0.5 mm and 10 mm, in particular between 0.8 mm and 3.2 mm.
  • the filler wires can have feed speeds of between 50 cm/min and 1000 cm/min, in particular between 50 cm/min and 400 cm/min.
  • the wires may comprise a steel, in particular a stainless steel, an aluminum alloy, a nickel-based alloy, a titanium alloy or any other metal or alloy that can be welded and usable in WAAM arc-wire additive manufacturing, for example an alloy Ti64.
  • the material of the first wire may be identical to that of the second wire.
  • the material of the first wire may be different from that of the second wire.
  • the substrate and the wires can be made of the same material, in particular a titanium alloy.
  • the substrate may have, before implementing the process, a planar or curved shape, preferably planar.
  • the process may include a preliminary step of preparing a surface of the substrate on which the deposition will be made.
  • This step may include a surface treatment, such as sanding, or even cleaning, for example with ethanol.
  • the substrate is preferably metallic.
  • the substrate may comprise a steel, in particular a stainless steel, an aluminum alloy, a nickel-based alloy, a titanium alloy or any other metal or alloy that can be welded and used in WAAM arc-wire additive manufacturing, for example an alloy Ti64.
  • the welding torch may be a standard torch, for example a conventional commercial model.
  • the welding torch can, in a known manner, produce a flow of protective gas.
  • the first wire can form a wire electrode.
  • the vibration of the second wire can also be carried out in other directions, for example along the longitudinal axis of the wire.
  • the vibration of the second wire can have a frequency between 5kHz and 50kHz, preferably between 20kHz and 30kHz.
  • the vibration frequency of the second wire can be constant during the process, for example predetermined according to the deposition parameters.
  • the vibration frequency of the second wire can be variable during the process, for example to carry out thermal pumping of the heat from the molten pool with dynamic adjustment, in particular when the wire vibrates according to its unwinding direction.
  • the vibration pattern of the second wire is notably sinusoidal, square, triangular, preferably sinusoidal.
  • Vibrating device also relates, according to another of its aspects, independently or in combination with the above, to a vibratory device for the additive manufacturing of a metal part, in particular for the implementation of the process according to the invention, as defined previously.
  • the vibratory device comprises a means of connection to an arc welding torch, in particular a torch with an electrode.
  • the vibratory device can be adapted to vibrate a second filler wire at a frequency between 5kHz and 50kHz, preferably between 20kHz and 30kHz.
  • the vibratory device can be adapted to vibrate a second filler wire with a maximum spatial amplitude of between 5 pm and 200 pm, in particular around 50 pm.
  • the vibrating element can be excited by at least one piezoelectric cell.
  • the vibrating element can be a blade, in particular metallic, comprising an opening, in particular a cavity or a notch, configured to be crossed by the second filler wire.
  • the notch can have a half-moon, polygonal, in particular square or triangular shape.
  • the vibrating element can also be a vibrating roller.
  • the vibrating element can also be found in a second filler wire reel.
  • the contact surface between the vibrating element and the second filler wire is preferably small enough not to overly constrain the direction of unwinding of the second filler wire but large enough to have good transmission of the vibrations of the element towards the second filler wire.
  • the vibrating device may include an articulated arm, in particular along at least two axes. This makes it easy to position the vibrating device relative to the second filler wire.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, independently or in combination with the above, to an installation for the additive manufacturing of a metal part, in particular for the implementation of the process according to the invention, such as defined previously, this installation comprising:
  • a device in particular as described above, comprising: o a second reel of a second filler wire, o a vibratory device making it possible to vibrate the second filler wire, in particular a vibratory device as described above.
  • the torch may include a non-fusible electrode, in particular made of tungsten, and preferably the torch is a TIG welding torch (in English “Tungsten Inert Gas”).
  • the first wire can form a wire electrode, the welding torch then preferably being a MIG torch (in English “Metal Inert Gas”), a MAG torch (in English “Metal Active Gas”), a submerged arc torch or a plasma torch.
  • MIG torch in English “Metal Inert Gas”
  • MAG torch in English “Metal Active Gas”
  • submerged arc torch or a plasma torch.
  • the installation may include a movable arm allowing the torch to be moved, the first wire after having been unwound from the first reel and the second wire after having been unwound from the second reel.
  • FIG 1 illustrates, in perspective, an example of an installation according to the invention
  • FIG 2 illustrates, in isolation, a part of the vibrating device of the installation of Figure 1
  • FIG 3 illustrates, in isolation, in perspective, the ends of vibrating devices according to the invention
  • FIG 4 illustrates, schematically, in side view, an example of a method according to the invention
  • FIG 5 illustrates, schematically, in side view, another example of a method according to the invention
  • FIG 6 represents a series of grain maps of three cuts of cords obtained by additive manufacturing processes
  • FIG 7 is a graph representing the grain size and grain aspect ratio of the maps in Figure 6.
  • Figure 1 illustrates an installation 1 for additive manufacturing of a metal part according to the invention.
  • the installation 1 comprises a mobile arm 2 movable in three mutually orthogonal directions using different actuators controlled by a control unit.
  • a control unit controlled by a control unit.
  • the end of arm 2 may include, as illustrated, an L-shaped part.
  • Installation 1 also includes a welding torch 3, in this example a torch 3 with a non-fusible TIG type tungsten electrode 4.
  • the torch 3 is carried by the arm 2 using a support 5 positioned on the upper surface of the lower part of the L of the arm 2. This lower part has an orifice, not visible, allowing the torch 3 to pass through part L.
  • the torch 3 is connected via a power supply cable 6 to a standard TIG welding station, not shown. As illustrated, the cable 6 can be surrounded by a protective sheath.
  • the installation 1 also includes a first reel 10 of a first filler wire 11, whose pen feeder or “pen filler” in English) 12 reel is visible in Figure 1, and a second reel 13 a second filler wire 14, whose unwinding pen 15 is visible in Figure 1.
