一种超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置及方法

本申请属于增材制造领域，更具体地，涉及一种超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置及方法。

背景技术：

1、大型复杂构件是航空航天、重型机械以及大型船舶等高端装备的关键承力构件，其性能优劣直接关系到成套装备的技术水平、工作性能和运行可靠性，随着对大型复杂构件的要求逐渐向高精度、低成本和短周期制造转变，传统制造技术难以满足低成本、高效率、高精度的制造要求和复杂化、整体化的结构要求。例如大型复杂构件整体锻造过程中，在尖角、凸起、枝芽等局部尺寸变形剧烈的区域，往往会产生充填不满等缺陷。

2、金属增材制造作为先进制造技术的代表，与传统制造工艺相比，在成形原理、原料形态、制件性能等方面发生了根本性转变，能够在无需模具的情况下，通过逐层堆叠离散材料的方法实现大型复杂构件的一体化成形，从而减轻构件质量，缩短生产周期，同时对设计创新、个性制造、控制成本有着强力支撑。其中，电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造周期短、且制造成本低和成形件无尺寸限制等优点，在大型复杂结构件的成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。但是电弧增材制造的沉积层表面成形质量和精度不高，且电弧增材制造是由一道道沉积层组成，前一道沉积层的表面成形质量对后面熔覆的沉积层有很大影响，进而影响成形件的成形精度。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或改进需求，本申请提供了一种超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置及方法，旨在解决基于现有电弧增材制造装置成形时沉积层表面成形质量差、成形性能难保障的问题。

2、本申请提供的一种超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置，具体包括第一机器人、第二机器人、增材制造单元、磁场辅助单元和超声锻造单元，其中：所述第一机器人和第二机器人设置在工作台的两侧，所述增材制造单元和磁场辅助单元布置在第一机器人的手臂前端，所述增材制造单元用于在工作台上制备沉积层以实现电弧增材制造，所述磁场辅助单元用于为电弧增材制造提供纵向磁场；所述超声锻造单元布置在第二机器人的手臂前端，用于对处于熔融态和热塑性变形阶段的沉积层进行超声锻造，以保证超声锻造、磁场辅助与增材制造同步进行。

3、通过本申请所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过设置第一机器人和第二机器人，能够保证超声锻造、磁场辅助与增材制造同步进行，使得纵向磁场对熔池的搅拌效果和超声对液态金属产生的超声空化效应、声流效应产生协同作用，有效促进熔池中液态金属的流动，增强熔池的搅拌效果，使组织更加均匀细小、消除气孔等增材缺陷，同时还可以使固体金属组织产生塑性变形和再结晶，消除铸态缺陷。

4、作为进一步优选的，所述增材制造单元包括焊枪、焊接电源、焊丝和送丝机，所述焊枪固定在第一机器人的手臂前端并且与焊接电源连接；所述焊丝的一端穿过焊枪，其另一端与送丝机连接。

5、作为进一步优选的，所述磁场辅助单元包括励磁电源和磁场发生组件，所述励磁电源与磁场发生组件连接，用于提供励磁电流；所述磁场发生组件套在焊枪的外侧用于产生纵向磁场。

6、作为进一步优选的，所述磁场发生组件包括外壳以及设置在外壳内部的空心铁芯和线圈，所述空心铁芯的内部用于穿过焊枪，所述线圈套在空心铁芯的外部。

7、作为进一步优选的，所述励磁电源提供的励磁电流为1a～5a，所述磁场辅助单元产生的磁场强度为20mt～80mt。

8、作为进一步优选的，所述超声锻造单元包括超声波发生器和超声锻造头，所述超声波发生器与超声锻造头连接，用于提供超声波；所述超声锻造头固定在第二机器人的手臂前端，用于对沉积层施加超声锻造。

9、作为进一步优选的，所述超声锻造单元的工作频率为20khz～30khz，振幅为40μm～50μm。

10、作为进一步优选的，所述电弧增材制造装置还包括控制单元，所述控制单元与第一机器人、第二机器人、增材制造单元、磁场辅助单元和超声锻造单元连接，用于对其进行控制。

11、按照本发明的另一方面，提供了利用上述超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置进行增材制造的方法。

12、作为进一步优选的，所述方法具体为：

13、s1根据增材构件的尺寸和形状确定填充轨迹和工艺参数；

14、s2利用增材制造单元根据步骤s1确定的填充轨迹和工艺参数进行电弧增材制造，配合磁场辅助单元和超声锻造单元同步提供纵向磁场和超声锻造，以此实现超声锻造复合磁场辅助的增材制造。

