一种可提高成形精度、改善组织性能的辅助电弧增材制造三向锤击系统

摘要

本发明涉及一种电弧增材制造过程中，利用同步随层三向锤击加工对电弧增材制造构件进行控形改性的装置和方法，所述装置由电弧增材制造系统和同步随层三向锤击系统组成。该装置可针对不同增材参数下的熔覆层熔宽和余高，配备适合大小和形状的锤头，能对电弧增材制造过程中的熔覆层上表面和两个侧面在热塑性阶段进行同步锤击，达到细化晶粒、减少气孔、形成塑性强化层从而提高构件疲劳强度的作用；同时通过对两侧表面的机械锤击提高侧表面强度，降低构件垂直沉积层和垂直两侧壁方向的各向异性；通过三向同步随层锤击还可以降低电弧增材表面的“台阶效应”，在改善构件力学性能的同时提高表面成形精度，达到对电弧增材制造过程“控形改性”的目的。

说明书

技术领域

本发明专利属于电弧增材领域，具体包含一种辅助电弧增材的三向锤击系统，能够在电弧增材制造过程中对构件进行表面精度改善和组织性能优化。

背景技术

以电弧为热源的电弧填丝增材制造技术，使用金属焊丝作为熔覆材料，以层间堆焊的方式，可生产出焊接缺陷少、力学性能优异的构件。但是该技术仍然存在表面成形精度难以满足复杂构件要求、组织性能难以控制、层间结合处偏析以及内部气孔等缺陷难以消除，需要进行二次加工等问题。

当前对电弧增材过程中的控形改性技术主要有：同步辅助冷却；超声、激光、磁场等特种能场辅助；以及随层冷热加工等。其中随层同步锤击属于第三种随层冷热加工，其原理为依靠瞬时机械力在构件表面产生一定厚度塑性变形的强化层，并细化晶粒、减少气孔，从而改善组织并提高力学性能。但常见的同步锤击辅助电弧增材装置往往只有一个垂直于沉积层上表面的锤头，只能产生垂直于沉积层方向的强化效果，不仅增大了构件的各向异性，同时由于只在垂直沉积层方向施加机械力，在热塑性状态下金属会被挤压到两侧，构件表面形态发生改变，甚至产生某些有害变形，降低表面成形精度。

因此，本发明在传统单向锤击辅助电弧增材装置基础上设计了新型的三向锤击辅助电弧增材装置，增加两侧辅助锤击以强化电弧增材构件两侧力学性能，从而减小构件的各向异性，同时来自三个方向的机械力使得沉积层获得上、下、左、右四方位约束，减小单向锤击产生的两侧加压变形，削弱“台阶效应”，从而获得力学性能优异、表面精度良好的电弧增材构件。

发明内容

常用随层锤击电弧增材制造只能改善垂直于沉积层方向的组织和性能，不仅会增大构件各向异性，且由于只在垂直沉积层方向施加机械力，在热塑性状态下金属会被挤压到两侧，构件表面形态易发生改变，甚至产生有害变形。本发明提出一种辅助电弧增材制造的三向锤击系统，通过对沉积层上表面和两侧表面的三向锤击，既能更好的强化构件力学性能，同时改善表面成形精度。

本辅助系统由增电弧材系统和同步随层三向锤击系统组成，其中同步随层三向锤击系统包括调控装置和三向复合锤击头组成，为实现以上目的，本发明设计的三向锤击系统技术特征包括如下：

(1)本发明的创新点在于：在传统单向锤击辅助电弧增材装置的基础上增加了两侧表面机械锤头，能够通过对电弧增材构件的三向锤击改善沉积层上表面以及两侧表面的组织和力学性能，减小各向异性，同时达到单向锤击不能做到的降低增材式样表面的“台阶效应”的目的。

(2)调控装置由程序控制器和控制电源组成，其中程序控制器可以调动机械臂至合适初始位置，并且设置锤击路径，所需锤击频率、锤击力大小以及锤头振幅等锤击参数。

(3)三向复合锤击头包括中心锤击头和两个两侧锤击头，三个锤头通过紧固螺纹与振动发生器连接，三个锤头可以根据不同材料参数下的熔覆层熔宽和余高等参量，配备不同大小、形状各异的锤头，从而可以使得增材构件达到最佳控形改性状态。

