[发明专利]一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法

说明书

本发明涉及一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法，包括：在沉积综合平台上固定设置铝合金基板，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板，所述红铜挡板之间为沉积路径。本发明主要通过模铸铜板约束沉积路径来影响增材过程中的熔池流动和材料成型，进而改变增材制造墙体的结构组织和机械性能。

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别涉及一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法。

背景技术

冷金属过渡电弧增材制造是一种高效率和低成本的新型增材制造技术，然而，相对较低的沉积精度和结构组织性能限制了该技术的发展。研究发现，焊丝位置是决定熔滴和熔池过渡效果的重要因素，对沉积墙体形状有很大影响。交替焊丝沉积方向有利于建造相对规则的沉积墙体，可以显著提高沉积墙体的均匀性和稳定性。实验发现，和自由冷却的沉积墙体相比，主动冷却的沉积墙体具有较低的表面粗糙度。当沉积新一层铝合金时，相邻一层铝合金会被重新熔化并且发生严重变形。部分沉积墙体在横向上存在重合区，沿沉积速度方向呈多层结构。

当前认为，气孔缺陷是铝合金电弧增材制造的主要问题。铝合金中的气孔主要是由氢引起的，并且气孔程度和含氢分子之间的相关性呈近似线性。对铝合金内部气孔形态和数量进行定量的统计分析，来了解沉积参数对其的影响。一般认为，层间锤击的沉积墙体具有高度细化的晶粒。观察发现，沉积墙体的中间区域主要由等轴晶体组成，沿生成方向具有均匀性。随着沉积层数的增加，柱状晶体增加，并且沿生成方向生长。电弧增材制造熔池中的洛伦兹力、温度梯度剪切应力、等离子体剪切应力和熔池表面热流分布和常规增材制造不同。因此，实时记录沉积电流、电压、材料热循环和高速电弧图像可用于理解熔池力学行为以及气孔形成机制。沉积墙体的结构组织受到调幅工艺的强烈影响。电弧增材制造沉积墙体的结构优化和组织均匀化可由后续成形过程完成。强化沉积墙体的结构组织和机械性能，是电弧增材制造需要克服的关键难点，利用CMT电弧增材模铸制造工艺，达到满足工业制造标准的增材结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置和方法，通过模铸铜板约束沉积路径来影响增材过程中的熔池流动和材料成型，进而改变增材制造墙体的结构组织和机械性能。

本发明提供了一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的装置，在沉积综合平台上固定设置铝合金基板，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板，所述红铜挡板之间为沉积路径；所述红铜挡板连接有电磁加热器，沉积过程中对红铜挡板进行加热。

通过设定所述红铜挡板左右两侧间距，控制沉积路径的形状尺寸。

所述红铜挡板的高度和沉积墙体的高度保持一致；所述红铜挡板的厚度和熔池的高度保持一致。

进一步的，利用温度检测仪监测所述红铜挡板的温度。

进一步的，在每叠加一层铜板时，电磁加热器需要重新对铜板进行加热，并且左右两侧挡板的加热提前设定，使铜板温度和熔池温度的差值保持在合理范围内，以减小熔池和铜板的温度差。

所述装置上方设置风冷装置，沉积后对红铜挡板和沉积墙体进行降温处理。

进一步的，降温时间提前设定，使降温效果和降温效率得到提升。在沉积墙体的温度降到合理范围内时，再进行下一次沉积，以减小沉积墙体的热输入和热变形。

本发明还提供了一种控制CMT电弧增材制造熔池流动的方法，包括：

(1)在沉积综合平台上进行CMT电弧增材模铸制造，将铝合金基板利用定位夹具固定在沉积综合平台上方，在所述铝合金基板上左右两侧间隔设置通过折叠夹具固定的红铜挡板；增材过程采用铝硅合金焊丝，同时高纯氩气保护处理；CMT沉积过程分别在X方向和Z方向上进行，X方向为沉积速度方向，Z方向为层间堆积方向；