  • the reels 11 and 13 each comprise, in a known manner, a control panel for the reeling parameters and a spool, not shown in the drawings for the sake of clarity.
  • the pens 12 and 15 are fixed on the arm 2 using supports 16 comprising a gripping head 17 whose orientation is adjustable.
  • Installation 1 also includes a vibrating device 20 comprising a vibrating blade 21 in contact with the second wire 14.
  • the blade 21 is partially embedded in a housing 22 and can be vibrated using at least one piezoelectric cell present in the housing 22.
  • the housing 22 extends along the elongation axis of the blade 21.
  • the housing 22 is connected to an arm 23 itself fixed to the arm 2 of the installation 1 by a plate 24 screwed onto the arm 2.
  • the arm 23 of the vibrating device makes it possible to move the housing 22 and therefore the blade 21 in order to bring it into contact with the second wire 14.
  • the arm 23 comprises two linear axes 25 and 26 making it possible to move the housing 22 and the blade in translation in two directions A and B which are not parallel to each other, in particular orthogonal.
  • the arm 23 also includes pivots, in particular three pivots 30, 31 and 32, making it possible to pivot the housing 22 and the blade 21 respectively along the axes A, C and B, the axis C being orthogonal to the axes A and B.
  • the blade 21 has a substantially constant width L along the elongation axis M.
  • the blade 21 can have a constant thickness E over a major part of its length and a reduction in its thickness E at the level of the outlet 33 of housing 22.
  • the width L is approximately twice the diameter of the second wire 2
  • the free end 35 of the blade 21 includes for example a notch 36 configured to allow the passage of the second wire 14. This notch 36 makes it possible in particular to ensure stable contact between the blade 21 and the second wire 14.
  • the notch 36 can have a keyhole shape.
  • the opening 100 of the notch 36 has a width less than the diameter of the second wire 14 allowing the latter to be inserted by snapping into the notch 36 by the deformation of arms 101 of the blade 21 which surround the notch 36 Once positioned in the notch 36, the second wire 14 is thus held.
  • the edge of the notch 36 is circular with a diameter slightly greater than the diameter of the second wire 14, allowing the latter to translate in the notch 36 along its unwinding axis.
  • installation 1 is placed above a metal substrate 40, in this example made of Ti64 alloy.
  • the substrate 40 is in this example of planar shape.
  • the surface 41 of the substrate 40 on which the deposit will be made can undergo a prior surface treatment, for example cleaning.
  • the torch 3, the first wire 11, the second wire 14 and the vibrating device 20 are then set in motion above the substrate 40 in a direction of advancement D to form a first layer 42, at a speed comprised for example between 30 cm/min and 60 cm/min.
  • the torch 3 forms an arc 43 between the substrate 40 and the electrode 4 thus generating a molten pool 44 on the substrate 40.
  • the arc 43 is protected by a laminar flow of protective gas coming from the torch 3 .
  • first wire 11 and the second wire 14 are unwound so as to produce a deposit 45 of metal on the substrate 40.
  • the wires 11 and 14 have a diameter equal to 1.2 mm and are made of a Ti64 alloy.
  • the ratio between the unwinding speed of the first wire 11 and that of the second wire 14 is here between 3 and 4.
  • the diameters being for example identical for the wires 11 and 14, the ratio of quantity of material deposited between the wires 11 and 14 is also between 3 and 4.
  • the first wire 11 is unwound towards the welding arc 43 so as to melt the end 50 of the first wire 11 with the energy of the arc 43.
  • the second wire 14 is unwound so as to plunge into the molten bath 44 downstream of it relative to the direction of advancement D, in this example in its pasty part 51.
  • the second wire 14 is moved away from the arc 43, allowing its end 52 to plunge into the weld pool 45 in a solid state.
  • the solid part of the end 52 melts as it is immersed in the molten pool 45, allowing a second supply of material.
  • the second wire 14 is in a solid state between its penetration point 521 in the melting pool 45 and a total melting point 522 of the second wire 14, the distance separating the penetration point 521 and the total melting point 522 along the second wire 14 being non-zero, in particular at least 1 mm.
  • the second wire 14 thus functions as a "cold wire”, that is to say it melts without substantial additional energy input, in comparison with the first wire 11, which is a “hot wire”, i.e. that is to say that its fusion is caused by a heat input much greater than the heat supplied to the second wire 14.
  • the second wire 14 vibrates under the action of the blade 21 of the vibrating device 20.
  • the vibration is for example carried out along an axis perpendicular to the direction of advancement D and the unwinding axis L2 of the second wire 14.
  • the second wire 14 vibrates in a periodic sinusoidal pattern with a frequency between 20kHz and 30 kHz and a spatial amplitude between 5 pm and 200 pm.
  • the vibrations of the second wire 14 propagate to the weld pool 45 via the end 52.
  • melt 45 cools until it solidifies so as to continuously form layer 42.
  • Figure 5 represents a variant of the method of Figure 4.
  • the installation 1 comprises a torch 3 with a fuse electrode 4, for example a MIG welding torch 3.
  • the electrode 4 is here formed by the first wire 11, thus forming a wire electrode.
  • the material of the second wire 14 comprises for example a material different from that of the first wire 11.
  • a first layer 42 has been produced on a substrate 40 and a second layer 55 is being produced on the first layer 42.
  • Figures 6 and 7 illustrate the micro structure of three metal parts produced by three different additive manufacturing processes with a non-fusible TIG electrode.
  • the electrode 3 is positioned 4 mm above the substrate 40, and moved at a speed of 40 cm/min, the electrical intensity in the TIG electrode is 185 A, the substrate 40 and the filler wires are made of Ti64 and the filler wires have a diameter of 1.2 mm.
  • columns a) represent the single-wire process
  • the maximum texture density MUD is 9.21 for the single-wire process, 10.60 for the process with two wires without vibration and 6.66 for the process according to the invention.
  • the invention therefore makes it possible to obtain a reduced solidification texture and therefore more isotropic properties.
