高温同步微锤锻辅助金属复合式定向能量沉积工艺装备及其使用方法

本发明涉及金属材料成形制造，具体为高温同步微锤锻辅助金属复合式定向能量沉积工艺装备及使用方法。

背景技术：

1、随着科学技术快速更迭，增材制造作为颠覆传统减材制造技术的革命性技术已成为驱动全球制造业变革与发展的主要动力，增材制造技术群域也逐渐成为各国制造业争相占领的科学与技术战略领域。金属定向能量沉积技术作为增材制造技术的重要组成部分，因具有成形效率高、成形尺寸大、原料利用率高、成本低等优点，被认为是可直接服务于装备制造业和再制造业的成形制造技术。然而，因金属粉材或线材在进行定向能量沉积的过程中会发生剧烈的冶金反应，加上存在特殊的热边界条件，定向能量沉积层内部通常会形成大尺寸的柱状晶和高水平的残余应力，导致定向能量沉积层普遍存在力学性能不足和均匀性差等问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高温同步微锤锻辅助金属复合式定向能量沉积工艺方法，在定向能量沉积的过程中，利用微型锻锤对高温焊道进行高频锤锻塑性变形，以解决沉积层内部粗大柱状晶和高水平残余应力，进而提升沉积层力学性能和均匀性。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：高温同步微锤锻辅助金属复合式定向能量沉积工艺装备，包括用于对整个工艺装备进行搭载的多自由度承载及运动执行装置，所述多自由度承载及运动执行装置的执行末端搭载有用于减振的可调节气动消振夹具，所述可调节气动消振夹具的一端安装有用于增材沉积的增材沉积组件，所述可调节气动消振夹具的另一端安装有用于同步锤锻的同步微锤锻组件；

3、还包括用于对整个工艺装备进行控制的运动及综合指令控制单元，运动及综合指令控制单元同时与多自由度承载及运动执行装置、增材沉积组件和同步微锤锻组件相连；

4、还包括用于对工件进行装夹的多自由度焊接变位装置。

5、所述同步微锤锻组件包括锤锻运动激发装置，锤锻运动激发装置下方设置有执行末端微型锻锤，所述锤锻运动激发装置通过可调节气动消振夹具的夹具气动消振固定端与多自由度承载及运动执行装置末端固定连接。

6、所述增材沉积组件包括增材沉积能量源、送料机构、末端增材执行器和保护气氛；所述末端增材执行器穿过卡箍套和滑动底座内部安装孔，并通过紧固螺栓与夹具可滑动卡箍连接端固定连接。

7、所述可调节气动消振夹具包含夹具气动消振固定端，夹具气动消振固定端一侧设置有带刻度的平行滑轨，带刻度的平行滑轨上通过滑动副设置有夹具可滑动卡箍连接端，夹具可滑动卡箍连接端前后两端对称设置有松紧螺钉。

8、所述夹具可滑动卡箍连接端包括下端的滑动底座，滑动底座前后两侧内设有安装滑道，滑动底座上端设置有卡箍套，卡箍套和滑动底座内部设有贯穿安装孔，卡箍套一侧设有紧固螺栓。

9、通过调节夹具可滑动卡箍连接端前后两端松紧螺钉松紧，夹具可滑动卡箍连接端与带刻度的平行滑轨能够实现滑动连接或固定连接，与夹具可滑动卡箍连接端固定连接的末端增材执行器能够随之在行程范围内自由平移，并固定在任意位置，这样在使用时，增材沉积组件的末端增材执行器与同步微锤锻组件的执行末端微型锻锤之间相对位置可进行任意调节后锁紧保持相对固定，工作时，末端增材执行器、执行末端微型锻锤以及多自由度承载及运动执行装置末端三者之间形成固连的统一整体，相对位置保持不变。

10、对沉积焊道进行微锤锻时，锤锻温度是通过调节末端增材执行器与执行末端微型锻锤之间的距离来进行调节，且微锤锻介入的最低温度需高于金属材料的再结晶温度，最高温度以不生成脆性相、不发生再结晶晶粒过热严重粗化为准。

