CN111215898A - 一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法，属于3D打印技术领域，本发明的复合加工装置主要分为增材制造装置、超声振动热轧装置、液氮冷却装置，其中在在电弧增材制造过程中，增加超声振动异形辊轮，辊轮的外形根据电弧增材制造的成形特点设计成点阵式异形辊轮、螺旋式异形辊轮、斜齿轮式异形辊轮三种不同模式的异形轮；该装置在采用超声冲击的同时，通过使用超声冲击异形辊轮和液氮冷却装置，利用本发明装置的加工方法能够使电弧增材制造成形件内部气孔减少、热积累影响降低、晶粒细化从而提高力学性能。

Description

一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体是一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法。

背景技术

传统增材制造技术是以计算机为辅助，以送丝或铺粉的方式，借助高能光束（激光、电弧、等离子等）产生的高温热源，将原材料变为熔融状态以实现逐层熔敷从而达到无模具，快速成型零件的目的。相比其他的增材制造技术，电弧增材具有成本低、熔敷效率高、成型尺寸无限制等优点，在大规格结构件制造中具有广阔的应用前景。但是，目前的电弧增材制造技术在金属成形的控形及控性方面仍存在着较大的不足。电弧增材制造是一种逐层堆叠的加工模式，由于加工过程的热积累作用，使得先成型的部分产生一定的温度梯度，令其内部产生残余应力，导致成型件产生翘曲，内部晶粒粗化，气孔增多而降低整体的力学性能。为此，若能在成形过程中及时地对其进行加工处理，可有望大大改进产品力学性能，进一步提升其制造精度。

轧制作为一种塑性加工工艺，通过轧辊对金属表面施加压力，使材料产生塑性变形，能显著降低电弧增材制造过程中沉积层表面的粗糙度；同时还可以破坏粗大柱状晶柱，提高材料表面强度及硬度,同时在材料内部积累大量变形能。在下一层的沉积过程中，电弧沉积的热量达到再结晶温度时，会诱导材料发生再结晶，细化晶粒，从而提高材料力学性能及改良各向异性。同时，针对性能不同的材料，滚压所造成的影响也不尽相同，有些金属的塑性变形能力较差，加工时无法完全碎化晶粒，这时就需要对设备的负载能力提出更高的要求。

CN109623100A中说明了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，采用超声冲击强化，超声冲击处理技术的主要驱动能量是大功率超声。它主要借助压电陶瓷和磁致伸缩换能器，使电能得到有效转化，最终变成机械能。通过变幅聚能后，对焊接表面进行冲击碰撞，材料的表面形成局部的塑性变形，有效降低焊接的残余应力，减小焊趾变形，提高其主要的抗疲劳性能。 超声振动驱动症状的超声表面强化技术也可以被称作超声冲击处理技术，而超声振动驱动丸粒的超声表面强化技术还可以被称作超声喷丸强化技术。在电弧增材制造过程中可有效细化晶粒，排出金属内气泡，降低残余应力，提高材料力学性能。但是对于刚降温的熔融金属，在上方进行锤击，容易使金属产生向两侧的位移，从而不太容易控制形状。没有采用速冷装置，使金属无法快速降温，保持更好的性能，而且熔融态金属流动性强，如果不进行快速降温，熔融状态的金属流向的不确定性会导致成品形状与设计有出入，成形精度差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法，本发明的装置在采用超声冲击的同时，通过使用超声冲击异形辊轮和液氮冷却装置，利用本发明装置的加工方法能够使电弧增材制造成形件内部气孔减少、热积累影响降低、晶粒细化从而提高力学性能。

本发明是这样实现的：

一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置，包括增材制造打印件，在基板上按预设路径逐层沉积而成的打印件，所述的增材制造打印件上方分别设置有第一机械臂以及第二机械臂；所述的第一机械臂上安装有液氮冷却装置以及超声冲击头；所述的第二机械臂上安装有焊枪；所述的超声振动热轧装置包括超声波发生器、异形辊轮、超声冲击头，所述的异形辊轮设置在超声冲击头的头部。传统的超声振动冲击装置枪头通过针状冲击头对焊道进行冲击。本发明的超声冲击头的枪头设计为三种不同辊轮表面的异形辊轮；该辊轮连接在超声冲击头上实现超声振动碾压，对焊道进行碾压和超声振动作用能够细化晶粒以及减少材料内部缺陷，从而提高力学性能。