  • the vibration of the second wire can be different, for example taking place along the wire unwinding axis.

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Abstract

Procédé de fabrication additive en couche par couche d'une pièce métallique comportant le déplacement d'une torche (3) de soudage à l'arc au-dessus d'un substrat (40), dans lequel, lors du déplacement de la torche (3) : - on forme avec un arc (43) électrique, notamment entre la torche (3) et le substrat (40), un bain de fusion (45) sur le substrat (40), - un dépôt de métal est réalisé sur le substrat (40) avec deux fils (11, 14) d'apport, un premier fil (11) d'apport étant dévidé vers l'arc (43) de soudage, un deuxième fil (14) d'apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion (45), - on transmet avec le deuxième fil (14) des vibrations au le bain de fusion (45).

Description

Description
Titre : Fabrication additive d’une pièce métallique
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces métalliques. L’invention concerne en particulier un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique ainsi qu’une installation pour la mise en œuvre de ce procédé.
Technique antérieure
Pour fabriquer des pièces métalliques, il existe différents procédés connus, dont le principe est de réaliser un ajout successif de matière.
Le dépôt successif peut par exemple être réalisé par un dépôt de poudre comme dans le procédé SLM (en anglais « sélective laser melting »). Ce procédé permet d’obtenir une pièce avec une microstructure équiaxe en ajustant les paramètres de dépôt.
Il est également possible d’utiliser un procédé de fabrication additive arc-fil ou WAAM (en anglais « Wire- Arc Additive Manufacturing). Cependant, ce procédé conduit à une microstructure constituée de gros grains colonnaires, produisant ainsi des pièces avec des propriétés mécaniques relativement faibles et anisotropes.
Afin d’améliorer la microstructure des pièces produites par des procédés WAAM, il a été proposé de faire vibrer le bain de fusion lors du dépôt en transmettant des ultrasons par le substrat, comme par exemple décrit dans l’article de C.J. Todaro « grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound ». Cependant, avec cette méthode, il est complexe de contrôler l’amplitude des vibrations dans le bain de fusion car elle dépend fortement de la géométrie de la pièce, qui change en cours de fabrication, ainsi que du positionnement de l’actionneur vibrant.
CN113102862 propose de faire vibrer le bain de fusion à l’aide d’une aiguille vibrante non-fusible. De manière similaire, l’article de T. Yuan « Grain refining by ultrasonic stirring of the wed pool » propose de faire vibrer une pointe de métal en tungstène dans le métal liquide du bain de fusion.
CN110484843 et l’article de Ding Yuan « Grain refining of TL6A1-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assisted by ultrasonic vibration » proposent de réaliser un martelage d’ultrasons au cours du dépôt. L’article de Takehiko Watanabe « improvement of mechanical properties of ferritic stainless steel weld metal by ultrasonic vibration » propose un procédé de dépôt avec un fil d’apport vibrant. Dans ce procédé, le fil doit être encore suffisamment rigide lors du contact avec le bain de fusion pour avoir une bonne transmission des vibrations. Pour ce faire, il faut que le fil passe le plus rapidement possible sous l’arc électrique, ce qui peut conduire à une instabilité de procédé. Il est également possible de faire fondre le fil uniquement par la chaleur du bain de fusion, ce qui conduit à des vitesses de dépôt limitées.
L’article de Kun Zhang « Effect of latter feeding wire on double-wire GTA-AM stainless steel » décrit un procédé de fabrication additive avec une torche TIG utilisant deux fils d’apport, l’un dévidé vers l’arc de soudage l’autre vers le bain de fusion.
CN108067715 décrit un procédé à torche plasma utilisant deux fils d’apport.
CN111215898 décrit un procédé WAAM utilisant un galet presseur vibrant sur la couche de métal après le dépôt de celle-ci.
CN108356387 propose d’améliorer la stabilité du dépôt en utilisant deux torches de soudage produisant deux arcs.
Il a également été proposé de produire des impulsions dans le flux de gaz protecteur de la torche. Cette méthode est cependant complexe à mettre en œuvre.
Il existe un besoin pour disposer d’un procédé stable de fabrication additive d’une pièce en matériau métallique, avec une bonne productivité et permettant d’obtenir une bonne micro structure.
Exposé de l’invention
La présente invention répond à ce besoin grâce à, selon l’un de ses aspects, un procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce métallique comportant le déplacement d’une torche de soudage à l'arc, notamment avec une électrode (fusible ou non fusible), au-dessus d’un substrat, dans lequel, lors du déplacement de la torche :
- on forme avec un arc électrique, notamment entre la torche et le substrat, par exemple entre l’électrode et le substrat, un bain de fusion sur le substrat,
- un dépôt de métal est réalisé avec deux fds d’apport, un premier fd d’apport étant dévidé vers l’arc de soudage, un deuxième fd d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion,
- on transmet avec le deuxième fil des vibrations au bain de fusion. Le second fil permet la transmission de vibrations au bain de fusion tout en apportant un dépôt de matière en complément du dépôt de matière du premier fil. Le procédé permet ainsi, grâce aux vibrations présentes au sein du bain de fusion, d’améliorer la microstructure du métal déposé, et donc les qualités mécaniques de la pièce fabriquée, mais également d’accroître la productivité grâce au double apport de matière. Le procédé assure ainsi une géométrie et une vitesse de dépose convenables et de bonnes caractéristiques mécaniques pour la pièce obtenue, notamment des caractéristiques mécaniques isotropes.
Le procédé permet en particulier d’obtenir une microstructure plus fine avec des grains plus petits et avec un rapport d’aspect plus faible. De plus, la densité maximale de structure MUD est réduite, conduisant à des propriétés plus isotropes de la pièce.
De plus, l’utilisation d’un deuxième fil d’apport peut avoir lieu sans ajouter trop de complexité aux procédés de fabrication à l’arc mono-fil déjà existants et sans nécessiter une quantité d’énergie supplémentaire importante.
