一种电弧增材制造原位合金化方法
阅读说明：本技术 一种电弧增材制造原位合金化方法 (In-situ alloying method for electric arc additive manufacturing ) 是由 魏文逸 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电弧增材制造原位合金化方法,包括以下步骤：A、对零件数模进行分层切片,并划分相应成形轨迹,将程序代码导入到相应的成形运动执行机构中；B、选取合金粉末置于真空干燥箱内烘干；C、对成形基板进行打磨,利用丙酮清洗基板表面；D、采用焊机产生的电弧热源对铝合金丝材进行熔化,在基板上形成一层沉积层；E、将合金化粉末均匀置于已成形层表面,随后利用同样装载于成形运动执行机构的轧辊对已预置粉末的成形层进行辊压,实现合金粉末的均匀地嵌入到已成形层表面；F、交替重复步骤D和步骤E,直至最后一层成形完成,使得预置的合金粉末在熔池对流的作用下均匀分布于整个成形件内部,实现电弧增材制造的原位合金化。(The invention discloses an in-situ alloying method for electric arc additive manufacturing, which comprises the following steps: A. carrying out layered slicing on the part digifax, dividing corresponding forming tracks, and importing program codes into corresponding forming motion execution mechanisms; B. selecting alloy powder and placing the alloy powder in a vacuum drying oven for drying; C. polishing the formed substrate, and cleaning the surface of the substrate by using acetone; D. melting the aluminum alloy wire by adopting an electric arc heat source generated by a welding machine to form a deposition layer on the substrate; E. uniformly placing the alloying powder on the surface of the formed layer, and then rolling the formed layer with the preset powder by using a roller which is also loaded on a forming motion actuating mechanism to uniformly embed the alloying powder into the surface of the formed layer; F. and E, alternately repeating the step D and the step E until the last layer of formed part is finished, so that the preset alloy powder is uniformly distributed in the whole formed part under the action of molten pool convection, and the in-situ alloying of the electric arc additive manufacturing is realized.)
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体地是涉及一种电弧增材制造原位合金化方法。
背景技术
电弧增材制造技术是指采用电弧作为热源将焊丝熔化，在程序控制下利用逐层熔覆堆积的方式成形三维实体零件的方法。相比于激光及电子束等高能束作为热源的增材制造技术，电弧增材制造具有成形效率高、设备及原材料成本低、材料利用率高等优势，可用于大尺寸复杂零件的成形制造。
然而，目前市售的丝材成分主要针对焊接工艺进行配比，其对电弧增材工艺的适应性较差，且丝材的种类受到限制。目前，电弧增材制造主要依赖于添加固定种类合金丝材。虽然，现有的双丝送进技术可以一定程度上对成形件的成分进行调控，但成分的调控范围有限，限制了其在电弧增材制造技术中的应用。而原位合金化的方法可以实现电弧增材制造成形件的合金成分大范围调控，更为灵活地添加不同的合金成分，进而实现成形零件的不同性能需求。
目前，实现电弧增材制造原位合金化方法的现有专利技术文件主要包括：公开号为CN110004398A的发明专利文件公开了一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化装置及方法，该发明专利通过气体动力喷涂合金化元素粉末与电弧增材制造的逐层交替进行，实现成形件的原位合金化，优化电弧增材制造金属构件组织性能。另有，公开号为CN110629218A的发明专利文件公开了一种高熵合金细晶粒原位增材制造方法，该发明专利结合冷喷涂工艺与电弧增材工艺，采用与高熵合金焊丝匹配的高熵合金粉末，实现高熵合金电弧增材制造的原位合金化，实现高熵合金的组织与成分调控。但是，该工艺需要额外增加冷喷涂装置，且冷喷涂只通过高速气体射流冲击沉积层表面，粉末颗粒无法有效嵌入到成形层表面，容易造成脱落，从而影响合金化元素向成形件内准确添加。
此外，采用丝粉同步送进的装置及方法也是实现电弧增材原位合金化的有效措施，其主要工艺包括丝粉同轴送进及粉末旁轴送进等方式。专利号为CN201910361072.1的发明专利公开了一种硼元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，该专利通过丝材和粉末同步送进的方式实现硼元素对钛合金的原位合金化强化。公开号为CN108500266A的专利所公开的一种7000系铝合金增材制造方法及系统，同样同步粉末送进工艺实现电弧增材制造的原位合金化。但丝粉同步送进工艺中粉末送进均需要气流作为载体，合金粉末送进的同时将会对电弧的稳定性产生影响，从而影响整体成形工艺的稳定性及成形件的质量。