15、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

16、1.本申请通过设置第一机器人和第二机器人，并将增材制造单元和磁场辅助单元布置在第一机器人上，将超声锻造单元布置在第二机器人上，能够实现超声锻造、磁场辅助与增材制造同步进行，其中磁场辅助单元提供的纵向磁场能够使熔池中的液态金属向边缘流动，达到搅拌熔池的效果，同时磁场辅助电弧增材和超声锻造同步进行，磁场对熔池的搅拌效果和超声对前沿液态金属产生的超声空化效应、声流效应会产生协同作用，大大促进熔池中液态金属的运动，增强熔池的搅拌效果，使组织更加均匀细小，消除气孔等增材缺陷；且对塑性态金属的锻造作用会消除铸态缺陷，提升组织性能；

17、2.同时，本申请对磁场辅助单元的参数进行优化，能够避免过高的磁场强度导致电弧偏移过多，降低沉积稳定性并恶化沉积形态，从而保证纵向磁场对熔池具有较好的搅拌效果。

技术特征：

1.一种超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置，其特征在于，所述电弧增材制造装置包括第一机器人(9)、第二机器人(12)、增材制造单元、磁场辅助单元和超声锻造单元，其中：所述第一机器人(9)和第二机器人(12)设置在工作台(10)的两侧，所述增材制造单元和磁场辅助单元布置在第一机器人(9)的手臂前端，所述增材制造单元用于在工作台(10)上制备沉积层(11)以实现电弧增材制造，所述磁场辅助单元用于为电弧增材制造提供纵向磁场；所述超声锻造单元布置在第二机器人(12)的手臂前端，用于对处于熔融态和热塑性变形阶段的沉积层(11)进行超声锻造，以保证超声锻造、磁场辅助与增材制造同步进行。

2.如权利要求1所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述增材制造单元包括焊枪(4)、焊接电源(8)、焊丝(6)和送丝机(7)，所述焊枪(4)固定在第一机器人(9)的手臂前端并且与焊接电源(8)连接；所述焊丝(6)的一端穿过焊枪(4)，其另一端与送丝机(7)连接。

3.如权利要求1所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述磁场辅助单元包括励磁电源(5)和磁场发生组件(3)，所述励磁电源(5)与磁场发生组件(3)连接，用于提供励磁电流；所述磁场发生组件(3)套在焊枪(4)的外侧用于产生纵向磁场。

4.如权利要求3所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述磁场发生组件(3)包括外壳(16)以及设置在外壳(16)内部的空心铁芯(15)和线圈(17)，所述空心铁芯(15)的内部用于穿过焊枪(4)，所述线圈(17)套在空心铁芯(15)的外部。

5.如权利要求3所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述励磁电源(5)提供的励磁电流为1a～5a，所述磁场辅助单元产生的磁场强度为20mt～80mt。

6.如权利要求1所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述超声锻造单元包括超声波发生器(1)和超声锻造头(2)，所述超声波发生器(1)与超声锻造头(2)连接，用于提供超声波；所述超声锻造头(2)固定在第二机器人(12)的手臂前端，用于对沉积层施加超声锻造。

7.如权利要求1所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述超声锻造单元的工作频率为20khz～30khz，振幅为40μm～50μm。

8.如权利要求1～7任一项所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述电弧增材制造装置还包括控制单元，所述控制单元与第一机器人(9)、第二机器人(12)、增材制造单元、磁场辅助单元和超声锻造单元连接，用于对其进行控制。

9.利用如权利要求1～8任一项所述电弧增材制造装置进行增材制造的方法。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法具体为：

技术总结本申请属于增材制造领域，具体公开了一种超声锻造复合磁场辅助的电弧增材制造装置及方法，该装置包括第一机器人、第二机器人、增材制造单元、磁场辅助单元和超声锻造单元，其中：第一机器人和第二机器人设置在工作台的两侧，增材制造单元和磁场辅助单元布置在第一机器人的手臂前端；超声锻造单元布置在第二机器人的手臂前端。本申请中磁场辅助单元提供的纵向磁场能够使熔池中的液态金属向边缘流动，达到搅拌熔池的效果，同时磁场辅助电弧增材和超声锻造同步进行，磁场对熔池的搅拌效果和超声对前沿液态金属产生的超声空化效应、声流效应会产生协同作用，增强熔池的搅拌效果，使组织更加均匀细小，消除气孔等增材缺陷。技术研发人员：赵明杰,卢安,郭正华,姜丽红受保护的技术使用者：南昌航空大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27