Contrairement à certains arts antérieurs, la transmission des vibrations au bain de fusion n’est pas influencée par l’encombrement, la taille, le matériau et la géométrie de la pièce fabriquée. Le procédé est donc adapté pour la fabrication de tout type de pièces.
De plus, la transmission des vibrations se faisant par un fil d’apport, il y a peu de contamination du métal déposé, contrairement à certains arts antérieurs avec une aiguille vibrante non-fusible.
L’utilisation de deux fils d’apport permet notamment d’augmenter le taux de dépose par rapport à un procédé mono-fil, par exemple, jusqu’à 40% environ.
La fabrication additive est réalisée en couche par couche. Les étapes du procédé peuvent être réalisées de manière successive au cours du dépôt de chacune des différentes couches.
La torche de soudage peut être déplacée relativement au substrat à une vitesse comprise généralement entre 10 et 100 cm/min, par exemple 40 cm/min.
Fils d’apport
De préférence, le deuxième fil d’apport est éloigné de l’arc de soudage.
Le deuxième fil qui plonge dans le bain de fusion peut également constituer un point froid dans le bain de fusion conduisant à une modification du gradient thermique dans celui-ci. En particulier, lorsque le deuxième fil vibre, il peut produire un pompage thermique de la chaleur du bain de fusion, permettant par exemple d’en contrôler le refroidissement. Le deuxième fil peut plonger dans une partie pâteuse du bain de fusion.
Par « partie pâteuse du bain de fusion », on entend la partie du bain de fusion en cours de solidification. Cette partie se trouve à l’arrière du bain de fusion relativement au sens de déplacement de la torche de soudage.
Dans ce cas, les vibrations vont être transmises à la partie pâteuse du bain de fusion et vont interagir avec le métal en cours de solidification et provoquer une germination importante de grains et diminuer leur taille et leur rapport d’aspect.
Le deuxième fil peut plonger dans le bain de fusion du côté aval de celui-ci relativement à une direction d’avancement de la torche.
La partie du deuxième fil plongée dans le bain de fusion est au moins partiellement dans un état solide entre un point de pénétration dans le bain de fusion du deuxième fil et un point de fusion totale du deuxième fil, la distance séparant le point de pénétration et le point de fusion totale le long du deuxième fil étant non-nulle. Cela assure une bonne transmission des vibrations.
Le diamètre du premier fil peut être identique à celui du deuxième fil. Dans ce cas le rapport entre la vitesse de dévidage du premier fil et celle du deuxième fil peut être compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environ.
Le rapport de quantité de métal déposée sur le substrat entre le premier fil et le deuxième fil peut être compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environ.
La quantité de matière déposée est donc majoritairement issue du premier fil d’apport. Ainsi, le premier fil d’apport assure principalement une bonne vitesse de dépose et le deuxième fil assure principalement la qualité de la microstructure et de manière secondaire augmente le taux de dépôt.
Les fils d’apport peuvent avoir un diamètre compris entre 0,5 mm et 10 mm, notamment entre 0.8 mm et 3.2 mm.
Les fils d’apport peuvent avoir des vitesses de dévidage comprises entre 50 cm/min et 1000 cm/min, notamment entre 50 cm/min et 400 cm/min.
Les fils peuvent comporter un acier, notamment un acier inoxydable, un alliage d’aluminium, un alliage à base de nickel, un alliage de titane ou tout autre métal ou alliage soudable et utilisable en fabrication additive arc-fil WAAM, par exemple un alliage Ti64. Le matériau du premier fil peut être identique à celui du deuxième fil.
En variante, le matériau du premier fil peut être différent de celui du deuxième fil.
Le substrat et les fils peuvent être réalisés dans un même matériau, notamment un alliage de titane.
Substrat
Le substrat peut avoir, avant la mise en œuvre du procédé, une forme plane ou courbe, de préférence plane.
Le procédé peut comporter une étape préalable de préparation d’une surface du substrat sur laquelle le dépôt va être fait. Cette étape peut comporter un traitement de surface, comme un ponçage, ou encore un nettoyage, par exemple à l’éthanol.
Le substrat est de préférence métallique. Le substrat peut comporter un acier, notamment un acier inoxydable, un alliage d’aluminium, un alliage à base de nickel, un alliage de titane ou tout autre métal ou alliage soudable et utilisable en fabrication additive arc-fil WAAM, par exemple un alliage Ti64.
Torche de soudage
La torche de soudage peut être une torche standard, par exemple un modèle commercial conventionnel.
La torche de soudage peut, de manière connue, produire un flux de gaz protecteur. o Electrode non-fusible
La torche de soudure peut comporter une électrode non-fusible, notamment en tungstène. En particulier la torche est une torche de soudage TIG (en anglais « Tungsten Inert Gas »). o Electrode fusible
Le premier fil peut former un fil-électrode.
La torche de soudage est notamment une torche MIG (en anglais « Metal Inert Gaz »), une torche MAG (en anglais « Metal Active Gaz »), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
Vibrations La transmission des vibrations au bain de fusion s’effectue en faisant vibrer le deuxième fil, la vibration du deuxième fil s’effectuant notamment selon une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe de dévidage du deuxième fil.
Les vibrations permettent avantageusement un apport d’énergie permettant de provoquer de la cavitation dans le bain liquide. La quantité d’énergie pour provoquer la cavitation dépend de la fréquence et de l’amplitude de vibration mais aussi d’autres facteurs comme la nature du matériau liquide du bain de fusion.
La vibration du deuxième fil peut également être réalisée dans d’autres directions, par exemple selon l’axe longitudinal du fil.
L’amplitude maximale de vibration du deuxième fil peut être comprise entre 5 pm et 200 pm, notamment autour de 50 pm.
La vibration du deuxième fil peut être de fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30kHz.
