[发明专利]一种超声辅助的电弧增材制造方法

说明书

本发明公开了一种超声辅助的电弧增材制造方法，其特征在于，在进行电弧增材制造时，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实施超声振动和搅拌，改善其凝固组织和力学性能。本发明具有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，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，特别涉及超声辅助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)。但是电弧增材制造的堆积层实质上就是焊丝熔化后的凝固组织，与电弧堆焊组织类似，组织往往出现不均匀现象，而且在熔合线附近的凝固组织容易长成粗大柱状晶；此外，还可能出现气孔等缺陷，导致增材制造堆积层性能不佳，难以获得高性能的增材制造材料或零件。

针对上述问题，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，工序复杂，影响生产效率。

此外，CN102794542A和CN101239415A的两篇专利均公开了一种在焊接过程中利用外界震源使焊丝震动以减少焊接气孔的焊接方法，震动丝对焊接气孔的产生有一定改善，但存在一些问题：1)焊丝的融化位置在熔池上方，对熔池的搅拌作用有限；2)震动的焊丝使得焊接电弧随之震动，易造成焊丝稳弧性差，甚至熄弧，从而影响了焊缝的成型质量。

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，以改善电弧增材制造材料或零件的组织和力学性能的超声辅助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：

一种超声辅助的电弧增材制造方法，其特征在于，在进行电弧增材制造时，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实施超声振动和搅拌，改善其凝固组织和力学性能。

这样，本方法中在电弧增材制造时，直接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。

作为优化，所述搅拌针采用金属钨或者钨合金。

这样，能够更好地保证搅拌针不会和熔池金属产生反应。

作为优化，搅拌针振动方向为沿自身轴向。

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。