[发明专利]一种缓解电弧增材制造构件变形的卡具及工艺方法

说明书

一种缓解电弧增材制造构件变形的卡具及工艺方法，属于增材制造领域。设计水冷卡具，在解决装卡密封性的前提下让循环冷却水与基板直接接触，迅速带走增材制造过程中产生的大部分热量，降低增材制造过程中构件的最高温度及减小高温区域，从而有效降低每条熔敷道冷却收缩时产生的塑性变形量，进而减小电弧增材制造构件产生的变形。该水冷工艺可以对构件进行快速冷却，解决了在空冷条件下，冷却至所需层间温度时间过长的问题，在减少变形的同时，大大提高制造效率。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体地说，本发明涉及一种电弧增材制造与水冷过程同时进行的工艺方法和卡具，可以有效缓解增材制造过程产生的变形问题，同时提升制造效率。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是20世纪80年代提出的一种新型智能加工技术，该技术采用软件对建好的模型进行离散分层，并通过计算机控制三维层片逐层堆积，最终成形出三维实体，实现了无模具加工。2018年12月工信部工业文化发展中心AM技术研究院新材料研究所成立，标志着我国 AM技术迈入新的阶段。

AM技术是基于离散-堆积原理，利用CAD软件生产三维实体模型，根据每层的二维数据控制激光等热源作用于粉末、液体或丝材，加工出所要求形状和尺寸的薄层，并逐层累积形成实体模型的制造技术。金属AM技术的分类方法有多种，根据原料可分铺粉(粉床)、送粉(同轴、旁轴)和送丝三大类；根据采用的热源分为激光束、电子束和电弧。

电弧增材制造(WAAM)作为电弧熔丝成形工艺中的一种技术，使用电弧能量熔化焊丝，再按照设定的路径逐层堆积成型。WAAM原料设备成本低，打印的工件具有致密度高等优点。但电弧熔丝过程熔池体积大，热输入高，随着打印层数的增加，构件的散热条件变差，导致热量持续累积，变形量大，成型质量难以控制。且WAAM过程构件经历了复杂热循环，温度场分布不均匀，不可避免地会产生变形甚至开裂的风险。在增材制造进行的同时，辅以水冷的方法可以迅速带走增材过程产生的热量，有效缓解WAAM过程变形问题，并大幅提高增材效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提出一种WAAM过程辅以水冷快速降温的工艺方法，提供了一种水冷卡具的方案，防止冷却水溢出或者水蒸气 污染焊缝，改善WAAM过程构件的变形问题，提高电弧增材制造的效率，改善电弧增材制造构件的力学性能。

为达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，在进行电弧增材制造前，对待打印基板进行去氧化物，去除杂质与油污的表面处理，包括但不仅限于机械打磨、有机溶剂清洗等方法。

步骤二，水冷卡具通过水管依次与水泵、水箱连接，并将表面处理后的基板装卡固定在上述水冷卡具上；

步骤三，接通水泵电源进行密封性测试，若存在密封不严的问题，应在密封不严的位置涂上高温防水胶，以保证卡具与基板密封，防止冷却水进入熔池；

步骤四，接通水泵电源，待水流循环稳定后，使用电弧增材制造系统运行相应的工艺参数进行实时水冷的电弧增材制造。

步骤二所述水冷卡具，其特征如图1所示，包括底座(1)、水冷盖板(2)、密封板(3)、压板(4)、T型滑块(5)，具底座(1)上表面中心部位有水槽，优选水槽体积大于450cm³，水槽侧壁设有进水孔与出水孔，目的是为了让冷却水在水槽内充分循环；

底座(1)的上部为水冷盖板(2)，水冷盖板(2)上表面中心部位加工出凹槽(14)用于放置基板(6)，凹槽底部有通水孔(15)让循环水与基板直接接触；水冷盖板上表面凹槽(14)的旁边上表面加工长条状T型槽(16)用于匹配放置T型滑块(5)，T型滑块(5)与密封板(3)采用螺栓固定连接；T型滑块(5) 的上端设有螺栓孔，密封板(3)上设有螺栓孔，T型滑块(5)上的螺栓孔与密封板(3)上的栓孔采用螺栓固定连接。