[发明专利]一种具有随焊超声振动和碾压特征的电弧增材制造方法

说明书

本发明公开了一种具有随焊超声振动和碾压特征的电弧增材制造方法，其特征在于，在电弧增材制造焊枪后面设置可跟随电弧增材制造焊枪同步同向移动的超声振动碾压滚轮，在电弧增材制造过程时，超声振动碾压滚轮跟随电弧增材制造焊枪焊枪同步同向移动，对处于热塑性阶段的电弧增材制造层进行超声振动和碾压，使其发生塑性变形并促进其冷却，同时超声振动传入电弧熔池，使熔池的凝固过程受到近距离的超声振动，利用二者综合作用使电弧增材层的组织和性能得到改善。本发明具有能够在电弧增材制造过程中通过滚轮对电弧增材堆积层进行碾压作用，同时引入超声辅助，提高超声作用效果，以改善电弧增材制造材料或零件的组织和力学性能的优点。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，特别涉及具有超声振动和碾压特征的电弧增材制造方法。

背景技术

近年来，在资源节约及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技术在复杂形状薄壁件的制造上呈现出广阔的应用前景。随着航空航天、国防军工、轨道交通等关键技术领域对致密金属零件的性能、精度、制造成本和周期的要求日趋苛刻，亟需开展相关研究以突破并掌握金属零件直接成形技术。电弧增材制造多采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)、钨极惰性气体保护焊(TIG)以及等离子体焊接(PA)等电弧为热源，添加丝材，在程序控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件，主要特点是沉积效率和丝材利用率高、整体制造周期短(沉积速率可以达到1kg/h)、成本低，还具有原位复合制造以及成形大尺寸零件的能力(可以制造大至lm³的工件)。但是随着堆积层数的增加，堆积层热积累严重，散热条件不佳，容易出现熔池过热、堆焊层凝固组织晶粒粗大等问题，还可能出现常见熔焊缺陷(如气孔、夹杂和热裂等)，难以获得高性能的增材制造材料或零件。

针对上述问题，公布号为CN106363173A和CN111215843A的两篇专利分别公布了一种超声波辅助激光焊增材制造的装置及使用方法和一种电弧增材制造热碾压的制造方法及装置，虽然在一定程度上减少了气孔缺陷，提高了焊缝质量。但仍然存在一下问题：激光焊设备结构较复杂，工艺流程，操作步骤繁琐，成本较高；热碾压设备采用焊后多次碾压，未考虑到焊缝处于热塑性时进行碾压，未能解决对增材堆积层的冷却问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够在电弧增材制造过程中更好地引入超声辅助，提高超声作用效果，既能有效改善电弧增材制造堆积层组织及性能，又能对电弧增材制造堆积层进行一定程度冷却的具有随焊超声振动和碾压特征的电弧增材制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种具有随焊超声振动和碾压特征的电弧增材制造方法，其特征在于，在电弧增材制造焊枪后面设置可跟随电弧增材制造焊枪同步同向移动的超声振动碾压滚轮，在电弧增材制造过程时，电弧增材制造焊枪首先引弧并平移，通过焊材熔融和凝固实现电弧增材制造，超声振动碾压滚轮跟随电弧增材制造焊枪焊枪同步同向移动，对处于热塑性阶段的电弧增材制造层进行超声振动和碾压，使其发生塑性变形并促进其冷却，同时超声振动通过上下与前后结合的平面振动经电弧增材制造层和基底母材传入电弧熔池，使熔池的凝固过程受到近距离的超声振动，利用二者综合作用使电弧增材层的组织和性能得到改善。

这样，本发明所提供技术方案将超声振动和碾压有机结合于可随焊枪同步同向移动的钢制滚轮上，该滚轮在电弧增材堆积层刚刚凝固且尚处于热塑性状态时实施超声振动和碾压，使电弧增材堆积层产生塑性变形。其有益效果有二：一是超声振动与碾压耦合作用，能大大改善材料塑性，使其获得更大的塑性变形改性，组织性能改善效果更佳；二是在电弧增材堆积层尚处于热塑性状态时就进行超声振动碾压，既利用了其余热，相比后续再次加热碾压的方法而言，更节能和简单易行，又利用滚轮对电弧增材堆积层进行一定的强制冷却，有利于减少电弧增材制造的层间等待时间，提高效率。

进一步地，所述超声振动碾压滚轮为钢制的超声振动碾压滚轮且其侧表面为适应电弧增材制造层横截面形状的内凹弧形。