【CN109590743A】一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法【专利】
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【CN109807564A】一种AlZnMgCu合金的丝材电弧增材制造方法【专利】
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910079691 .1
(22)申请日 2019 .01 .28
(71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号
(72)发明人 何长树 韦景勋 李颖 张志强 田妮 秦高梧
(74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109
权利要求书1页 说明书9页 附图2页
CN 109807564 A
CN 109807564 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1 、利 用三维绘图 软件绘 制零件模型 ，采 用切片软件对零件模型进行分 层 切片处 理 ，得到分 层切片数 据 ，利 用仿真软件对分 层切片数 据进行仿真模拟 ，生成机器人控 制代 码 ，将机器人控 制代码导入焊接机器人 ，利 用焊接机器人 ，在事先准备好的 基板上进行AlZn-Mg-Cu合金丝材电弧增材成形，共沉积2～4层，形成多层沉积金属，并在成形过程利用冷 却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却水的温度为5～25℃， 冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为50～300MPa； 步骤2、对多层沉积金属的侧面和顶面进行铣削加工； 步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对铣削后的多层沉积金属进行搅拌摩擦加工，并在搅拌 摩擦加工过程利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却 水的温度为5～25℃，冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为80～ 500MPa； 步骤4 、对多层沉积金 属上表面进行精铣 ，使 加工表面平整 ，以 备下一步的电 弧 增材成 形； 步骤5 、循环重复执行以 上步骤 ，直至多层沉积金 属达到预设的 形状 和尺寸 ，得到 增材 体； 所述冷 却辊压装置包括滚柱、导热柱体 和导热外圈 ，导热外圈转动装配在导热柱体的 外壁上 ，导热柱体开设有内腔 ，导热柱体上表面设置有与内腔连通的冷却水进口 ，导热柱体 下表面设置有与内腔连通的冷却水出口 ，滚柱垂直固定装配在导热柱体上表面的中心 ，且 滚柱与焊接机器人的焊枪或搅拌摩擦加工设备的搅拌头同步动作。 2 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤3中搅拌摩擦加工设备的搅拌头的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属的高度， 搅拌头的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属的宽度。 3 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，所述步骤1中电弧增材成形的多层沉积金属的宽度为7～50mm。 4 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤1中所述的多层沉积金属由单道多层沉积或者多道多层沉积获得。 5 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤1中电弧增材成形过程中使用的焊接电流为62～300A，焊接电压为17～25 .0V，焊丝 摆动振幅为2 .0～5 .2mm，焊丝摆动速度为600～1500mm/min，成形速度为140～400mm/min， 每层焊枪提升高度为0 .8～2 .3mm。 6 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤2中多层沉积金属侧面的铣削量为0 .1～0 .5mm，顶面的铣削量为0 .3～2 .2mm。 7 .根据权利要求2所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于 ，搅拌摩擦加工设备所采 用的 搅拌头轴 肩直径为6～46mm ，搅拌针长度为2～5mm ，搅拌头 转速为400～2000r/min，行进速度为80～450mm/min，搅拌头倾角为1 .5～3 °。
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910079691 .1
(22)申请日 2019 .01 .28