La fréquence de vibration du deuxième fil peut être constante au cours du procédé, par exemple prédéterminée en fonction des paramètres de dépôt.
La fréquence de vibration du deuxième fil peut être variable en cours de procédé, par exemple pour réaliser un pompage thermique de la chaleur du bain de fusion avec un ajustement dynamique, notamment lorsque le fil vibre selon sa direction de dévidage.
Le motif de vibration du deuxième fil est notamment sinusoïdal, carré, triangulaire, de préférence sinusoïdal.
Dispositif pour la fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention tel que défini précédemment, comportant :
- des moyens de connexion à une torche de soudage à l'arc, notamment une torche avec une électrode,
- un premier dévidoir d’un premier fil d’apport,
- un second dévidoir d’un deuxième fil d’apport,
- un dispositif vibratoire permettant de faire vibrer le deuxième fil d’apport.
Dispositif vibrant L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif vibratoire pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, tel que défini précédemment.
Le dispositif vibratoire comporte un moyen de connexion à une torche de soudage à l'arc, notamment une torche avec une électrode.
Le dispositif vibratoire peut être adapté pour faire vibrer un deuxième fil d’apport de diamètre compris entre 0,5 mm et 10 mm, notamment entre 0.8 mm et 3.2 mm, par exemple égal à 1,2 mm.
Le dispositif vibratoire peut être adapté pour faire vibrer un deuxième fil d’apport à une fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30kHz.
Le dispositif vibratoire peut être adapté pour faire vibrer un deuxième fil d’apport avec une amplitude spatiale maximale comprise entre 5 pm et 200 pm, notamment autour de 50 pm.
Le dispositif vibratoire peut faire vibrer le deuxième fil d’apport par la transmission de vibrations mécaniques. Le dispositif vibratoire peut ainsi comporter un élément vibrant configuré pour être amené en contact avec le deuxième fil d’apport, notamment avec une partie du fil en sortie d’un dévidoir.
L’élément vibrant peut être excité par au moins une cellule piézoélectrique.
L’élément vibrant peut être une lame, notamment métallique, comportant une ouverture, notamment une cavité ou une encoche, configurée pour être traversée par le deuxième fil d’apport. L’encoche peut avoir une forme en demi-lune, polygonale, notamment carrée ou triangulaire.
L’élément vibrant peut également être un galet vibrant.
L’élément vibrant peut également se trouver dans un dévidoir de deuxième fil d’apport.
La surface de contact entre l’élément vibrant et le deuxième fil d’apport est de préférence suffisamment faible pour ne pas trop contraindre la direction de dévidage du deuxième fil d’apport mais suffisamment importante pour avoir une bonne transmission des vibrations de l’élément vers le deuxième fil d’apport. Le dispositif vibrant peut comporter un bras articulé, notamment selon au moins deux axes. Cela permet de facilement positionner le dispositif vibrant par rapport au deuxième fil d’apport.
Le moyen de connexion peut comporter une pince permettant de s’accrocher à la torche de soudure ou à une potence portant la torche de soudure, ou une plaque à visser.
Installation de fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une installation de fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, tel que défini précédemment, cette installation comportant :
- une torche de soudage à l'arc, notamment avec une électrode,
- un premier dévidoir d’un premier fil d’apport,
- un dispositif, notamment tel que décrit précédemment, comportant : o un second dévidoir d’un deuxième fil d’apport, o un dispositif vibratoire permettant de faire vibrer le deuxième fil d’apport, notamment un dispositif vibratoire comme décrit précédemment.
La torche peut comporter une électrode non-fusible, notamment en tungstène, et de préférence la torche est une torche de soudage TIG (en anglais « Tungsten Inert Gas »).
Le premier fil peut former un fil-électrode, la torche de soudage étant alors de préférence une torche MIG (en anglais « Metal Inert Gaz »), une torche MAG (en anglais « Metal Active Gaz »), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
L’installation peut comporter un bras mobile permettant de déplacer la torche, le premier fil après avoir été dévidé du premier dévidoir et le deuxième fil après avoir été dévidé du second dévidoir.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel
[Fig 1] illustre, en perspective, un exemple d’installation selon l’invention,
[Fig 2] illustre, de manière isolée, une partie du dispositif vibrant de l’installation de la figure 1, [Fig 3] illustre, de manière isolée, en perspective, des extrémités de dispositifs vibrants selon l’invention,
[Fig 4] illustre, de manière schématique, en vue de côté, un exemple de procédé selon l’invention,
[Fig 5] illustre, de manière schématique, en vue de côté, un autre exemple de procédé selon l’invention,
[Fig 6] représente une série de cartographies de grains de trois coupes de cordons obtenus par des procédés de fabrication additive, et
[Fig 7] est un graphique représentant la taille des grains et le rapport d’aspect des grains des cartographies de la figure 6.
Description détaillée
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas été respectées, dans un souci de clarté.
On a illustré à la figure 1 une installation 1 de fabrication additive d’une pièce métallique selon l’invention.
L’installation 1 comporte un bras 2 mobile déplaçable selon trois directions orthogonales entre elles à l’aide de différents actionneurs pilotés par une unité de contrôle. Sur la figure 1, seule l’extrémité du bras 2 est représentée pour des raison de clarté du dessin.
L’extrémité du bras 2 peut comporter, comme illustré, une pièce en L.
L’installation 1 comporte également une torche 3 de soudage, dans cet exemple une torche 3 avec une électrode 4 non-fusible en tungstène de type TIG.
La torche 3 est portée par le bras 2 à l’aide d’un support 5 positionné sur la surface supérieure de la partie inférieure du L du bras 2. Cette partie inférieure comporte un orifice, non visible, permettant à la torche 3 de traverser la pièce L.
