[發明專利]一種超聲輔助的電弧增材制造方法

有效

• 申請號: 202110521134.8
• 申請日: 2021-05-13
• 公開（公告）號: CN113102862B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 游國強;李琪;姚繁錦;周凱旋;彭力真
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/28;B23K20/10;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 重慶信航知識產權代理有限公司 50218
• 代理人: 穆祥維

本發明公開了一種超聲輔助的電弧增材制造方法，其特征在于，在進行電弧增材制造時，將具有往復超聲振動特征的攪拌針插入到增材制造熔池中，并隨熔池同步移動，對熔池金屬的凝固過程實施超聲振動和攪拌，改善其凝固組織和力學性能。本發明具有能夠在電弧增材制造過程中更好地引入超聲輔助，提高超聲作用效果，以改善電弧增材制造材料或零件的組織和力學性能的優點。

技術領域

本發明涉及增材制造領域，特別涉及超聲輔助的電弧增材制造方法。

背景技術

近年來，在資源節約及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技術在復雜形狀薄壁件的制造上呈現出廣闊的應用前景。隨著航空航天、國防軍工、軌道交通等關鍵技術領域對致密金屬零件的性能、精度、制造成本和周期的要求日趨苛刻，亟需開展相關研究以突破并掌握金屬零件直接成形技術。電弧增材制造多采用熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)以及等離子體焊接(PA)等電弧為熱源，添加絲材，在程序控制下，根據三維數字模型由線-面-體逐漸成形出金屬零件，主要特點是沉積效率和絲材利用率高、整體制造周期短(沉積速率可以達到1kg/h)、成本低，還具有原位復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)。但是電弧增材制造的堆積層實質上就是焊絲熔化后的凝固組織，與電弧堆焊組織類似，組織往往出現不均勻現象，而且在熔合線附近的凝固組織容易長成粗大柱狀晶；此外，還可能出現氣孔等缺陷，導致增材制造堆積層性能不佳，難以獲得高性能的增材制造材料或零件。

針對上述問題，CN106363173A和CN111215843A的兩篇專利分別公布了一種超聲波輔助激光焊增材制造的裝置及使用方法和一種電弧增材制造熱碾壓的制造方法及裝置，雖然在一定程度上減少了氣孔缺陷，提高了焊縫質量。但仍然存在一下問題：激光焊設備結構較復雜，工藝流程，操作步驟繁瑣，成本較高；熱碾壓設備采用焊后多次碾壓，工序復雜，影響生產效率。

此外，CN102794542A和CN101239415A的兩篇專利均公開了一種在焊接過程中利用外界震源使焊絲震動以減少焊接氣孔的焊接方法，震動絲對焊接氣孔的產生有一定改善，但存在一些問題：1)焊絲的融化位置在熔池上方，對熔池的攪拌作用有限；2)震動的焊絲使得焊接電弧隨之震動，易造成焊絲穩弧性差，甚至熄弧，從而影響了焊縫的成型質量。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：怎樣提供一種能夠在電弧增材制造過程中更好地引入超聲輔助，提高超聲作用效果，以改善電弧增材制造材料或零件的組織和力學性能的超聲輔助的電弧增材制造方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：

一種超聲輔助的電弧增材制造方法，其特征在于，在進行電弧增材制造時，將具有往復超聲振動特征的攪拌針插入到增材制造熔池中，并隨熔池同步移動，對熔池金屬的凝固過程實施超聲振動和攪拌，改善其凝固組織和力學性能。

這樣，本方法中在電弧增材制造時，直接對熔池插入振動狀態的攪拌針，通過攪拌針對熔池引入超聲振動，能夠更好地利用超聲振動的空化效應和振動效應，減少焊接氣孔，細化晶粒，提高焊接區域熔池邊緣和非焊接區域在結晶過程中的結合強度，改善熔池金屬凝固組織和力學性能。相較于其他超聲振動方式，如加載于基底母材或通過電弧加載等，本發明的超聲振動加載方式對熔池的超聲振動更加直接，而且還有很好的機械攪拌作用，對熔池金屬凝固組織和力學性能的改善效果更佳。

作為優化，所述攪拌針采用金屬鎢或者鎢合金。

這樣，能夠更好地保證攪拌針不會和熔池金屬產生反應。

作為優化，攪拌針振動方向為沿自身軸向。

這樣，攪拌針作用于熔池只會帶動熔池中液體金屬在一定區域范圍內做高頻的往復振動，攪拌針是依靠振動對熔池產生出類似攪拌的效果(實際并不是常規意義上的攪拌)，以減少焊接氣孔，提高分子級別的焊接材料結合致密性，進而改善焊接區域力學性能，提高焊接效果。