[發明專利]一種鋁合金電弧增材制造質量控制系統及方法

有效

• 申請號: 202010853860.5
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112008198B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 余圣甫;禹潤縝;唐論;史玉升
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/32;B23K9/10;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y50/02;B23K103/10
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 張彩錦;梁鵬

本發明屬于增材制造領域，并公開了一種鋁合金電弧增材制造質量控制系統及方法，其通過旋轉摩擦的塑性變形方式對已成形的鋁合金堆積金屬進行加工，可有效消除原堆積金屬內部可能存在的氣孔、裂紋等缺陷，同時細化鋁合金堆積金屬晶粒及沉淀相，提高力學性能，克服了鋁合金電弧增材制造時成形質量難以有效控制的問題，完全不同于現有電弧增材制造鋁合金構件質量控制技術中的工藝優化及選配絲材的方法，具有制造效率高、成本低、成形質量穩定等優點。

技術領域

本發明屬于增材制造領域，更具體地，涉及一種鋁合金電弧增材制造質量控制系統及方法。

背景技術

鋁合金具有較低的密度，良好的導電性、導熱性、延展性，在航空、航天、船舶、兵器等領域皆有普遍應用。因此，鋁合金是一種十分重要且應用廣泛的金屬材料，電弧熔絲增材制造利用電弧熱源熔化金屬絲材，并將熔化的金屬通過層層堆積的方式成形，實現構件的制造。該制造方法成本低、效率高、污染小，可通過調控堆積工藝成形各種結構形式的大型復雜構件。因此，電弧熔絲增材制造是制造鋁合金構件的有效方法。

由于鋁合金本身的性質，電弧增材制造鋁合金構件時，易出現如下問題，惡化電弧增材制造鋁合金構件的質量：(1)電弧增材制造鋁合金構件中易存在氣孔：液態鋁合金凝固時，氫在鋁中的溶解度降低約95％，會析出大量氫氣，然而，鋁合金冷卻速度是鋼的4～7倍，電弧增材制造堆積后，鋁合金快速冷卻，氫氣泡難以充分逸出，從而導致電弧增材制造鋁合金構件中易存在氣孔；(2)電弧增材制造鋁合金構件中易存在裂紋：某些高溶質含量的鋁合金，如7系鋁合金，具有較大的凝固區間與脆性溫度區間，同時，鋁的凝固收縮率是鋼的2倍，電弧增材制造堆積后，鋁合金凝固收縮傾向較大，導致凝固時晶間切應力較大，凝固裂紋傾向較高，從而導致電弧增材制造鋁合金構件中易存在裂紋；(3)電弧增材制造鋁合金構件中晶粒及沉淀相粗大：盡管電弧增材制造為小熔池冶煉，但由于經歷了凝固過程，所得鋁合金堆積金屬呈鑄造態的大晶粒組織，與鍛造態的破碎的細晶組織相比，仍須進一步細化晶粒，以提高堆積金屬力學性能。此外，對于沉淀強化鋁合金來說，電弧增材制造后，堆積金屬中的沉淀相粒子易受較高的熱作用而粗化，降低了其細小彌散的強化作用，從而導致電弧增材制造鋁合金構件晶粒和沉淀相粗大。

如上所述，電弧增材制造鋁合金構件中易存在氣孔、裂紋、晶粒及沉淀相粗大的問題導致其無法滿足使用要求，目前解決這些問題主要是采用工藝優化和選配鋁合金絲材的方法。例如，專利CN110834133A提出了一種減少鋁合金電弧熔絲增材制造氣孔的方法，其將多個輔助電源的正極與GMA主路電源正極連接，使GMA主焊槍、多個輔助焊槍與基板間形成耦合電弧，減小堆積層熱輸入，同時控制輔助電流與總電流的比值。該專利是控制鋁合金電弧增材制造質量的工藝方法，但是，多個輔助電源與主電源間會存在電磁干擾，會使堆積電流、電壓存在較大波動，易導致鋁合金電弧增材制造成形質量不穩定。再如，CN110181192A提出了一種弧焊增材制造用鋁合金粉芯絲，其向絲材粉芯中引入Ba、Ca、Sr，以降低絲材在電弧增材制造過程中的氣孔率，同時避免堆積金屬中的氫脆現象，是控制鋁合金電弧增材制造質量的材料選配方法，但是，該絲材對不同型號鋁合金和不同電弧增材制造工藝，需要頻繁試錯配方和重復制造絲材，增加了絲材制造成本，降低了鋁合金電弧增材制造效率。

因此，有必要進一步進行研究，以獲得一種可有效控制成形質量且高效的制造系統及方法，并有效解決鋁合金構件中易存在氣孔、裂紋、晶粒及沉淀相粗大的問題。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種鋁合金電弧增材制造質量控制系統及方法，其通過旋轉摩擦致使鋁合金堆積金屬發生塑性變形的方式，對已成形的堆積金屬進行加工，可有效消除原堆積金屬內部可能存在的氣孔、裂紋等缺陷，同時細化鋁合金堆積金屬晶粒及沉淀相，提高力學性能，克服了鋁合金電弧增材制造時成形質量難以有效控制的問題，完全不同于現有電弧增材制造鋁合金構件質量控制技術中的工藝優化及選配絲材的方法，具有制造效率高、成本低、成形質量穩定等優點。