(71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号
(72)发明人 何长树 韦景勋 李颖 张志强 田妮 秦高梧
(74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109
权利要求书1页 说明书9页 附图2页
CN 109807564 A
CN 109807564 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1 、利 用三维绘图 软件绘 制零件模型 ，采 用切片软件对零件模型进行分 层 切片处 理 ，得到分 层切片数 据 ，利 用仿真软件对分 层切片数 据进行仿真模拟 ，生成机器人控 制代 码 ，将机器人控 制代码导入焊接机器人 ，利 用焊接机器人 ，在事先准备好的 基板上进行AlZn-Mg-Cu合金丝材电弧增材成形，共沉积2～4层，形成多层沉积金属，并在成形过程利用冷 却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却水的温度为5～25℃， 冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为50～300MPa； 步骤2、对多层沉积金属的侧面和顶面进行铣削加工； 步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对铣削后的多层沉积金属进行搅拌摩擦加工，并在搅拌 摩擦加工过程利用冷却辊压装置对多层沉积金属侧壁施加冷却辊压，冷却辊压过程中冷却 水的温度为5～25℃，冷却水的流量为500～2000L/h，多层沉积金属受到的辊压应力为80～ 500MPa； 步骤4 、对多层沉积金 属上表面进行精铣 ，使 加工表面平整 ，以 备下一步的电 弧 增材成 形； 步骤5 、循环重复执行以 上步骤 ，直至多层沉积金 属达到预设的 形状 和尺寸 ，得到 增材 体； 所述冷 却辊压装置包括滚柱、导热柱体 和导热外圈 ，导热外圈转动装配在导热柱体的 外壁上 ，导热柱体开设有内腔 ，导热柱体上表面设置有与内腔连通的冷却水进口 ，导热柱体 下表面设置有与内腔连通的冷却水出口 ，滚柱垂直固定装配在导热柱体上表面的中心 ，且 滚柱与焊接机器人的焊枪或搅拌摩擦加工设备的搅拌头同步动作。 2 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤3中搅拌摩擦加工设备的搅拌头的轴针长度大于洗削加工后多层沉积金属的高度， 搅拌头的轴肩直径略小于洗削加工后多层沉积金属的宽度。 3 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，所述步骤1中电弧增材成形的多层沉积金属的宽度为7～50mm。 4 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤1中所述的多层沉积金属由单道多层沉积或者多道多层沉积获得。 5 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤1中电弧增材成形过程中使用的焊接电流为62～300A，焊接电压为17～25 .0V，焊丝 摆动振幅为2 .0～5 .2mm，焊丝摆动速度为600～1500mm/min，成形速度为140～400mm/min， 每层焊枪提升高度为0 .8～2 .3mm。 6 .根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于，步骤2中多层沉积金属侧面的铣削量为0 .1～0 .5mm，顶面的铣削量为0 .3～2 .2mm。 7 .根据权利要求2所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，其特征在 于 ，搅拌摩擦加工设备所采 用的 搅拌头轴 肩直径为6～46mm ，搅拌针长度为2～5mm ，搅拌头 转速为400～2000r/min，行进速度为80～450mm/min，搅拌头倾角为1 .5～3 °。
一种电弧增材随行热处理装置及工艺方法
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【CN109590625A】一种电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法【专利】
制造方法 ( 57 )摘要
本发明 涉 及一 种电 弧 增材成形 与搅拌 摩擦 加工的复合制造方法 ：将机器人电 弧 增材系统置 于动龙门式搅拌摩擦焊机上 ；在动龙门式搅拌摩 擦焊机的搅拌头前侧竖直安置焊枪，将零件模型 分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传 输至焊接机器人电 弧 增材 系统 及动龙门 式 搅拌 摩擦焊机上 ；将焊枪置于成形起点位置处 ，搅拌 头位于焊枪后侧，搅拌头前侧与焊枪保持相位关 系并与焊枪随动；焊枪起弧信号触发时 ，搅拌头 旋转主 轴开 启 ；增材成形10cm 后 ，按上述分 层 切 片的路径开始执行搅拌摩擦加工；单层路径执行 结束后，重复步骤（3）-（5），实现自下而上逐层增 等材复合成形。可实现在线修复凝固缺陷 ，破坏 凝固织构取向 ，并经强烈的塑性变形释放热应 力。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910038056 .9
