一种适用于封闭构件电弧增材的方法

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种适用于封闭构件电弧增材的方法。

背景技术：

1、电弧增材制造技术是一种基于丝材的定向能量沉积方法，以电弧为热源，通过不断熔化金属丝材并按照设计规划的路径逐层堆积成形，具有成形尺寸大、制造成本低、设备简单、材料利用率和沉积效率高等优势，是大型金属构件高质量快速成形的主要制造方法。电弧增材制造获得的零件经过简单的机加工即可满足零部件的使用性能要求，在生产效率及复杂构件上具有极大的技术优势，适用于钢、铝、镁、钛等金属材料构件的制备。

2、电弧增材的起弧和熄弧位置由于工艺参数处于动态调节过程中，易出现成形不良、未熔合等缺陷。在电弧增材非封闭构件时，往往将起弧和熄弧位置作为冗余结构设计，待增材完成后加工去除。但在电弧增材封闭结构时，起弧和熄弧位置是整体构件不可或缺的一部分，无法通过增材后通过机加工去除，其成形精度对增材成形构件质量的影响巨大。

3、电弧增材封闭框体时，单层增材路径是封闭路线，从起弧点开始运动后绕规定路径一圈后重新回到起弧点位置附近熄弧，起弧和熄弧点熔覆后接头的成形精度极难控制，并成为整个构件的薄弱环节。沉积层的起弧点和熄弧点熔覆重合长度d是控制单道沉积层高度是否一致的关键参数，高度不一致时，增材所得多道沉积层宏观成形不良，构件会在起弧、熄弧点凸起一定高度，造成构件宏观成形和力学性能均不能满足要求。针对封闭构件不良的宏观成形，目前主要采取逐层堆积+砂轮机打磨起弧、熄弧重合位置的方式进行构件的增材成形，使得沉积层整体高度基本一致。若不进行后续减材处理，构件起弧、熄弧重合位置往往伴随应力集中、未熔合等增材缺陷出现，甚至会因随沉积层的逐层堆积，造成起弧、熄弧重合位置过高，导致焊枪喷嘴无法在该位置正常起弧。该方法虽能有效改善构件宏观成形，但不同层的起弧熄弧点设置在同一位置，打磨后无法消除局部残余应力等增材缺陷，致使接头位置力学性能较低，无法提高构件的整体力学性能；此外，该方法还大大降低构件的增材效率、丝材利用率，不能满足封闭构件高效高质量的增材。如何通过工艺控制方法实现封闭构件起弧、熄弧位置高质量增材已成为限制其实际应用的主要因素之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于封闭构件电弧增材的方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于封闭构件电弧增材的方法，包括如下步骤：

3、步骤(1)：确定熔覆重合长度d的初始取值范围：根据封闭构件的材质、形状确定焊丝种类、增材工艺参数，采用确定后的焊丝和增材工艺参数、沿一条直线先后增材两道沉积层，且使第二道沉积层的熄弧点对第一道沉积层的起弧点进行熔覆，确定熔覆重合长度d的初始取值范围，即0<d<min{h/tanα，h/tanβ}，其中h为单道层高；α，β分别为起弧点、熄弧点与基板的润湿角；

4、步骤(2)：确定熔覆重合长度d：根据步骤(1)熔覆重合长度d的初始取值范围，进行试验，确定熔覆重合长度d；

5、步骤(3)：确定增材路径：根据所需增材封闭构件的高度h及单道沉积层堆积后的单道熔覆层高kh确定堆积层数p＝h/kh，其中k为重熔系数；以2m层为一个路径周期，其中m≤5，构件增材n个路径周期，n＝p/2m；每一个路径周期内的前m层为顺时针或逆时针方向增材，后m层增材方向与前m层增材方向相反，且每一个路径周期内的m层中每一层的起弧熄弧位置沿封闭路径均匀分布；

6、步骤(4)：构件增材：按照步骤(3)确定的增材路径以及步骤(2)确定的熔覆重合长度d进行增材，且每层增材完成后采用测温装置检测该层起弧点温度，冷却至150℃～200℃后，焊枪抬升一个层高并移动至下一层的起弧位置处进行增材，直至达到构件规定尺寸。

