[发明专利]一种电弧填丝和滚压复合增材制造方法和装置

说明书

本发明涉及一种增材制造方法和装置，具体涉及一种电弧填丝和滚压复合增材制造方法和装置。本发明在工作时，将基板固定在焊接工作台上，通过控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成焊层，同时通过温度传感器对焊层的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，并且控制器控制滚轮对焊层表面进行同步滚压强化，在工件制造过程中细化金属晶粒，引入残余压应力层，降低表面粗糙度，改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，避免普通电弧增材制造成形金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属工件的综合机械力学性能。

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法和装置，具体涉及一种电弧填丝和滚压复合增材制造方法和装置。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除及切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。因此在航空航天、汽车、模具、生物医疗等高端制造领域具有广阔的应用前景。根据载能束的区别，金属增材制造可分为激光、电子束和电弧三类。电弧填丝增材制造技术适于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形，是与目前发展较成熟的激光、电子束增材制造方法优势互补的增材成形技术。

滚压(Rolling)作为一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，利用滚压工具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到工件表面粗糙值降低。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。

电弧填丝增材制造(Wire+Arc Additive Manufacturing，WAAM)技术采用电弧作为热源，通过不断熔化填充丝材并根据目标构件的数字模型沿成形轨迹逐层堆积出金属零件，具有成形尺寸大、设备成本低、材料利用率和沉积效率高等优点，是一种可实现高性能金属零件经济快速成形的方法。但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量，导致零件严重翘曲变形和开裂。另外，工艺参数、外部环境和熔池状态的变化都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松等。这些内部缺陷是承力结构致命的疲劳萌生源，其影响最终成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。

发明内容

本发明的目的之一，为了解决上述问题，本发明提出了一种电弧填丝和滚压复合增材制造方法，包括以下步骤：

1)采用碱性溶液清洗基板表面以去除油污，然后打磨去除基板表面的氧化膜并用丙酮擦拭干。

2)基板通过夹具固定在焊接工作台上，通过控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成焊层，其中电弧填丝增材制造参数包括送丝速度为6～10m/min；焊接电流为95～140A；焊接速度为7～12mm/s；单道焊缝的宽度为5～10mm，单道焊缝的高度为1.3～2mm；并且增材制造过程中用99.999％高纯氩进行正面保护，气体流量为18～20L/min。

3)通过温度传感器对焊层的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，当焊层表面温度冷却到金属再结晶温度范围时，控制器根据成形件单层层高确定滚压载荷，使单层层高与滚压载荷相匹配，即滚压载荷可以满足焊层的强化要求，再控制滚轮对焊层表面进行同步滚压强化，使焊层表面粗糙度Ra≤0.08μm；

具体来说，单层层高控制在1.3到2mm，对应载滚压荷控制在30到70KN。