La torche 3 est reliée via un câble 6 d’alimentation électrique à un poste de soudure TIG standard, non représenté. Comme illustré, le câble 6 peut être entouré d’une gaine de protection. L’installation 1 comporte également un premier dévidoir 10 d’un premier fil d’apport 11, dont le stylo (« pen feeder » ou « pen filler » en anglais) 12 dévidoir est visible sur la figure 1, et un deuxième dévidoir 13 d’un deuxième fil d’apport 14, dont le stylo 15 dévidoir est visible sur la figure 1.
Les dévidoirs 11 et 13 comportent chacun, de manière connue, un panneau de contrôle des paramètres de dévidage et une bobine, non représentés sur les dessins dans un soucis de clarté.
Par exemple, les stylos 12 et 15 sont fixés sur le bras 2 à l’aide de supports 16 comportant une tête de préhension 17 dont l’orientation est réglable.
L’installation 1 comporte également un dispositif vibratoire 20 comportant une lame 21 vibrante en contact avec le deuxième fil 14.
La lame 21 est partiellement encastrée dans un boitier 22 et peut être mise en vibration à l’aide d’un au moins une cellule piézoélectrique présente dans le boitier 22.
Par exemple, le boîtier 22 s’étend selon l’axe d’élongation de la lame 21.
Le boîtier 22 est relié à un bras 23 lui-même fixé au bras 2 de l’installation 1 par une plaque 24 vissée sur le bras 2.
Le bras 23 du dispositif vibrant permet de déplacer le boîtier 22 et donc la lame 21 afin de la mettre en contact avec le deuxième fil 14.
Par exemple, le bras 23 comporte deux axes linéaires 25 et 26 permettant de déplacer en translation le boîtier 22 et la lame selon deux directions A et B non parallèles entre elles, notamment orthogonales.
Par exemple, le bras 23 comporte également des pivots, notamment trois pivots 30, 31 et 32, permettant de faire pivoter le boîtier 22 et la lame 21 respectivement selon les axes A, C et B, l’axe C étant orthogonal aux axes A et B.
Un agrandissement de la lame 21 est donné sur la figure 2.
Comme illustré, la lame 21 a une largeur L sensiblement constante le long de l’axe d’élongation M. La lame 21 peut présenter une épaisseur E constante sur une majeure partie de sa longueur et une réduction de son épaisseur E au niveau de la sortie 33 du boîtier 22.
Par exemple la largeur L est d’environ deux fois le diamètre du deuxième fil 2 L’extrémité libre 35 de la lame 21 comporte par exemple une encoche 36 configurée pour permettre le passage du deuxième fil 14. Cette encoche 36 permet notamment de s’assurer d’un contact stable entre la lame 21 et le deuxième fil 14.
Par exemple, comme illustré sur la figure 3a, l’encoche 36 peut avoir une forme triangulaire dont l’angle d’ouverture est inférieur à 45°. La surface de contact entre l’encoche 36 triangulaire et le deuxième fil 14 est suffisamment faible pour ne pas trop contraindre la direction de dévidage du deuxième fil 14 mais suffisamment importante pour avoir une bonne transmission des vibrations de la lame 21 vers le deuxième fil 14.
Par exemple, comme illustré sur la figure 3b, l’encoche 36 peut avoir une forme en trou de serrure. L’ouverture 100 de l’encoche 36 à une largeur inférieure au diamètre du deuxième fil 14 permettant l’insertion de celui-ci par encliquetage dans l’encoche 36 par la déformation de bras 101 de la lame 21 qui entourent l’encoche 36. Une fois positionné dans l’encoche 36, le deuxième fil 14 est ainsi maintenu. De plus, le bord de l’encoche 36 est circulaire d’un diamètre légèrement supérieur au diamètre du deuxième fil 14, permettant à celui-ci de translater dans l’encoche 36 le long de son axe de dévidage. Cela permet de limiter au maximum les pertes de contact entre la lame 21 et le deuxième fil 14, l’encoche 36 formant avec le deuxième fil 14 une liaison pivot d’axe autorisant la translation du deuxième fil 14 le long de son axe de dévidage et la rotation du deuxième fil 14 autour de son axe de dévidage, les autres mouvements étant sensiblement bloqués.
Lors de la mise en place de l’installation 1, on peut commencer par positionner le deuxième fil 14 de manière à orienter son axe de dévidage selon une direction prédéterminée puis, une fois en position, le dispositif vibratoire 20, notamment l’encoche 36, est positionné sur le deuxième fil 14.
Des exemples de procédé de fabrication additive d’une pièce métallique sont illustrés sur les figures 4 et 5.
Dans le premier exemple de la figure 4, l’installation 1 des figures 1 à 3 est utilisée. Elle est représentée sur la figure 4 de manière schématique, dans un souci de clarté.
Premièrement, l’installation 1 est mise en place au-dessus d’un substrat 40 métallique, dans cet exemple en alliage Ti64. Le substrat 40 est dans cet exemple de forme plane.
La surface 41 du substrat 40 sur laquelle le dépôt va être réalisé peut subir un traitement de surface préalable, par exemple un nettoyage. La torche 3, le premier fil 11, le deuxième fil 14 et le dispositif vibrant 20 sont alors mis en mouvement au-dessus du substrat 40 selon une direction d’avancement D pour former une première couche 42, à une vitesse comprise par exemple entre 30 cm/min et 60 cm/min.
Lors du déplacement, la torche 3 forme un arc 43 entre le substrat 40 et l’électrode 4 générant ainsi sur le substrat 40 un bain de fusion 44. L’arc 43 est protégé par un flux laminaire de gaz protecteur venant de la torche 3.
En parallèle, le premier fil 11 et le deuxième fil 14 sont dévidés de manière à réaliser un dépôt 45 de métal sur le substrat 40.
Par exemple, les fils 11 et 14 ont par exemple un diamètre égal à 1,2 mm et sont réalisés dans un alliage de Ti64.
Le rapport entre la vitesse de dévidage du premier fil 11 et celle du deuxième fil 14 est ici compris entre 3 et 4. Les diamètres étant par exemple identiques pour les fils 11 et 14, le rapport de quantité de matière déposée entre les fils 11 et 14 est également compris entre 3 et 4.