异形辊轮在滚压的过程中进一步增加了塑性变形以获得更加细小的等轴晶组织。辊轧的同时对焊道表面进行振动冲击使焊道表面发生微变形不仅有利于减少内部气孔，而且上下层积层交错堆叠有利于提高抗拉强度。

所述的异形辊轮设置为H型，辊轮边缘设计有高于轧制位置的侧边，侧边能够在轧制过程中保持焊道不发生大的变形，从而是轧制后的焊道有较高的成形精度。所述的异形辊轮分为点阵式异形辊轮、螺旋式异形辊轮、斜齿轮式异形辊轮三种不同模式；所述的点阵式异形辊轮为在辊轮表面设置若干锤状凸起，锤状凸起能够加大点阵式异形辊轮表面压强，以及焊道表面微变形增加位错密度；所述的螺旋式异形辊轮为在辊轮表面设置横向螺旋式凸起；斜齿轮式异形辊轮为在辊轮表面设置纵向横条凸起。螺旋式异形辊轮和斜齿轮式异形辊轮表面的斜向设计的可以增加剪切变形，这样能提高力学性能，两种方式的剪切力方向不一样，一个横向剪切力，一个纵向剪切力。

进一步，所述的增材制造打印件置于工作台的上方。

进一步，所述的液氮冷却装置在加工装置外连接于液氮钢瓶。液氮冷却装置主要是由液氮喷气口、调速阀、流量表、导管、液氮钢瓶、气泵组成。液氮喷气口的流量主要是根据焊道温度的高低通过调速阀进行控制。

进一步，所述的焊枪分别连接有送丝机、CMT焊机、氩气瓶。送丝机是中空的橡胶管，可以走丝；CMT焊机就是电线连接，提供焊接电流；氩气瓶也是气管连接，焊接的时候提供保护气隔绝氧气，防止氧化。

本发明还公开了一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置的加工方法，其特征在于，所述的方法步骤如下：

步骤一、首先将超声振动热轧装置中的异形辊轮、超声冲击头和液氮冷却装置安装在第一机械臂上，焊枪安装在第二机械臂上，然后将全部的设备打开后，将轨迹程序导入到第一机械臂、第二机械臂的控制器中，并完成调试，准备进行焊接；

步骤二、焊枪按照零件分层设计的轨迹进行移动并打印，超声冲击头与焊枪保持距离，按照同样的轨迹进行移动；

步骤三、H型的异形辊轮对焊道表面进行热轧冲击作用，焊道组织密实并产生微变形；

步骤四、液氮冷却装置同时与超声振动热轧装置开启，对焊道进行速冷，所述的液氮冷却装置装有流量表、调速阀，根据焊道温度调节液氮冷却装置中的液氮流量大小；热轧冲击后的焊道温度较高，易造成组织晶粒生长粗大，因此需要液氮冷却装置的冷却。

步骤五、待增材制造打印件冷却，关闭液氮冷却装置，关闭其他所有设备，取出打印件。

本发相较于现有技术的有益效果在于：

本发明的装置及方法可有效解决上方锤击时，金属快速冷却的问题，在金属强化的同时进一步的对金属进行二次强化及控形；具体的，第一次强化是超声冲击碾压会细化晶粒，对材料性能有强化作用；第二次强化是利用液氮快速冷却液会对材料性能有提升，快速冷却相当于对材料做了一个热处理；

本发明在采用超声冲击的同时，通过使用超声冲击异形辊轮和液氮冷却装置，在金属铺层上侧进行冲击和冷却，不仅可以在零件成形的同时对其进行初次表面加工处理，还可以通过液氮气体对铺层进行冷却强化，快速成形，能更充分的使金属的内部缺陷得到消除，从而得到更加优良的电弧增材产品；