(22)申请日 2019 .01 .16
(71)申请人 福州大学 地址 350108 福建省福州市闽侯县上街镇 福州大学城学院路2号福州大学新区
(72)发明人 耿海滨 罗键
(74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100
2
电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法
技术领域 [0001] 本发明涉及一种电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法，属于金属材料增 材制造领域。
背景技术 [0002] 面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐渐向大型化、整体化发展。 电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要 基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝金属构成，开放的成形环境对成 形件尺寸无限制，钛合金成形速率可达4kg/h，故在成本、效率、成形件尺寸上具有其他增材 制造方法不可比拟的优势，是大型化、整体化零件近净成形最具潜力的数字化制造技术。 [0003] 但电弧增材成形过程逐点控制的熔池尺寸较大，快热急冷的凝固过程形成宏观的 具有明显取向特征的 粗大凝固织构 ，在后续逐层往复堆积过程中 ，熔池内金属溶体凝固时 或是沿前一层织构取向外延生长（如钛及其合金），或是形成具有明显层间层内组织差异的 多层状组织（如铝及其合金），这种组织不均匀性是影响零件动载力学性能根本，甚至发生 早期失效。增材制造无法像传统加工技术那样对坯体原材料进行多工序深加工，熔池凝固 冶金缺陷 ，如气孔、裂纹、偏析、枝晶粗大等 ，很难在零件近净成形后进行深加工予以 消除 ， 故在逐层堆积成形时采取一定的方法对熔池凝固组织进行加工处理，以消除或预防可能出 现的 冶金缺陷 ，对电 弧 增材 制造形、性一体化控制意义重大。此外 ，电 弧 增材成形过程热输 入远大于激光、电子束增材制造，逐点控制的熔池连续往复三维成形过程中，热源作用具有 时 序特征 ，三维空间非均匀热过程往往造成较大的 热应力 ，加之大型结构尺寸特征更 加重 了热源作用的空间非均匀性，传统的热输入控制、随焊碾压等残余应力控制方法效果甚微， 残余热应力释放 ，抑制变形 ，是电 弧 增材成形大尺寸构件难点问题。同时 ，连续自下而上增 材 制造过程中 ，强烈的热输入及时变的熔池热边界 ，使得无模约束逐点自由 凝固的熔池尺 寸发生显著变化，而自由凝固成形尺寸变化为确定电弧增材成形件后期的机械加工余量带 来很大困难，一般要进行成形件三维扫描，后期加工成本显著增大。 [0004] 搅拌摩擦加工是基于搅拌摩擦焊接的方法，通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工 材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化，以消除铸造产 品中的 缩松、缩孔等缺陷 ，还可以 细化晶 粒 ，进而提高材料性能。1999年 ，美国 密苏里大学 Mishra教授提出该技术 ，并 制备了细晶 超塑性铝合金。电 弧 增材 制造与搅拌摩擦加工技术 结合 ，利 用搅拌针的高速旋转与移动强 烈摩擦、搅拌金 属进而热塑化 ，在热力耦合作 用下 ， 材料发生剧烈地塑性变形和动态再结晶 ，促使晶粒细化 ，改善零件凝固织构取向一致所 引 起的性能各项异性并致密化，及实现凝固冶金缺陷的在线修复保证成形件性能。此外，搅拌 摩擦加工热输入较低 ，金 属材料不发生熔化 ，半固 态的 粘塑性金 属经强 烈地塑性流变后凝 固成形 ，可显著降 低增材 制造构件内部残余热应力 ，减小应力变形 ，抑制开裂。同时采 用半 包围结构的 静 轴 肩设计 ，可约束粘塑性金 属流体的 流变成形 ，将原电 弧 增材无模约束的自 由熔积成形过程转变为有模约束的金属材料强烈塑性变形的流变成形过程，从而保证成形
本发明 涉 及一 种电 弧 增材成形 与搅拌 摩擦 加工的复合制造方法 ：将机器人电 弧 增材系统置 于动龙门式搅拌摩擦焊机上 ；在动龙门式搅拌摩 擦焊机的搅拌头前侧竖直安置焊枪，将零件模型 分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传 输至焊接机器人电 弧 增材 系统 及动龙门 式 搅拌 摩擦焊机上 ；将焊枪置于成形起点位置处 ，搅拌 头位于焊枪后侧，搅拌头前侧与焊枪保持相位关 系并与焊枪随动；焊枪起弧信号触发时 ，搅拌头 旋转主 轴开 启 ；增材成形10cm 后 ，按上述分 层 切 片的路径开始执行搅拌摩擦加工；单层路径执行 结束后，重复步骤（3）-（5），实现自下而上逐层增 等材复合成形。可实现在线修复凝固缺陷 ，破坏 凝固织构取向 ，并经强烈的塑性变形释放热应 力。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910038056 .9
