[发明专利]一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置

说明书

本发明涉及一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置，本发明方法是将基板固定在工作台上，通过焊枪运动及送丝机构完成电弧沉积，沉积一层或多层后，打开直流脉冲电源对基板及沉积层进行加热，加热到预定的温度时，采用轧辊对沉积层表面进行热轧成形。本发明的装置包括基板、夹具、工作台、焊枪、送丝机构、温度传感器、轧辊、轧制加载单元、液压缸、电极、导线、直流脉冲电源、绝缘垫片。本发明将外加电场辅助加热、热轧塑性变形与电弧增材过程有机结合，采用的脉冲电源加热可降低材料变形抗力和提高材料塑性，通过电、热、力多场耦合作用细化沉积层晶粒，改善组织，消减电弧增材制造缺陷，降低沉积层残余应力，提升材料综合力学性能。

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法和装置，具体涉及一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置。

背景技术

电弧增材制造是一种以电弧或等离子弧为热源的增材制造技术，与激光、电子束增材制造相比，电弧增材制造技术以丝材为成形材料，材料利用率和沉积效率高，设备制造成本低，无需密闭真空腔，在大规格结构件制造中具有广阔的应用前景。然而，由于电弧输入热量高，电弧沉积过程中材料内部出现垂直于沉积方向的粗大柱状晶，不均匀组织结构会显著降低材料力学性能，引起材料各向异性，即使通过调控成形工艺参数和后续热处理工艺，仍无法完全消除粗大柱状晶组织，该问题降低了电弧增材过程中整体结构件的力学性能，从而限制了其在工业中的应用。

轧制作为一种塑性加工工艺，通过轧辊对金属表面施加大压力，使材料产生大塑性变形，能显著降低电弧增材过程中沉积层表面的粗糙度；同时，轧制变形能破碎粗大柱状晶组织，显著提高沉积层的硬度和强度，在材料内部积累大量变形能，在下一层电弧沉积过程中，电弧沉积的热量达到材料的再结晶温度时，会诱导材料发生再结晶过程，细化晶粒，从而提升材料力学性能及改善各向异性。然而，对于某些室温高强度低塑性金属材料，如钛合金、高温合金等，冷轧产生的塑性变形深度有限，无法完全破碎柱状晶组织，同时对轧制设备的负载能力也提出了更高的要求。

电流辅助成形工艺是指将焦耳热效应及电塑性效应应用到塑性成形工艺中，进而大幅提高材料成形极限和成形质量的工艺。当电流通过金属时，利用金属材料本身内阻，通过焦耳效应使材料迅速升温；同时脉冲电流引起的电塑性效应能极大降低材料的变形抗力和提高材料塑性。电流辅助加热具有快速、高效、精确、绿色等特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种将电弧增材与电辅助热轧成形同步复合制造的方法和装置。本发明针对常温高强度低塑性难成形金属材料，提供一种易操作、高精度、高效率、低成本的复合制造方法和装置，提高成形精度与材料利用率，同时显著细化晶粒、改善微观组织、提高材料的综合力学性能。

为解决以上所述问题，本发明提出了一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法，主要包括以下步骤：

1)对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗表面。

2)在基板与工作台之间、基板与夹具之间插入绝缘垫片，并固定。

3)将电极连接在基板两侧，并通过导线连接在直流脉冲电源正负极；

4)通过控制焊枪移动和送丝机构配合运动，实现电弧增材沉积层；

5)每完成一层或者多层沉积后，打开直流脉冲电源对基板及沉积层进行电辅助加热，通过温度传感器测定沉积层表面温度；当沉积层表面温度达到预定的热成形温度时，轧制压下装置带动轧辊对沉积层表面进行轧制压缩变形；

6)重复步骤4)和5)，通过逐层堆积从而形成预定的工件形状。