一种电弧增材与激光冲击强化复合制造装置及方法
阅读说明：本技术 一种电弧增材与激光冲击强化复合制造装置及方法 (Electric arc additive and laser shock peening composite manufacturing device and method ) 是由 郭伟 李钢 郭超 李博 车志刚 李卫东 孙汝剑 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电弧增材与激光冲击强化复合制造装置及方法,包括：夹持装置、电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置、温控系统及控制系统；所述控制系统分别与所述电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置及温控系统控制连接。本发明将电弧增材制造装置和激光冲击强化装置相结合,结构设计合理,操作简单,适用性强；可有效消除了电弧增材过程中由于不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用导致的不均匀残余拉应力,细化增材构件的粗大柱状晶组织,进一步有效改善增材制造构件的微观组织和力学性能。(The invention discloses an electric arc additive and laser shock strengthening composite manufacturing device and method, which comprises the following steps: the device comprises a clamping device, an electric arc additive manufacturing device, a laser shock strengthening device, a milling device, a constraint layer laying device, a temperature control system and a control system; and the control system is respectively in control connection with the electric arc additive manufacturing device, the laser shock strengthening device, the milling device, the constraint layer laying device and the temperature control system. The electric arc additive manufacturing device and the laser shock peening device are combined, so that the electric arc additive manufacturing device is reasonable in structural design, simple to operate and high in applicability; the uneven residual tensile stress caused by uneven temperature field and cooling shrinkage after forming in the electric arc additive manufacturing process can be effectively eliminated, the coarse columnar crystal structure of the additive component is refined, and the microstructure and the mechanical property of the additive manufacturing component are further effectively improved.)
技术领域
本发明涉及增材制造和激光冲击强化技术领域，具体涉及一种电弧增材与激光冲击强化复合制造装置及方法。
背景技术
近年来，电弧增材制造技术(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)是一种采用电弧为热源熔化金属丝材，在程序的控制下采用逐层熔覆原理，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形的先进数字化制造技术。WAAM制造周期短，自动化水平高，技术成本低，生产效率高，对于零件尺寸限制较少，设备简单易操作，能够实现数字化、智能化和柔性化制造。另外，WAAM成型件由全焊缝金属组成，致密性高，力学性能好，将成为装备制造业未来的主要发展方向。然而现有的电弧增材制造技术仍存在许多问题，例如WAAM过程中由于温度梯度和冷却速度过快，极易形成不规则柱状晶组织，同时在材料内部产生残余拉应力，影响增材构件的力学性能。