7、进一步的，步骤(2)中确定熔覆重合长度d具体为：

8、步骤(201)：在步骤(1)确定的熔覆重合长度d的初始取值范围内选取不同的值进行多组单层双道沉积增材试验；

9、步骤(202)：利用三维扫描仪对步骤(201)得到的沉积层的表面形貌进行扫描，选取高度误差与单道沉积层相等或最为相近的值作为最终的熔覆重合长度。

10、进一步的，步骤(2)中确定熔覆重合长度d具体为：

11、步骤(211)：在步骤(1)确定的熔覆重合长度d的初始取值范围内选择不同的熔覆重合长度d，接头在同一位置进行往复增材，增材层数为8-12层的直壁；

12、步骤(212)：对步骤(211)增材得到的直壁，从直壁顶面的一端到另一端，每隔5mm选取一点，依次测量其与基板的竖直高度并连接，绘制折线图，观察接头位置与其余位置的高度差异，选取差异≤5％的d进行后续构件增材。

13、进一步的，重熔系数k取值为0.7-0.9，重熔系数k计算方法如下：k＝(2l-l1)/l，其中l为单道层高，l1＝为两层沉积层熔覆后的沉积层高度。

14、进一步的，步骤(3)确定增材路径时，若封闭构件等截面时，增材过程中路径周期2m不需要改变，保证相邻接头水平距离不能低于20mm。

15、进一步的，步骤(3)确定增材路径时，若封闭构件为变截面时，增材过程中路径周期随之变化，并确保m个周期内，截面周长最短的一层沉积层，能满足至少均匀分布2个接头；且相邻接头水平距离不能低于20mm。

16、进一步的，电弧增材热源是熔化极热源或者非熔化极热源。

17、进一步的，沉积层层高h为2-4mm。

18、一种封闭构件，采用上述的方法制备。

19、一种上述方法的用途，用于钢、铝、铜、钛及镁等合金的增材。

20、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

21、本发明通过调节沉积层起弧、熄弧接头长度进行封闭框体的增材制备，降低了构件接头位置的高度，使得构件整体高度保持一致；较于优化路径前的逐层堆积+打磨接头，大大提高了构件的增材效率及丝材利用率；此外，由于起弧、熄弧点与沉积层平稳区域存在高度差，接头处不可避免地产生微小凸起，试验采用的往复堆积路径有利于保证构件整体高度的一致。

22、本发明通过分散接头在构件的位置进行增材，一方面使得沉积层接头与沉积层在竖直方向上交替分布，减小构件接头处微小凸起的出现频率，伴随往复堆积，进一步改善构件的整体高度，使得整体高度均匀一致；另一方面，接头的分散分布，改善了传统增材构件接头位于同一位置而使得接头位置较差力学性能的现象。有利于构件整体力学性能的提升。

23、本发明可实现各种合金框体构件的高质量成形，具有广泛的应用价值。

技术特征：

1.一种适用于封闭构件电弧增材的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中确定熔覆重合长度d具体为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中确定熔覆重合长度d具体为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重熔系数k取值为0.7-0.9，重熔系数k计算方法如下：k＝(2l-l1)/l，其中l为单道层高，l1＝为两层沉积层熔覆后的沉积层高度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)确定增材路径时，若封闭构件等截面时，增材过程中路径周期2m不需要改变，保证相邻接头水平距离不能低于20mm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)确定增材路径时，若封闭构件为变截面时，增材过程中路径周期随之变化，并确保m个周期内，截面周长最短的一层沉积层，能满足至少均匀分布2个接头；且相邻接头水平距离不能低于20mm。

7.根据权利要求1所述的电弧增材方法，其特征在于，电弧增材热源是熔化极热源或者非熔化极热源。

8.根据权利要求1所述的电弧增材方法，其特征在于，沉积层层高h为2-4mm。

9.一种封闭构件，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的方法制备。

10.一种权利要求1-8任一项所述方法的用途，其特征在于，用于钢、铝、铜、钛及镁等合金的增材。

技术总结本发明为一种适用于封闭构件电弧增材的方法。包括如下步骤：步骤(1)确定熔覆重合长度d；步骤(2)确定增材路径：确定堆积层数，以2m层为一个路径周期，其中m≤5，构件增材N个路径周期，N＝P/2m；每一个路径周期内的前m层为顺时针或逆时针方向增材，后m层增材方向与前m层增材方向相反，且每一个路径周期内的m层中每一层的起弧熄弧位置沿封闭路径均匀分布；步骤(3)构件增材。本发明解决了增材封闭构件成形质量差、增材缺陷等问题，大大提高了构件的增材效率及丝材利用率。技术研发人员：范霁康,李杰,蔡佰豪,高鹏飞,史芮菲,张建,杨东青,王克鸿受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26