[发明专利]一种碳钢结构件自压缩电弧增材制造方法

说明书

本发明提供一种碳钢结构件自压缩电弧增材制造方法，其采用独立填丝配合自压缩电弧增材制造方法进行旋转件的分层堆敷成型，即送丝机构填充丝材，自压缩电弧作为热源熔化丝材进行堆敷成型，利用焊枪的垂直移动和变位机翻转及旋转运动合成堆敷路径，使变结构旋转件堆敷过程始终为垂直堆敷。每堆敷一层焊枪沿垂直方向移动固定高度，重复上述堆敷方式形成下一层圆环形堆敷层，如此往复循环，最终各圆环形堆敷层累积叠加形成具有特殊几何特征的碳钢结构件。结构件堆敷成型过程稳定，成型件致密度高、力学性能好，达到或超过同成分材料的传统组合工艺制件水平，成型精度高、材料利用率高，制造工序精简、金属沉积速度快、生产效率高。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种碳钢结构件的自压缩电弧增材制造方法。

背景技术

目前碳钢结构件主要采用铸造和机械加工方式制造，传统的热加工手段配合后续机械冷加工处理虽能达到结构的加工精度及服役质量，但存在材料利用率低、资源浪费严重，工序繁多、生产周期长，设备投入大、生产成本高等问题。为实现具有复杂几何特征的碳钢结构件的预研开发和快速制造，急需一种快速、高效、高质量的构件成型制造方法。

丝材自压缩电弧增材制造技术(Wire and Plasma Arc AddictiveManufacturing，WPAAM)是基于多层多道熔敷的原理，以自压缩电弧为热源，将金属丝材熔化并精确熔敷至构件分层增添轨迹上，由若干层堆敷金属片层累积叠加直接成型高致密度、高性能的三维构件的快速制造方法。特别适合具有复杂几何特征的碳钢结构件的预研开发和快速制造。

目前丝材电弧增材制造中，采用的热源主要有TIG电弧、MAG/PMAG电弧、自压缩等离子弧等。采用TIG电弧热源时，电弧较为发散，熔化焊丝需要较大的热输入，导致晶粒长大严重，构件力学性能下降，同时热影响区较大，易导致较大的残余应力。而采用MAG/PMAG电弧时，MAG/PMAG电弧的热输入较TIG电弧更大，对成形件的重复加热作用更为明显，严重影响其组织性能。

专利《一种钛合金结构件电弧增材制造方法》公开了一种钛合金结构件MAG电弧增材制造方法，该专利所述的构件结构较简单，实例所制造钛合金结构件壁厚较大，尺寸精度差。专利《一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法》目的是提供一种铜合金激光与CMT电弧复合的增材制造方法，解决铜合金激光增材制造时丝材的粘丝、层间未熔合问题，但其设备成本高，增材制造方法复杂。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种碳钢结构件的自压缩电弧增材制造方法。

实现本发明目的的解决方案为：一种碳钢结构件自压缩电弧增材制造方法，所述的碳钢结构件为柱型旋转壳体与锥形旋转壳体的复合变结构件，该碳钢结构件为200～800层圆环形堆敷层堆敷成碳钢结构件。

采用独立填丝方式配合自压缩电弧热源进行旋转件的分层堆敷成型，即将丝材送进，自压缩电弧熔化丝材进行金属堆敷，保持焊枪于起弧点，旋转变位机，完成一层圆环形堆敷层；然后焊枪增加一个固定高度，重复上述堆敷方式形成下一层堆敷层，如此往复循环，最终由200～800层圆环形堆敷层累积叠加形成柱型和锥形旋转壳体复合结构件；

堆敷时，相邻堆敷层采用同向堆敷，各圆环形堆敷层成形的起弧点和熄弧点重合，且变位机的旋转方向始终一致

如上述的一种碳钢结构件自压缩电弧增材制造方法，其包括如下具体步骤：

1)在碳钢基材上选取起弧点，焊枪保持位置不变，变位机顺时针旋转365°～380°，开始柱型旋转壳体第一层圆环形堆敷层的堆敷，保证熄弧点与起弧点重叠，轨迹闭合；

2)完成柱型旋转壳体第一层圆环形堆敷层的堆敷后，变位机逆时针旋转365°～380°，回到初始位置，焊枪原位置升高0.3～2.0mm，变位机旋转365°～380°，开始第二层圆环形堆敷层的堆敷，堆敷的方向与第一层相同；