Le premier fil 11 est dévidé en direction de l’arc de soudage 43 de manière à faire fondre l’extrémité 50 du premier fil 11 avec l’énergie de l’arc 43.
Le deuxième fil 14 est dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion 44 en aval de celui-ci relativement à la direction d’avancement D, dans cet exemple dans sa partie pâteuse 51.
Le deuxième fil 14 est éloigné de l’arc 43, permettant à son extrémité 52 de plonger dans le bain de fusion 45 dans un état solide. La partie solide de l’extrémité 52 fond au fur et à mesure de sa plongée dans le bain de fusion 45, permettant un deuxième apport de matière.
En particulier, le deuxième fil 14 est dans un état solide entre son point de pénétration 521 dans le bain de fusion 45 et un point de fusion totale 522 du deuxième fil 14, la distance séparant le point de pénétration 521 et le point de fusion totale 522 le long du deuxième fil 14 étant non-nulle, notamment d’au moins 1 mm.
Le deuxième fil 14 fonctionne ainsi comme un « fil froid », c’est-à-dire qu’il fond sans apport substantiel d’énergie supplémentaire, en comparaison avec le premier fil 11, qui est un « fil chaud », c’est-à-dire que sa fusion est provoquée par un apport de chaleur bien supérieur à la chaleur apportée au deuxième fil 14. Le deuxième fil 14 vibre sous l’action de la lame 21 du dispositif vibratoire 20.
La vibration est par exemple réalisée selon un axe perpendiculaire à la direction d’avancement D et l’axe de dévidage L2 du deuxième fil 14.
Le deuxième fil 14 vibre selon un motif périodique sinusoïdal de fréquence comprise entre 20kHz et 30 kHz et d’amplitude spatiale comprise entre 5 pm et 200 pm.
Les vibrations du deuxième fil 14 se propagent au bain de fusion 45 via l’extrémité 52.
Ensuite, le bain de fusion 45 refroidit jusqu’à solidification de manière à former, de manière continue, la couche 42.
La figure 5 représente une variante du procédé de la figure 4.
Dans cette variante, l’installation 1 comporte une torche 3 avec une électrode 4 fusible, par exemple une torche 3 de soudure MIG.
L’électrode 4 est ici formée par le premier fil 11, formant ainsi un fil-électrode.
De plus, le matériau de deuxième fil 14 comporte par exemple un matériau différent de celui du premier fil 11.
Sur la figure 5, une première couche 42 a été réalisée sur un substrat 40 et une deuxième couche 55 est en cours de réalisation sur la première couche 42.
Exemple
Les figures 6 et 7 illustrent la micro structure de trois pièces métalliques réalisées par trois procédés différents de fabrication additive avec une électrode TIG non-fusible.
Le premier est un procédé mono-fil d’apport, le deuxième un procédé avec deux fils d’apport, un premier fil d’apport étant dévidé vers l’arc de soudage, un deuxième fil d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion, le deuxième fil ne transmettant pas de vibrations au bain de fusion, et le troisième un procédé selon l’invention, à savoir avec deux fils d’apport dont un vibrant.
Dans les trois essais, l’électrode 3 est positionnée à 4 mm au-dessus du substrat 40, et déplacée à une vitesse de 40 cm/min, l’intensité électrique dans l’électrode TIG est de 185 A, le substrat 40 et les fils d’apport sont en Ti64 et les fils d’apport ont un diamètre de 1,2 mm.
Dans le procédé mono-fil, le fil d’apport est dévidé à une vitesse de 420 cm/min.
Les deux autres procédés, le premier fil d’apport est dévidé à une vitesse de 360 cm/min et le deuxième fil à une vitesse de 100 cm/min. La figure 6 illustre des cartographie EBSD (en anglais « Electron BackScattered Diffraction ») de coupes de cordons de soudure réalisés avec les trois procédés. Cette cartographie permet de visualiser les grains G de la micro structure des cordons.
Le cordon a) correspond au procédé mono-fil, le cordon b) au procédé avec deux fds sans vibration et le cordon au procédé selon l’invention.
Ces cartographies EBSD permettent de visualiser la taille des grains G ainsi que leur forme, notamment leur rapport d’aspect entre leur plus grande dimension et leur plus petite dimension.
La taille moyenne des grains T et le rapport d’aspect moyen Ra des cartographies de la figure 6 sont illustrés dans le graphique de la figure 7.
Sur le graphique, les colonnes a) représentent le procédé mono-fil, les colonnes b) le procédé avec deux fds sans vibration et les colonnes c) le procédé selon l’invention.
Comme clairement visible, la taille moyenne des grains T et le rapport d’aspect moyen Ra du troisième procédé sont inférieurs à ceux des deux autres essais. Les grains du cordon obtenu par le procédé de l’invention sont donc plus fins et plus équiaxes ce qui améliore les propriétés mécaniques et les rend plus isotropes par rapport aux deux autres procédés.
De plus, la densité maximale de texture MUD est de 9,21 pour le procédé monofil, de 10,60 pour le procédé avec deux fils sans vibration et de 6,66 pour le procédé selon l’invention. L’invention permet donc d’obtenir une texture de solidification réduite et donc des propriétés plus isotropes.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
En particulier, le substrat peut avoir une composition ou une forme différente, par exemple être courbe.
La vibration du deuxième fil peut être différente, par exemple avoir lieu selon l’axe de dévidage du fil.
L’élément vibrant peut être différent, par exemple sous la forme d’un galet vibrant ou d’un dévidoir vibrant.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce métallique comportant le déplacement d’une torche (3) de soudage à l'arc au-dessus d’un substrat (40), dans lequel, lors du déplacement de la torche (3) : on forme avec un arc (43) électrique, notamment entre la torche (3) et le substrat (40), un bain de fusion (45) sur le substrat (40), un dépôt de métal est réalisé sur le substrat (40) avec deux fils (11, 14) d’apport, un premier fil (11) d’apport étant dévidé vers l’arc (43) de soudage, un deuxième fil (14) d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion (45), on transmet avec le deuxième fil (14) des vibrations au bain de fusion (45).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le rapport de quantité de métal déposée sur le substrat entre le premier fil (11) et le deuxième fil (14) est compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environ.