发明内容
本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种电弧增材制造原位合金化方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明一种电弧增材制造原位合金化方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、对零件数模进行分层切片，并划分相应成形轨迹，将程序代码导入到相应的成形运动执行机构中；
B、选取合金粉末置于真空干燥箱内烘干；
C、对成形基板进行打磨，利用丙酮清洗基板表面；
D、采用焊机产生的电弧热源对铝合金丝材进行熔化，在基板上形成一层沉积层；
E、将合金化粉末均匀置于已成形层表面，随后利用同样装载于成形运动执行机构的轧辊对已预置粉末的成形层进行辊压，实现合金粉末的均匀地嵌入到已成形层表面；
F、交替重复步骤D和步骤E，直至最后一层成形完成，使得预置的合金粉末在熔池对流的作用下均匀分布于整个成形件内部，实现电弧增材制造的原位合金化。
作为本发明的一种优选方案，在原位合金化中的焊接工艺采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）或钨极惰性气体保护焊（TIG）。
作为本发明的另一种优选方案，所述步骤B中选取的合金粉末粒度为20-50μm的合金粉末，置于真空干燥箱内烘干2h，烘干温度为120℃。
作为本发明的另一种优选方案，所述的成形运动执行机构采用六轴关节机器人或三坐标机床。
作为本发明的另一种优选方案，所述的焊机采用电弧熔丝焊枪，电弧熔丝焊枪与轧辊通过卡具同时固定于运动执行机构末端，通过变位机构实现熔丝成形用焊枪与层间辊压用轧辊的交替更换。
作为本发明的另一种优选方案，成形过程中采用矩形波短边摆动成形方式。
作为本发明的另一种优选方案，所述的成形件的层高为1.5-2.5mm。
本发明的有益效果。
1、通过本发明的辊压方法，可以实现合金粉末的原位预置，能够最大程度上实现电弧增材制造成形件的合金化。
2、本发明所述的轧辊在将预置粉末均匀化嵌入成形层表面的同时，施加的轧制力能够在成形层内引入压应力，提高表面平整性，且能够通过形变再结晶实现成形件晶粒组织的细化。
3、本发明能够实现合金粉末向成形件内的有效添加，同时不影响成形过程的稳定性，且具有操作简单，设备成本低优势。
附图说明
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
具体实施方式
，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为电弧增材沉积制造过程示意图。
图中标记：1.工作台，2.成形基板，3.已成形层，4.熔池，5.保护气，6.焊丝，7.电弧熔丝焊枪。
图2为层间预置粉末及轧制实现原位合金化示意图。
图中标记：8.轧辊，9.合金粉末预置层，10.辊压层。
具体实施方式
实施例1。
一种电弧增材制造原位合金化方法，包括以下步骤：
A、对零件数模进行分层切片，并划分相应成形轨迹，将程序代码导入到相应的成形运动执行机构中；
B、选取合金粉末置于真空干燥箱内烘干；
C、对成形基板进行打磨，利用丙酮清洗基板表面；
D、采用焊机产生的电弧热源对铝合金丝材进行熔化，在基板上形成一层沉积层；
E、将合金化粉末均匀置于已成形层表面，随后利用同样装载于成形运动执行机构的轧辊对已预置粉末的成形层进行辊压，实现合金粉末的均匀地嵌入到已成形层表面；
F、交替重复步骤D和步骤E，直至最后一层成形完成，使得预置的合金粉末在熔池对流的作用下均匀分布于整个成形件内部，实现电弧增材制造的原位合金化。
在原位合金化中的焊接工艺采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）或钨极惰性气体保护焊（TIG）；所述步骤B中选取的合金粉末粒度为20-50μm的合金粉末，置于真空干燥箱内烘干2h，烘干温度为120℃；所述的成形运动执行机构采用六轴关节机器人或三坐标机床；所述的焊机采用电弧熔丝焊枪，电弧熔丝焊枪与轧辊通过卡具同时固定于运动执行机构末端，通过变位机构实现熔丝成形用焊枪与层间辊压用轧辊的交替更换；成形过程中采用矩形波短边摆动成形方式；所述的成形件的层高为1.5-2.5mm。
实施例2。
A、首先，成形基板选用牌号为5051的铝合金基板，并在四周预置通孔，通过螺栓将基板夹紧固定于工作台上；通过砂纸与基板表面进行打磨，并通过无水乙醇及丙酮对基板表面进行清洗；采用预热平台对基板进行预热，使基板的预热温度达到200℃。
B、选用直径在10-30μm范围内的铌粉放入真空干燥箱内烘干，温度设置为120℃，烘干时间为120min；将铌粉与无水乙醇混合均匀，其中铌粉与无水乙醇的体积比为1：5，并通过玻璃棒搅拌形成悬浊液。
C、以成形铝合金薄壁墙结构为例，对零件数模进行分层切片并生成电弧增材制造轨迹，采用的运动执行机构为六轴关节机器人；电弧熔丝焊枪及轧辊均通过专有夹具固定于机器人手臂位置，且通过变位机构实现电弧熔丝焊枪于轧辊的交替切换；焊丝选用牌号为5B06的丝材；采用CMT模式，在一元化焊接模式下进行铝合金零件的成形，成形轨迹采用矩形波短边摆动方式，成形参数设置为：送丝速度8m/min、焊接速度18mm/s、摆动间距2.5mm、摆动宽度为10mm、氩气保护气的流量为20L/min，成形铝合金薄壁墙结构的总长度为150mm。
D、首先，在成形基板上进行第一层打底层的成形；成形结束后将混合好的铌粉与无水乙醇混合液预置于已成形层表面，使得成形件内的铌粉含量为0.6%。值得注意的是，为了使用于混合铌粉的无水乙醇能够快速挥发，成形的层间温度应该控制于80℃以上。
E、采用变位机构将轧辊切换至成形层起点上方，通过机器人手臂下压在轧辊于已成形层间产生辊压力，沿着薄壁墙成形件长度方向进行轧制运动，将预置于成形层表面的合金粉末均匀嵌入到成形层表面内部；轧制结束后，通过变位机构再将焊枪切换至成形层上方，开始下一层的沉积，交替进行成形沉积-粉末预置-轧制工艺，最终完成整个成形件的原位合金化。
以上所述实例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。