本发明采用的三种不同的点阵式异形辊轮、螺旋式异形辊轮、斜齿轮式异形辊轮，其中点阵式异形辊轮表面增加锤状凸起起超声锤击作用，单位压强大，更利于把沉积层中微小气泡挤出；螺旋式异形辊轮可以增加切向塑性形变，晶粒更加细化，增强材料力学性能，减少金属缺陷；斜齿轮式异形辊轮可以增加纵向塑形变形，当半熔融状态的沉积层剪切应力大于抗剪强度时，可以使晶粒重新排列，压密变实。三种异形辊轮均会对焊道表面造成微变形，使得沉积层之间相互交错，有效提升材料抗拉强度。利用液氮使得超声冲击和快速冷却两个强化工艺同步进行；

本发明在电弧增材制造过程中对成形零件进行热轧处理中，热轧工艺破坏金属材料的原始组织，细化晶粒，并消除显微组织缺陷，从而使成形件组织密实，力学性能得到改善；对原本成形过程中可能出现的气泡、裂纹和疏松，也可以在高温和压力作用下被焊合。同时对焊道施加超声振动锤击，振动锤击部位有利于改善残余应力状态，降低应力集中，提高疲劳强度。超声振动也有利于减少内部缺陷，提高成形件力学性能。成形过程中存在的热积累影响导致成形件温度逐步升高，成形精度差，零件组织粗大。液氮冷却装置对热轧后的焊道进行速冷，能够有效降低成形件的温度，防止晶粒生长粗大。液氮没有导电性，可以直接作用于零件表面进行降温，且对电极没有影响。

附图说明

图1为本发明一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置整体装置图；

图2为本发明超声振动辊轮及液氮冷却装置等轴侧视图；

图3为本发明点阵式异形辊轮的主视图及等轴侧视图；

图4为本发明螺旋式异形辊轮的主视图及等轴侧视图；

图5为本发明斜齿轮式异形辊轮的主视图及等轴侧视图；

其中：1-液氮钢瓶；2-超声发生器；3-液氮冷却装置；4-异形辊轮；5-第二机械臂；6-超声冲击头；7-焊枪；8-第一机械臂；9-增材制造打印件；10-工作台；11-送丝机；12-CMT焊机；13-氩气瓶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~2所示，本发明的电弧增材制造同步超声热轧及速冷复合加工装置主要分为增材制造装置、超声振动热轧装置、液氮冷却装置，液氮冷却装置3在加工装置外连接于液氮钢瓶1。增材制造装置主要包括增材制造打印件9，超声振动热轧装置包括超声波发生器2、异形辊轮4、超声冲击头6，将异形辊轮4设置于超声冲击头6的头部。主要的部件以及连接关系具体为：增材制造打印件9置于工作台10的上方；增材制造打印件9上方分别设置有第一机械臂5以及第二机械臂8；所述的第一机械臂5上安装有液氮冷却装置3以及超声振动热轧装置；所述的第二机械臂8上安装有焊枪7，焊枪7分别连接有送丝机11、CMT焊机12、氩气瓶13。在电弧增材制造过程中，增加一个超声振动异形辊轮，辊轮的外形根据电弧增材制造的成形特点设计成异形轮，本发明的异形轮为三种不同的能够增加材料塑性变形的辊轮类型，分别如如图3~5所示。为了防止焊道在冲击下变形过大，异形辊轮设计成H型，防止材料流向焊道两侧。