11、所述锤锻运动激发装置为电动激发装置，装置通断电以及锻锤运动参数的调节由运动及综合指令控制单元来控制实现；

12、所述锻锤运动参数包含锤锻速度、锤锻频率、锤锻密度；

13、所述执行末端微型锻锤其径向尺寸大于沉积焊道，与沉积焊道直接接触的端面为平面、球面或任意曲面。

14、所述多自由度承载及运动执行装置为六自由度串联机械人手臂，对应承载能力需高于同步微锤锻组件和末端增材执行器总自重的至少两倍；

15、所述增材沉积能量源为电弧焊机、等离子弧焊机、激光器或电子束焊机，使用的沉积材料为金属丝材或粉材，所述末端增材执行器为焊枪或激光头。

16、所述高温同步微锤锻辅助金属复合式定向能量沉积工艺装备的使用方法，整套沉积程序包括以下步骤：

17、步骤一：通过工艺参数优化得到不同金属材料的最佳定向能量沉积工艺参数，针对不同金属材料，采用对应的最佳工艺参数进行定向能量沉积，当熔池状态达到稳定时，采用高温热成像仪结合标尺获取熔池区域及熔池后方距离熔池中心50mm范围内固态焊道上的温度分布情况，并描绘离熔池中心不同距离时焊道上温度变化曲线，代表不同金属材料不同跟随距离时进行微锤锻的介入温度，其中微锤锻介入温度对应的跟随距离，即为实施同步微锤锻工艺时执行末端微型锻锤与末端增材执行器之间的距离；

18、步骤二：基于步骤一中得到的不同金属材料跟随距离与微锤锻介入温度之间的对应关系，以沉积焊道微观组织状态和硬度值为优化指标，通过开展微锤锻辅助定向能量沉积工艺参数优化实验，研究确定不同金属材料对应的最佳微锤锻介入温度、该温度下最佳的微锤锻变形量，以及该温度下产生最佳变形量对应的微型锻锤运动参数，包含锤锻速度、锤锻频率、锤锻密度；

19、步骤三：基于步骤二得到的不同金属材料对应的最佳微锤锻工艺参数，以特定类型的金属焊材为对象，首先通过调节松紧螺钉、夹具可滑动卡箍连接端，调整执行末端微型锻锤与末端增材执行器之间距离到最佳跟随距离并保持位置相对不变，以保证微锤锻介入的温度为最佳温度；随后通过运动及综合指令控制单元控制多自由度承载及运动执行装置运载增材沉积组件的末端增材执行器从初始位置到目标位置；一切准备就绪后，通过运动及综合指令控制单元先启动多自由度焊接变位装置和增材沉积组件，使末端增材执行器按照既定轨迹开始定向能量沉积，与此同时，通过运动及综合指令控制单元控制锤锻运动激发装置通电，并控制微型锻锤按照上一步确定的最佳运动参数运动，同步执行微锤锻，以确保该温度下沉积焊道能够产生最佳变形量；

20、步骤四：同步微锤锻辅助定向能量沉积结束后，通过运动及综合指令控制单元依次控制锤锻运动激发装置断电，多自由度承载及运动执行装置运载增材沉积组件的末端增材执行器回到初始位置，整套沉积程序结束。

21、本发明有如下有益效果：

22、1、本发明通过可调节气动消振夹具将同步微锤锻组件和末端增材执行器安装在同一运载机器人手臂上，可避免采用多机器人分别运载增材沉积组件和同步微锤锻组件时产生运动干涉，提升同步微锤锻工艺的自由度，同时降低设备成本。

23、2、本发明通过设置带刻度的平行滑轨和夹具可滑动卡箍连接端，可任意调节末端增材执行器和执行末端微型锻锤之间的距离，进而调节沉积焊道执行微锤锻的介入温度，实现沉积焊道高温同步微锤锻。

24、3、本发明通过设置夹具气动消振固定端可消减执行微锤锻时对承载机器 人手臂的振动，进而减小同步微锤锻工艺对沉积过程的影响，保障工件成形精度。

25、4、本发明通过采用电动锤锻设备及其控制组件可以实现对微型锻锤运动参数的精准调节，保障同步微锤锻工艺的可控性。