激光冲击强化(Laser shock peening，LSP)作为一种新型的表面改性技术，其主要利用高功率密度(GW·cm-2量级)、短脉宽(ns量级)的激光束辐照材料表面,使吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化并形成高温高压等离子体，等离子体的受到约束层的限制形成高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生均匀密集的位错结构。同时在成型区域产生有益的残余压应力，能够有效抵消工件因机械加工形成的有害拉应力，从而提高金属构件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。
但是，如何在WAAM过程中，就能实现改善增材制造构建的微观组织和力学性能，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明是针对上述问题，提供一种电弧增材与激光冲击强化复合制造装置及方法，该装置结构紧凑、设计合理、操作简单适用性强；能够消除增材过程中不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用导致的不均匀残余拉应力，细化增材构件的粗大柱状晶组织，进一步有效改善增材制造构件的微观组织和力学性能。
为实现上述目的，一方面，本发明采取的技术方案是：一种电弧增材与激光冲击强化复合制造装置，包括：夹持装置、电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置、温控系统及控制系统；
所述控制系统分别与所述电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置及温控系统控制连接；
所述夹持装置包括：夹具和工作台；基板通过夹具固定在工作台上，且所述基板与工作台之间及基板与夹具之间均设有绝缘垫片；
所述电弧增材制造装置位于所述工作台上方的一侧；所述激光冲击强化装置位于所述工作台上方的另一侧；
所述铣削装置位于所述电弧增材制造装置与所述工作台之间；
所述约束层铺设装置位于所述工作台的一侧，与所述工作台同步移动；
所述电弧增材制造装置熔积金属，在基板上形成电弧沉积层；所述温控系统监测所述电弧沉积层的温度；当监测温度低于预设阈值时，所述控制系统驱动所述温控系统对所述基板进行加热以保证所述电弧沉积层达到退火温度。
进一步地，所述温控系统包括：分别与所述控制系统连接的红外传感器、第一液压缸和直流脉冲电源；
所述红外传感器位于所述第一液压缸上；所述直流脉冲电源的正负极通过导线与所述基板的左右电极连接。
进一步地，所述电弧增材制造装置包括：焊枪、送丝机构、导电嘴、焊接电源及焊丝加热电源；
所述控制系统与所述送丝机构控制连接，控制送丝速度；
所述焊丝加热电源一端与导电嘴连接，另一端与所述基板连接。
进一步地，所述铣削装置为：与所述控制系统控制连接的铣刀。
进一步地，所述约束层铺设装置包括：第二液压缸、导轨滑块及约束层；
所述约束层通过导轨滑块安装在所述第二液压缸上；所述第二液压缸与所述控制系统连接，在控制系统的驱动下实现约束层在垂直方向上与电弧沉积层同步移动。
进一步地，在所述电弧沉积层的垂直方向上还设有同步移动的吸收层。
进一步地，所述控制系统为PLC或工控机。
另一方面，本发明实施例还提供一种电弧增材与激光冲击强化复合制造方法，使用如上述任一项实施例所述的电弧增材与激光冲击强化复合制造装置，包括步骤：
S10，将待增材制造的基板固定在工作台上，根据所述基板需要电弧增材与激光冲击强化的尺寸和性能要求，设定电弧增材制造装置的工艺参数及激光冲击强化装置的工艺参数；
S20，控制在电弧增材制造的同时对成形件进行激光冲击强化；
S30，每完一层电弧沉积，温控系统获取电弧沉积层的温度，当温度低于预设阈值时，驱动所述温控系统对基板进行加热以保证所述电弧沉积层达到退火温度；
S40，每完预设层数的电弧沉积，控制铣削装置进行铣平表面；
S50，根据激光冲击强化装置的工艺参数，对电弧增材构件进行激光冲击强化；
S60，重复步骤S20到步骤S50，逐层沉积并强化获得预设工件形状。
进一步地，步骤S10中电弧增材制造装置的工艺参数包括焊丝直径0.8-3.2mm、电流90-120A、扫描速度50-200mm/s。
进一步地，步骤S10中所述的激光冲击强化装置的工艺参数为：激光单脉冲能量15-30J,光斑直径2-6mm,脉宽15ns,横向和纵向搭接率50％，激光波长1064nm。
本发明优点在于：
1.将电弧增材制造装置和激光冲击强化装置相结合，结构紧凑设计合理，操作简单，适用性强。
2.本发明实施例提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造的装置，其中温控系统采用红外传感器实时监测增材构件温度，利用直流脉冲电源对增材构件进行加热，防止增材构件冷却而产生过大的温度梯度。
3.本发明实施例提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造的装置，采用热丝电弧增材制造方式，通过对焊丝进行预热，降低增材过程中的温度梯度。
