电弧增材及超声碾压联合制造设备

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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，以及一种电弧增材及超声碾压联合制造设备。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、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。

4、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。

5、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。

6、这样，钢制滚轮内弧形压合面的作用是增大与增材层的接触面积，使更多超声波能量传输到熔池中，同时增加滚轮对电弧增材制造层的冷却作用。实施时，滚轮可以采用直径20mm-50mm。

7、进一步地，所述超声振动碾压滚轮对电弧增材制造层实现超声碾压的平均下压力为0.5-2.5kn，超声振动功率为50-250w。

8、该参数范围能够更好地保证超声碾压效果。实施时，滚轮和焊枪和相邻5-15mm设置。

9、进一步地，本方法依靠以下的电弧增材及超声碾压联合制造设备实现，所述电弧增材及超声碾压联合制造设备，包括一个电弧增材制造焊枪，电弧增材制造焊枪安装在一个整体沿水平设置的保持架上且焊接头一端向下，保持架上还安装有一个滚轮碾压装置，滚轮碾压装置包括一个施压装置，施压装置的伸缩臂竖直向下设置且伸缩臂下端安装钢制的超声振动碾压滚轮，超声振动碾压滚轮侧表面朝向电弧增材制造焊枪方向设置且为适应电弧增材制造层横截面形状的内凹弧形，滚轮碾压装置还包括一个滚轮用超声振动器，滚轮用超声振动器和施压装置相对固定连接并为其提供超声振动。

10、这样滚轮碾压装置能够依靠施压装置保持滚轮对电弧增材制造层施加压力，同时能够依靠滚轮用超声振动器施加超声振动，实现超声碾压效果。滚轮碾压装置和电弧增材制造焊枪安装在同一个保持架上，能够更好地保证同步随动。

11、进一步地，电弧增材制造焊枪安装在一个焊枪安装套上，焊枪安装套通过一个焊枪安装套转动调节手柄可竖向转动地安装在保持架上。

12、这样拧松焊枪安装套转动调节手柄可以转动调节焊枪安装套在竖直方向的倾斜角度，进而可以根据需要实现对焊枪角度的调节，调节到位后拧紧焊枪安装套转动调节手柄可实现固定。方案中涉及调节手柄具体实现调节紧固的结构属于成熟现有技术，可以在调节手柄上设置一个螺栓穿过焊枪安装套并和保持架上对应的螺孔配合即可实现，具体结构不在此详述。

13、进一步地，电弧增材制造焊枪可沿轴向滑动地安装在所述焊枪安装套上，焊枪安装套上还贯穿地旋接设置有焊枪紧固用螺栓实现对电弧增材制造焊枪的固定。

14、这样，可以方便调节焊枪在倾斜调整后，再调整高低位置，使其能够保持足够的熔池深度以及调节出和搅拌针相配合的相对位置。

15、进一步地，保持架呈上下宽度一致的长条形，滚轮碾压装置包括可水平滑动地套设在保持架上的一个滑套，滑套上还贯穿地旋接设置有滑套紧固用螺栓实现对滑套的固定，所述施压装置固定安装在滑套下端，所述滚轮用超声振动器固定安装在滑筒上端。

16、这样，可以更好地根据需要调节滚轮和焊枪之间的相对距离。

17、进一步地，电弧增材制造时，同时将具有往复超声振动特征的搅拌针插入到增材制造熔池中，并随熔池同步移动，对熔池金属的凝固过程直接实施超声振动和搅拌，改善其凝固组织和力学性能。

18、这样，本方法中在电弧增材制造时，进一步对熔池插入振动状态的搅拌针，通过搅拌针对熔池引入超声振动，能够更好地利用超声振动的空化效应和振动效应，减少焊接气孔，细化晶粒，提高焊接区域熔池边缘和非焊接区域在结晶过程中的结合强度，改善熔池金属凝固组织和力学性能。相较于其他超声振动方式，如加载于基底母材或通过电弧加载等，本发明的超声振动加载方式对熔池的超声振动更加直接，而且还有很好的机械搅拌作用，对熔池金属凝固组织和力学性能的改善效果更佳。

19、作为优化，所述搅拌针采用金属钨或者钨合金。

20、这样，能够更好地保证搅拌针不会和熔池金属产生反应。

21、作为优化，搅拌针振动方向为沿自身轴向。

22、这样，搅拌针作用于熔池只会带动熔池中液体金属在一定区域范围内做高频的往复振动，搅拌针是依靠振动对熔池产生出类似搅拌的效果（实际并不是常规意义上的搅拌），以减少焊接气孔，提高分子级别的焊接材料结合致密性，进而改善焊接区域力学性能，提高焊接效果。

23、作为优化，搅拌针振动频率为20-100khz，振幅为0.2-1mm。该范围的振动可以更好地保证振动对金属结晶为良性的影响，避免振动过大反而影响结晶，降低焊接质量。

