[发明专利]一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法

说明书

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法，所述装置包括熔积能量源、柔性夹具及电磁冲击发生机构，所述电磁冲击发生机构通过所述柔性夹具连接于所述熔积能量源，所述电磁冲击发生机构与所述熔积能量源同步移动；所述熔积能量源以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生脉冲电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区进行电磁冲击。本发明可以抑制气孔、未融合、微裂纹等冶金缺陷，打破再结晶过程，细化晶粒，缓解甚至消除成形件拉应力，抑制成形制件变形，避免开裂，进而提高金属构件的成形质量和力学性能。

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法。

背景技术

金属增材制造技术一般运用高能束(激光、电磁束或者电弧)进行局部金属丝材/粉材熔化沉积，金属零件经历周期性急冷急热、熔化、凝固和固态相变，材料空间和时间上的不均匀膨胀和收缩导致构件复杂的热应力和变形，而堆积过程中夹杂、气孔和未融合等高质量缺陷以及局部特殊热现象导致的组织缺陷都是损害零件性能的因素，为了消除这些缺陷并提高零件性能，一方面要优化并严格控制堆积制造工艺，辅以先进的实时无损检测技术；另一方面为增材制造技术开发面向提高零件性能的辅助手段，减小成形件残余应力和变形、控制其缺陷和组织形态以提高机械性能。

尽管电弧增材制造堆积分辨率比电子束增材制造和激光增材制造低，不适合极其复杂结构零件的制造，但是电弧熔积的设备简单，堆积效率高，成本低，在制造大中型商用金属零件和修复再制造等领域具有显著竞争优势。目前，电弧增材制造技术主要的研究目的和热点之一是要探索克服其自身缺点和不足的途径，实现“控形”与“控性”并行制造，这也是提高成形件综合性能和实现电弧增材制造技术大规模工程化应用的关键所在。

现有的电弧增材制造研究中已有的微观组织调控手段主要有工艺参数优化和辅助手段，辅助手段主要有引入受迫加工和引入熔池调控磁场。引入受迫加工对降低残余应力和细化晶粒有一定的效果，但其接触式的调控手段一方面难以抑制电弧熔积的冶金缺陷，另一方面受迫加工设备表面处理不到位容易造成元素污染，而熔池调控磁场由于其直接施加在熔池上，容易出现金属飞溅以及成形形貌较差的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法，其属于一种改善金属增材制造成形件微观组织和力学性能的装置及方法，解决传统的金属电弧增材制造自由成形中残余应力分布复杂和集中、成形件变形大以及组织粗大，难以避免气孔、夹渣等缺陷的问题。所述装置通过将电磁冲击发生机构利用柔性夹具夹持于熔积能量源的附近，在进行熔积成形的同时，电磁冲击发生机构跟随熔积能量源同步移动，通过控制电磁冲击发生机构产生稳定可控的电磁场对高温熔凝微区进行冲击锻打，从而对每一个成形高温熔凝微区都进行冲击强化，使其产生塑性形变，抑制气孔、未融合、微裂纹等冶金缺陷，打破再结晶过程，细化晶粒，缓解甚至消除成形件拉应力，减少成形制件变形，避免开裂，进而提高金属构件的成形质量和力学性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置，所述装置包括熔积能量源、柔性夹具及电磁冲击发生机构，所述电磁冲击发生机构通过所述柔性夹具连接于所述熔积能量源，所述电磁冲击发生机构与所述熔积能量源同步移动；

所述熔积能量源以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区进行电磁冲击。

进一步地，通过改变所述电磁场的频率和脉冲强度或者通过所述柔性夹具调整所述电磁冲击发生机构相对于所述熔积能量源的位姿来改变作用于所述高温熔凝微区的电磁力的大小及作用区域。

进一步地，所述电磁场由交变磁场和脉冲电场耦合而成，所述交变磁场的强度为100～10000A/m，频率为1～100Hz；所述脉冲电场的峰值电流为10A～1000A，脉冲周期为0.01～1.0s。