4.本发明实施例提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造的装置，在电弧增材过程中进行激光冲击强化，与其他表面改性技术相比，激光冲击强化功率密度大，可达性高，能够产生较深的残余应力影响层。
5.有效消除了电弧增材过程中由于不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用导致的不均匀残余拉应力，细化增材构件的粗大柱状晶组织，进一步有效改善增材制造构件的微观组织和力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造装置的结构图；
图2为本发明实施例提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造方法的原理图；
附图中：
1、第一夹具；2、第二液压缸；3、导轨滑块；4、约束层；5、第一绝缘垫片；6、基板；7、工作台；8、导线；9、直流脉冲电源；10、喷水模块；11、激光发射器；12、反射镜；13、聚焦透镜；14、第一液压缸；15、红外传感器；16、焊枪；17、导电嘴；18、送丝机构；19、焊丝加热电源；20、焊接电源；21、铣刀；22、第二夹具；23、第二绝缘垫片；24、回形水槽。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1：
本发明提供的电弧增材与激光冲击强化复合制造的装置，包括：夹持装置、电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置、温控系统及控制系统；其中，控制系统分别与电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置及温控系统控制连接；
其中夹持装置由工作台7、绝缘垫片及夹具组成，电弧增材制造装置由焊枪16、送丝机构18、导电嘴17、焊接电源20及焊丝加热电源19组成，通过控制焊枪16移动来沉积金属，形成增材构件。激光冲击强化装置由激光发射器11、反射镜12、激光光路系统的聚焦透镜13组成，实现冲击增材构件表面。铣削装置由铣刀组成，可用于铣平增材构件表面；约束层铺设装置由第二液压缸2、约束层4及导轨滑块3组成；温控系统由红外传感器15、第一液压缸14组成的实时温度监控装置、以及由直流脉冲电源9、导线8组成的电加热装置组成；通过红外传感器15监控增材构件温度，通过直流脉冲电源9对构件进行预热，以避免增材过程产生过大的温度梯度。
具体地，参照图1所示，基板6通过第一夹具1、第二夹具22固定在工作台7上；工作台7下方可设置移动机构；该移动机构在控制系统的控制下实现移动及升降，实现控制电弧增材构件基板6的前后左右移动及升降；比如随着电弧沉积层高度的增加而下降。红外传感器15位于焊枪16后方，电弧沉积层上方。约束层4通过导轨滑块3以及喷水模块10提供的吸收层均连接在电弧沉积构件平行的一侧的第二液压缸2上。直流脉冲电源9正负极通过导线8与基板6左右电极连接，在基板6与工作台7之间、基板6与夹具之间分别插入绝缘垫片。比如图1中，在第一夹具1与基板6之间设有第一绝缘片5，在第二夹具22与基板6之间设有第二绝缘片23；基板其材质比如为钛合金、铝合金、镁合金等。
本实施例中，电弧增材制造装置根据通过控制系统设定的工艺参数，通过控制焊枪16移动来沉积金属，形成增材构件；采用热丝电弧增材制造方式，控制送丝机构18的送丝速度，通过焊丝加热电源19对导电嘴17处焊丝进行预热，降低增材过程中的温度梯度。
温控系统中，红外传感器15位于第一液压缸14上；该第一液压缸14在控制系统的控制下通过升降，实现红外传感器15与电弧沉积层保持相应的距离，可准确监测金属构件电弧沉积层的温度。当温度低于预设阈值(比如600℃)时，控制低电压、大电流的直流脉冲电源9对基板6进行加热以保证电弧沉积层达到退火温度；以避免增材过程金属构件冷却产生过大的温度梯度，可降低增材过程的产生的残余拉应力，也利于后续冲击强化过程，能够提高冲击强化的效果。
比如当采用电弧增材制造装置进行二到三层沉积后，控制系统可控制铣刀22铣掉成型件1mm表面，保持其表面平整，防止影响激光冲击强化效果。同时，吸收层和约束层4由导轨滑块3及第二液压缸2在控制系统的控制下，实现垂直方向上和沉积层同步移动，及实现水平方向上的移动。在激光冲击强化过程中采用可移动约束层装置，可以大大提高冲击效果，提高生产效率。
另外，在移动工作台7周围设置了回型水槽24，防止水飞溅或淹没成形件及丝材。
而对于薄壁增材构件，为了提高生产效率，可以先进行整个构件的增材制造，然后进行退火热处理，最后对整体构件进行激光冲击强化。在电弧增材过程中进行激光冲击强化，与其他表面改性技术相比，激光冲击强化功率密度大，可达性高，能够产生较深的残余应力影响层。
其中上述控制系统比如可以是PLC控制器，PLC控制器是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器。PLC控制器可以将上述电弧增材制造装置、激光冲击强化装置、铣削装置、约束层铺设装置、温控系统的控制指令加载在内存内储存与执行。
另外，上述上述控制系统比如还可以是工控机，工控机有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。