如图3~5所示，图3为本发明点阵式异形辊轮的主视图及等轴侧视图；图4为本发明螺旋式异形辊轮的主视图及等轴侧视图；图5为本发明斜齿轮式异形辊轮的主视图及等轴侧视图；图3所示的辊轮表面增加锤状凸起起超声锤击作用，单位压强大，更利于把沉积层中微小气泡挤出；图4所示的螺旋式异形辊轮可以增加切向塑性形变，晶粒更加细化，增强材料力学性能，减少金属缺陷；图5所示的斜齿轮式异形辊轮可以增加纵向塑形变形，当半熔融状态的沉积层剪切应力大于抗剪强度时，可以使晶粒重新排列，压密变实。三种异形辊轮均会对焊道表面造成微变形，使得沉积层之间相互交错，有效提升材料抗拉强度。利用液氮使得超声冲击和快速冷却两个强化工艺同步进行。

利用本发明的电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置的加工方法，具体步骤如下：

步骤一：首先将超声振动热轧装置和液氮冷却装置3安装在第一机械臂5上，焊枪7安装在第二机械臂8上，然后将所使用的设备全部打开后，将轨迹程序导入到第一机械臂5、第二机械臂8上的控制器中，并完成调试，准备进行焊接；

步骤二：焊枪7按照零件分层设计的轨迹进行移动并打印，超声振动辊轮与焊枪保持一定距离，按照同样的轨迹进行移动；

步骤三：辊轮对焊道表面进行热轧冲击作用，焊道组织密实并产生一定的微变形。

步骤四：热轧冲击后的焊道温度较高，易造成组织晶粒生长粗大。通过液氮冷却装置可以有效对焊道进行速冷。液氮冷却装置装有流量表，调速阀可以根据焊道温度调节液氮流量大小。

步骤五：待增材制造打印件9冷却，关闭液氮冷却装置3，关闭所有设备，卸除压板取出打印件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置，包括增材制造打印件（9），其特征在于，在基板上按预设路径逐层沉积而成的打印件，所述的增材制造打印件（9）上方分别设置有第一机械臂（5）以及第二机械臂（8）；所述的第一机械臂（5）上安装有液氮冷却装置（3）以及超声冲击头（6）；所述的第二机械臂（8）上安装有焊枪（7）；所述的超声振动热轧装置包括超声波发生器（2）、异形辊轮（4）、超声冲击头（6），所述的异形辊轮（4）位于超声冲击头（6）的头部；所述的异形辊轮（4）设置为H型，所述的异形辊轮（4）分为点阵式异形辊轮、螺旋式异形辊轮、斜齿轮式异形辊轮三种不同模式；所述的点阵式异形辊轮为在辊轮表面设置若干锤状凸起；所述的螺旋式异形辊轮为在辊轮表面设置横向螺旋式凸起；斜齿轮式异形辊轮为在辊轮表面设置纵向横条凸起。

2.根据权利要求1所述的一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置，其特征在于，所述的增材制造打印件（9）置于工作台（10）的上方。

3.根据权利要求1所述的一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置，其特征在于，所述的液氮冷却装置（3）在加工装置外连接于液氮钢瓶（1）。

4.根据权利要求1所述的一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置，其特征在于，所述的焊枪（7）分别连接有送丝机（11）、CMT焊机（12）、氩气瓶（13）。

5.根据权利要求1~4任一所述的一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置的加工方法，其特征在于，所述的方法步骤如下：

步骤一、首先将异形辊轮（4）、超声冲击头（6）和液氮冷却装置（3）安装在第一机械臂（5）上，焊枪（7）安装在第二机械臂（8）上，然后将全部的设备打开后，将轨迹程序导入到第一机械臂（5）、第二机械臂（8）的控制器中，并完成调试，准备进行焊接；

步骤二、焊枪（7）按照零件分层设计的轨迹进行移动并打印，超声冲击头（6）与焊枪（7）保持距离，按照同样的轨迹进行移动；

步骤三、H型的异形辊轮（4）对焊道表面进行热轧冲击作用，焊道组织密实并产生微变形；

步骤四、液氮冷却装置（3）同时与超声振动热轧装置开启，对焊道进行速冷，所述的液氮冷却装置（3）装有流量表、调速阀，根据焊道温度调节液氮冷却装置（3）中的液氮流量大小；

步骤五、待增材制造打印件（9）冷却，关闭液氮冷却装置（3），关闭其他所有设备，取出打印件。

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