[发明专利]一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置

说明书

本发明涉及一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置，本发明方法是用电弧熔化金属丝材，通过焊枪及送丝机构在基板上沉积一层或多层后，利用直流脉冲电源加热基板和沉积层，由温度传感器获取沉积层表面温度，当温度达到预定值，利用超声冲击装置对沉积层表面进行超声冲击。本发明的装置包括基板、夹具、工作台、焊枪、送丝装置、温度传感器、超声波发生器、超声冲击装置、电极、导线、直流脉冲电源、绝缘垫片。本发明将脉冲电流辅助加热、超声冲击强化与电弧增材过程有机结合，通过电、热、声、力多场耦合作用提升沉积层成形精度和细化晶粒尺寸，消减电弧增材过程中气孔、裂纹等缺陷及内部残余拉应力，提升材料力学性能。

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法和装置，具体涉及一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法和装置。

背景技术

电弧增材制造是一种以电弧为热源，采用逐层熔敷原理，将熔化的丝材逐层堆焊，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。与激光、电子束增材制造相比，电弧增材制造技术通过电弧融化丝材，沉积速度快、制造效率高、材料利用率显著提升，并且设备制造成本低，无需密闭真空腔，在大尺寸、复杂形状结构件的低成本、高效、快速成形制造中具有广阔的应用前景。然而，由于电弧输入热量高，材料内部大温度梯度引起粗大柱状晶组织，从而降低了零件力学性能及其各向均匀性，即使通过调控成形工艺参数和后续热处理工艺，仍无法完全消除粗大柱状晶组织；同时电弧增材是一个极速加热，随之快速冷却凝固的超常规热力学过程，材料内部由于传热不均匀及大温度梯度分布而产生较大的残余拉应力，随着电弧增材沉积层数增加，残余拉应力也逐步叠加，卸载基板后，残余拉应力会使基板及零件发生严重的翘曲甚至开裂，这些问题限制了电弧增材在工业中的应用。

超声冲击是一种塑性成形及强化工艺，超声换能器及变幅杆将超声波发生器的高频振动通过冲击工具头传递到工件表面，在工件表面形成塑性变形层。高频振动引起的塑性变形能有效破碎电弧增材过程形成的粗大柱状晶，增大材料内部的位错密度，同时储存大量变形能，在下一层电弧增材过程中，当温度达到材料再结晶温度时，该变形能为再结晶提供驱动力，柱状晶转变为等轴晶组织，从而提升材料性能及各向性能均匀性。另外，超声冲击会在材料表面形成残余压应力层，能显著消减电弧增材过程引入的有害残余拉应力，同时减小增材过程翘曲变形。然而，对于某些室温高强度低塑性金属材料，如钛合金、高温合金等，常温下超声冲击过程变形抗力大，冲击变形及残余压应力层深度有限，对电弧增材过程组织及残余拉应力改善作用有限，同时对超声冲击设备的负载及稳定性提出了更高的要求。

电流辅助加热是利用金属本身的电阻值，通过焦耳热效应对金属材料进行快速加热的过程。与传统的高温炉加热方式相比，电流辅助加热过程加热效率高、精度高、可控性好、响应速度快，满足绿色环保要求。同时，脉冲电流引起的电塑性效应能极大降低材料的变形抗力和提高材料塑性，改善材料内部微观组织，进而提升零件综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种将电弧增材与电辅助超声冲击强化同步复合制造的方法和装置。本发明针对常温高强度低塑性难成形金属材料，提供一种易操作、高精度、高效率、低成本的复合制造方法和装置，提高成形精度与材料利用率，同时破碎电弧增材过程粗大柱状晶，形成等轴晶组织，消减增材制造过程材料内部残余拉应力，提高材料的综合力学性能。

为解决以上所述问题，本发明提出了一种电弧增材与电辅助超声冲击强化复合制造方法，主要包括以下步骤：

1)对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗表面。

2)在基板与工作台之间、基板与夹具之间、超声变幅杆与夹持柄之间分别插入绝缘垫片，并固定；

3)将电极连接在基板两侧，并通过导线连接在直流脉冲电源正负极；将超声波冲击装置与超声波发生器连接；

4)打开电弧增材电源，通过控制焊枪移动和送丝机构配合运动，在基板上实现电弧增材沉积层；