本实施例中，在电弧增材制造过程中同时对成形件进行激光冲击强化，每二到三层焊丝沉积之后，铣平表面，再对其表面进行激光冲击强化，进而在增材的同时改善构件的性能，消除增材过程中产生的缺陷。该装置将热丝电弧增材制造，电辅助加热和激光冲击强化相结合，能够高效快速地生产预设形状的增材构件，有效地解决传统增材过程中不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用导致的不均匀残余拉应力，细化增材构件的粗大柱状晶组织，进一步有效改善增材制造构件的微观组织和力学性能。
实施例2：
本发明实施例还提供了一种电弧增材与激光冲击强化复合制造方法，能够实现电弧增材制造和激光冲击强化同步进行，以达到高效且快速改善增材构件内部微观组织，提高增材构件综合力学性能的目的。
参照图2所示，包括以下步骤：
S10，将待增材制造金属构件固定在基板上，根据所述金属构件尺寸和性能要求，设定电弧增材制造装置的工艺参数及激光冲击强化装置的工艺参数；
S20，控制在电弧增材制造的同时对成形件进行激光冲击强化；
S30，每完一层电弧沉积，温控系统获取电弧沉积层的温度，当温度低于预设阈值时，驱动所述温控系统对基板进行加热以保证所述电弧沉积层达到退火温度；
S40，每完预设层数的电弧沉积，控制铣削装置进行铣平表面；
S50，根据激光冲击强化装置的工艺参数，对电弧增材构件进行激光冲击强化；
S60，重复步骤S20到步骤S50，逐层沉积并强化获得预设工件形状。
本实施中，电弧增材制造过程中同时对成形件进行激光冲击强化，每一层焊丝沉积之后，对其表面进行激光冲击强化。参照图3所示，首先设定电弧增材制造参数及激光冲击强化工艺参数，采用电弧增材制造装置比如进行二到三层沉积，铣掉成型件1mm表面，保持其表面平整。采用温度监控装置监控温度，并加热到所需温度；加热至退火温度以下，对材料进行预热；采用约束层铺设装置铺设约束层以及吸收层，进行对单层的激光冲击强化；然后退出吸收层和约束层铺设装置，进行下一次电弧增材沉积，并重复以上步骤。
其中上述步骤S10中电弧增材制造装置的工艺参数包括焊丝直径0.8-3.2mm、电流90-120A、扫描速度50-200mm/s。步骤S10中激光冲击强化装置的工艺参数为：激光单脉冲能量15-30J,光斑直径2-6mm,脉宽15ns,横向和纵向搭接率50％，激光波长1064nm。
以基板TC17钛合金板为例，其尺寸为200mm*50mm*5mm,焊丝采用直径为1.6mm的TC17钛合金焊丝(焊丝直径范围0.8-3.2mm)，采用热丝非熔化极惰性气体保护电弧焊进行增材制造，具体实施步骤如下：
1)将电极接在基板6左右两侧，并通过导线8连接在直流脉冲电源9正负极，导线8的接头采用紫铜线耳连接。
2)通过电弧增材制造装置实现电弧逐层沉积，其中电弧增材制造的主要工艺参数为：焊接电流90A，扫描速度130mm/s。
3)每完成一层电弧沉积，打开直流脉冲电源9，对增材构件进行辅助加热，通过红外传感器15对电弧增材温度进行实时观测，维持增材构件的温度为600℃左右。
4)约束层4由第二液压缸2控制，保持和电弧增材顶层平行，进而由控制系统控制第二液压缸2升降，覆盖至电弧增材顶层，进一步提高冲击效果。喷水模块10提供吸收层，工作台周围设置的回型水槽24可收集流水。
5)采用激光冲击强化装置对增材构件进行冲击，激光冲击强化参数为：激光能量20J,光斑直径4mm,脉宽15ns,横向和纵向搭接率50％，激光波长1064nm。
重复步骤2)-5),逐层沉积并强化获得预设工件形状。
进一步地，上述步骤2)中，根据具体基本材质及预设工件形状的不同，比如可设定电弧增材制造装置参数：焊接电流100A，扫描速度50mm/min，送丝速度500mm/min；步骤5)中设定激光冲击强化装置参数：激光能量15J,光斑直径2mm,脉宽15ns,横向和纵向搭接率50％，激光波长1064nm。
在另一个可实施例中，上述步骤2)，根据具体基本材质及预设工件形状的不同，还可设定电弧增材制造装置参数：焊接电流120A，扫描速度200mm/min，送丝速度500mm/min；步骤5)中设定激光冲击强化装置参数：激光能量30J,光斑直径6mm,脉宽15ns,横向和纵向搭接率50％，激光波长1064nm。
本实施例中，能够实现电弧增材制造和激光冲击强化同步进行，以达到高效且快速改善增材构件内部微观组织，提高增材构件综合力学性能的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.采用红外传感器实时监测增材构件温度，利用直流脉冲电源对增材构件进行加热，防止增材构件冷却而产生过大的温度梯度。
2.采用热丝电弧增材制造方式，通过对焊丝进行预热，降低增材过程中的温度梯度。
3.在电弧增材过程中进行激光冲击强化，与其他表面改性技术相比，激光冲击强化功率密度大，可达性高，能够产生较深的残余应力影响层。
4.有效消除了电弧增材过程中由于不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用导致的不均匀残余拉应力，细化增材构件的粗大柱状晶组织，进一步有效改善增材制造构件的微观组织和力学性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。