3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le matériau du premier fil (11) est identique à celui du deuxième fil (14).
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième fil (14) plonge dans le bain de fusion (45) du côté aval de celui-ci, relativement à une direction d’avancement (D) de la torche (3).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie du deuxième fil (14) plongée dans le bain de fusion (45) est au moins partiellement dans un état solide entre un point de pénétration (521) dans le bain de fusion (45) du deuxième fil (14) et un point de fusion totale (522) du deuxième fil (14), la distance séparant le point de pénétration (521) et le point de fusion totale (522) le long du deuxième fil (14) étant non-nulle.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre du premier fil (11) est identique à celui du deuxième fil (14), le rapport entre la vitesse de dévidage du premier fil (11) et celle du deuxième fil (14) étant compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environs.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la torche (3) de soudure comporte une électrode (4) non-fusible, notamment en tungstène, en particulier la torche (3) est une torche de soudage TIG (en anglais « Tungsten Inert Gas »).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier fil (11) forme un fil-électrode, la torche (3) de soudage étant notamment une torche MIG (en anglais « Metal Inert Gaz »), une torche MAG (en anglais « Metal Active Gaz »), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vibration du deuxième fil (1) s’effectue selon une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe de dévidage du deuxième fil (14).
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’amplitude maximale de vibration du deuxième fil (14) est comprise entre 5 pm et 200 pm
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vibration du deuxième fil (14) est de fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30 kHz, le motif de vibration du deuxième fil (14) étant notamment sinusoïdal, carré, triangulaire, de préférence sinusoïdal.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (40) et les fils (11, 14) sont réalisés dans un alliage de titane.
13. Dispositif pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant : des moyens de connexion à une torche (3) de soudage à l'arc un premier dévidoir d’un premier fil (11) d’apport, un second dévidoir d’un deuxième fil (14) d’apport, et un dispositif vibratoire (20) permettant de faire vibrer le deuxième fil d’apport (14).
14. Dispositif vibratoire (20) pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant des moyens de connexion à une torche (3) de soudage à l'arc, le dispositif vibratoire (20) étant adapté pour faire vibrer un deuxième fil (14) d’apport de diamètre compris entre 5 mm et 10 mm, notamment entre 0.8 mm et 3.2 mm, à une fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30 kHz et avec une amplitude spatiale maximale de préférence comprise entre 5 pm et 200 uni. notamment autour de 50 pm.
15. Dispositif vibratoire (20) selon la revendication 14, comportant un élément vibrant configuré pour être amené en contact avec le deuxième fil (14) d’apport, notamment avec une partie du fil (14) en sortie d’un dévidoir.
16. Dispositif vibratoire (20) selon la revendication précédente, dans lequel l’élément vibrant est excité par au moins une cellule piézoélectrique.
17. Dispositif vibratoire (20) selon l’une des revendications 14 à 16, dans lequel l’élément vibrant est une lame (21) comportant une ouverture, notamment une cavité ou une encoche (36), configurée pour être traversée par le deuxième fil (14) d’apport.
18. Installation (1) de fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant : une torche (3) de soudage à l'arc, un premier dévidoir d’un premier fil (11) d’apport, un dispositif, notamment selon la revendication 13, comportant : o un second dévidoir d’un deuxième fil (14) d’apport, o un dispositif vibratoire (20) permettant de faire vibrer le deuxième fil (14) d’apport, notamment un dispositif selon l’une des revendications 14 à 17.
19. Installation (1) selon la revendication précédente, dans laquelle la torche comporte une électrode (4) non-fusible, notamment en tungstène, et de préférence la torche (3) est une torche de soudage TIG (en anglais « Tungsten Inert Gas »).
20. Installation (1) selon la revendication 18, dans laquelle le premier fil (11) forme un fil-électrode, la torche (3) de soudage étant de préférence une torche MIG (en anglais « Metal Inert Gaz »), une torche MAG (en anglais « Metal Active Gaz »), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
21. Installation selon l’une quelconque des revendications 18 à 20, comportant un bras (2) mobile permettant de déplacer la torche (3), le premier fil (11) après avoir été dévidé du premier dévidoir et le deuxième fil (14) après avoir été dévidé du second dévidoir.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN119897555A (zh) * 2024-11-27 2025-04-29 哈工大郑州研究院 一种双丝送进的电弧增材超高强铝合金原位合金化的方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108067715B (zh) 2016-11-11 2021-04-16 南京理工大学 一种机器人等离子弧双冷填丝自动增材制造方法及装置
CN108927600A (zh) * 2017-05-22 2018-12-04 林肯环球股份有限公司 使用消耗品和热源与焊接熔池的方法和系统
CN109202270B (zh) * 2017-11-24 2021-06-08 中国航空制造技术研究院 增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置
CN108356387B (zh) 2018-05-11 2021-03-30 大连理工大学 一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用
CN110484843B (zh) 2018-05-15 2021-04-02 天津大学 一种改善增材制造晶粒尺寸的方法
CN111215898B (zh) 2019-10-28 2022-05-03 南京航空航天大学 一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法
CN113333910B (zh) * 2021-05-08 2023-03-10 南京航空航天大学 一种基于旋转多丝电弧增材智能装置及方法
CN116493788B (zh) 2021-05-13 2025-10-28 重庆大学 电弧增材制造设备
CN113909635A (zh) * 2021-10-20 2022-01-11 上海交通大学 一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法
CN114850632B (zh) * 2022-07-06 2022-10-21 湖南湘投金天科技集团有限责任公司 异质金属间化合物增材加工设备及其加工方法

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