基于上述装置的功能，需通过如下技术步骤实现：

步骤一：通过设定材料的电弧增材预实验获得该材料电弧增材熔覆层的熔宽、余高、以及热塑性区域与焊枪之间的最远距离等特性参数。

步骤二：根据该材料电弧增材的物性参数和获得的熔覆层几何形貌等特性更换合适大小和形状的机械锤头；

步骤三：设定锤击路径，保证锤头同焊枪方位和距离契合工艺要求，能达到控形改性目的；

步骤四：设定锤击频率、冲击力大小以及锤头振幅等锤击参数；

步骤五：调整锤击系统与基板之间的距离，保证锤击能产生一定厚度的强化层又不至于产生有害、过量变形；

步骤六：调整锤击系统与焊枪之间的距离，保证正在锤击部位的电弧增材熔覆层处于热塑性状态所在温度区间的低温部分；

步骤七：按设定锤击参数空走一遍无误后，打开电弧增材系统，联合电弧增材系统再次空走一遍，确认无误之后，开始进行三向锤击辅助电弧增材制造。最终获得成形精度良好，组织性能优异的电弧增材构件。

附图1为本发明(由增材系统、同步随层三向锤击系统两个部分组成)简图。电弧增材系统在预设增材指令下在堆积基板上进行逐层熔覆；同时同步随层三向锤击系统在设定锤击参数和锤击路径下对处于热塑性状态下的沉积层进行锤击，对每一熔覆层进行“控形改性”，最终获得成形精度较高，组织性能优异的电弧增材构件。

有益效果

本发明涉及的辅助电弧增材制造的三向锤击系统，具有以下优点：

(1)通过增加对两侧表面的同步随层锤击能够同时改善两侧表面的组织，降低气孔率，并提高两侧方位力学性能，从而降低增材构件的各向异性。

(2)通过三向锤击增加了锤击过程中的机械约束，从而使得处于热塑性状态下的金属沉积层表面的“台阶效应”削弱，提高表面成形精度。

(3)工作原理简单，锤击产生的瞬时冲击相比锻造、轧制节能环保，三向锤击自由度高，操作便利，能够同时达到改善电弧增材构件的力学性能和表面成形精度的目的。

附图说明

图1一种可提高成形精度、改善组织性能的辅助电弧增材制造三向锤击系统示意图

图2三向锤击装置结构示意图

图3三向锤击装置底视图

具体实施方案

下面结合附图详细说明：

如附图1所示，本装置包括增材系统、同步随层三向锤击系统两个部分。

增材系统主要由焊接机器人(2)，包括焊枪(3)组成；同步随层三向锤击系统包括可移动机械臂(4)、三向复合锤击头(5)，三向复合锤击头(5)包括中心锤击头(6)、两侧锤击头(7)，该系统还包括程序控制器(8)以及电源(9)。

其中三向复合锤击头(5)内部结构包括同步锤击回弹装置(5-1)、振动连杆(5-2)、三角块导轨(5-3)、两侧锤击装置导轨(5-4)，其上装有可移动滑块(6-1)、固定螺栓(6-2)以及中心快拆锤头(6-3)组成的中心锤击模块。此外两侧装有三角块连杆(7-1)，上有滑块导槽(7-2)连接回弹弹簧(7-3)，与两侧快拆锤头(7-4)组成两侧锤击模块。

基于上述装置的功能，进行电弧增材制造过程进行同步随层三向锤击处理：

步骤一：通过设定材料的电弧增材预实验获得电弧增材式样的熔覆层熔宽、余高、以及热塑性区域与焊枪最远距离等特性参数。

步骤二：根据该材料电弧增材的物性参数和获得的熔覆层几何形貌等特性更换合适大小和形状的中心锤击头(6)和两侧锤击头(7)；

步骤三：设定锤击路径，保证中心锤击头(6)和两侧锤击头(7)以及焊枪(3)的方位和距离契合工艺要求；

步骤四：在程序控制器(8)设定锤击路径、锤击频率、锤击力大小以及锤头振幅；

步骤五：调整复合锤击头(5)与基板(1)之间的距离，保证锤击能产生一定厚度的强化层又不至于产生有害变形；

步骤六：调整锤击系统与焊枪(3)之间的距离，保证正在锤击部位的电弧增材熔覆层处于热塑性状态所在温度区间的低温部分；

步骤七：按设定锤击参数空走一遍无误后，打开电弧增材系统(2)和辅助三向锤击系统(4)，开始进行三向锤击辅助电弧增材制造。最终获得成形精度良好，组织性能优异的电弧增材构件。