24、作为一种选择，焊接时电弧增材制造焊枪沿垂直于熔池所在产品平面方向布置，搅拌针从电弧增材制造焊枪行进方向的前方或者后方斜向下插入到熔池中部下方实现超声振动。

25、这样是因为常规电弧增材制造时焊枪是沿垂直于产品平面方向布置，故此种方式在常规电弧增材制造工艺控制过程的基础上直接增加搅拌针引入超声振动即可实施，无需再调整电弧增材制造焊枪的控制程序，方便实施应用。

26、作为另一种选择，焊接时电弧增材制造焊枪布置为上端沿电弧增材制造焊枪行进方向的前方倾斜布置，搅拌针布置在电弧增材制造焊枪后方并垂直向下插入到增材制造熔池中部实现超声振动。

27、这样，电弧增材制造焊枪上端沿行进方向倾斜，可以更好地为熔池前方的待加工区域预热，同时可以为搅拌针让出沿熔池正中间位置垂直布置的空间，搅拌针垂直布置于熔池中部位置后，其超声振动可以非常均匀地传递作用到整个熔池，避免超声振动在熔池中传递不均匀导致对金属结晶融合效果的影响，极大地提高了产品成形质量。

28、本方法中增加采用搅拌针对熔池直接进行超声振动搅拌的步骤后，可以采用以下的设备实现，即在上述电弧增材及超声碾压联合制造设备的基础上，在保持架上还安装有一个振动搅拌装置，振动搅拌装置包括一个搅拌针用超声振动器，搅拌针用超声振动器下端向下设置有一根搅拌针，搅拌针用超声振动器能够为搅拌针提供沿轴向的振动。

29、这样，焊枪和振动搅拌装置安装在同一个保持架上，能够更好地保证搅拌针跟随焊枪同步实现振动搅拌。

30、进一步地，所述搅拌针用超声振动器竖向安装在一个振动器安装套上，振动器安装套通过一个振动器安装套振动调节手柄可竖向转动地安装在一个滑动套上，滑动套可水平滑动地安装在保持架上。

31、这样，可以方便根据需要调节搅拌针的倾斜角度，使其形成垂直于熔池方向布置，或者倾斜布置，也可以方便调节搅拌针相对于焊枪的前后距离，使其下端能够更好地位于熔池中部位置。振动器安装套振动调节手柄的调节结构可以和焊枪安装套转动调节手柄一致，不在此详述。

32、进一步地，保持架呈上下宽度一致的长条形，滑动套可水平滑动地套接安装在保持架上，滑动套上还贯穿地旋接设置有滑动套紧固用螺栓实现对滑动套的固定。

33、这样，更加方便调节并固定搅拌针的前后位置。

34、进一步地，搅拌针用超声振动器通过消振弹簧安装在振动器安装套上。

35、这样，消振弹簧作用于搅拌针用超声振动器和振动器安装套之间，能够避免超声振动通过振动器安装套传递到保持架上，进而造成焊枪的振动。能够更好地保持焊枪的工作稳定。

36、进一步地，搅拌针用超声振动器为气动搅拌针用超声振动器。

37、这样具有效果稳定，利于控制，方便实施且超声振动对保持架反作用影响效果小的优点。而且气动式超声振动源，对热和高温的容忍程度高得多，更适合电弧增材制造这样的高温工况。

38、进一步地，保持架固定安装在电弧增材制造专用机器人的机械臂上。

39、这样方便通过机器人计算机控制实现对产品的自动电弧增材制造。

40、进一步地，搅拌针下端具有一圈水平外凸的凸起。

41、这样，在搅拌针沿轴向上下振动时，该凸起能够对熔池起到极大的振动增幅作用，提高超声振动效果。具体实施时，该凸起外凸距离不宜过大，一般可以控制在搅拌针三倍直径以内，具体大小可根据试验验证获得。

42、进一步地，所述凸起为周向均匀布置的多个，每个凸起的上表面和下表面分别设置为反向对称的倾斜面或者螺旋叶面。

43、这样，随着搅拌针沿轴向的往复振动，凸起的上下表面在往复运动时会形成在周向上往复回旋地向外推动金属液的作用效果，进而对金属液产生沿轴向方向的振动的同时产生一个沿圆周方向的往复振动，其中轴向方向的振动可以更好地作用于熔池底部，沿圆周方向的振动可以更好地作用于熔池周壁，双重振动对金属液熔池形成一个复合的高频振动效果，极大地提高了熔池对周壁金属的结合性，可以更好地细化金属结晶组织，提高振动对金属结晶融合效果的影响，提高了产品的成形质量。

44、故本发明的方案进一步在电弧增材制造中引入了超声振动搅拌，一方面能够打碎生长中的柱状晶，使晶粒得到细化和均匀化，另一方面能够促进熔池中气体溢出，降低气孔率，二者综合作用极大地改善了电弧增材制造材料或零件的力学性能。

45、综上所述，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。