(22)申请日 2019 .01 .16
(71)申请人 福州大学 地址 350108 福建省福州市闽侯县上街镇 福州大学城学院路2号福州大学新区
(72)发明人 耿海滨 罗键
(74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100
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电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法
技术领域 [0001] 本发明涉及一种电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法，属于金属材料增 材制造领域。
背景技术 [0002] 面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐渐向大型化、整体化发展。 电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要 基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝金属构成，开放的成形环境对成 形件尺寸无限制，钛合金成形速率可达4kg/h，故在成本、效率、成形件尺寸上具有其他增材 制造方法不可比拟的优势，是大型化、整体化零件近净成形最具潜力的数字化制造技术。 [0003] 但电弧增材成形过程逐点控制的熔池尺寸较大，快热急冷的凝固过程形成宏观的 具有明显取向特征的 粗大凝固织构 ，在后续逐层往复堆积过程中 ，熔池内金属溶体凝固时 或是沿前一层织构取向外延生长（如钛及其合金），或是形成具有明显层间层内组织差异的 多层状组织（如铝及其合金），这种组织不均匀性是影响零件动载力学性能根本，甚至发生 早期失效。增材制造无法像传统加工技术那样对坯体原材料进行多工序深加工，熔池凝固 冶金缺陷 ，如气孔、裂纹、偏析、枝晶粗大等 ，很难在零件近净成形后进行深加工予以 消除 ， 故在逐层堆积成形时采取一定的方法对熔池凝固组织进行加工处理，以消除或预防可能出 现的 冶金缺陷 ，对电 弧 增材 制造形、性一体化控制意义重大。此外 ，电 弧 增材成形过程热输 入远大于激光、电子束增材制造，逐点控制的熔池连续往复三维成形过程中，热源作用具有 时 序特征 ，三维空间非均匀热过程往往造成较大的 热应力 ，加之大型结构尺寸特征更 加重 了热源作用的空间非均匀性，传统的热输入控制、随焊碾压等残余应力控制方法效果甚微， 残余热应力释放 ，抑制变形 ，是电 弧 增材成形大尺寸构件难点问题。同时 ，连续自下而上增 材 制造过程中 ，强烈的热输入及时变的熔池热边界 ，使得无模约束逐点自由 凝固的熔池尺 寸发生显著变化，而自由凝固成形尺寸变化为确定电弧增材成形件后期的机械加工余量带 来很大困难，一般要进行成形件三维扫描，后期加工成本显著增大。 [0004] 搅拌摩擦加工是基于搅拌摩擦焊接的方法，通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工 材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化，以消除铸造产 品中的 缩松、缩孔等缺陷 ，还可以 细化晶 粒 ，进而提高材料性能。1999年 ，美国 密苏里大学 Mishra教授提出该技术 ，并 制备了细晶 超塑性铝合金。电 弧 增材 制造与搅拌摩擦加工技术 结合 ，利 用搅拌针的高速旋转与移动强 烈摩擦、搅拌金 属进而热塑化 ，在热力耦合作 用下 ， 材料发生剧烈地塑性变形和动态再结晶 ，促使晶粒细化 ，改善零件凝固织构取向一致所 引 起的性能各项异性并致密化，及实现凝固冶金缺陷的在线修复保证成形件性能。此外，搅拌 摩擦加工热输入较低 ，金 属材料不发生熔化 ，半固 态的 粘塑性金 属经强 烈地塑性流变后凝 固成形 ，可显著降 低增材 制造构件内部残余热应力 ，减小应力变形 ，抑制开裂。同时采 用半 包围结构的 静 轴 肩设计 ，可约束粘塑性金 属流体的 流变成形 ，将原电 弧 增材无模约束的自 由熔积成形过程转变为有模约束的金属材料强烈塑性变形的流变成形过程，从而保证成形
【CN109807563A】一种AlCu合金的丝材电弧增材制造方法【专利】
3 A
说 明 书
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一种Al-Cu合金的丝材电弧增材制造方法
技术领域 [0001] 本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种Al-Cu合金的丝材电弧增材制造方 法 ，具体涉及一种利 用冷 却辊压及搅拌摩擦加工辅助的 Al-Cu合金的 丝材电 弧 增材 制造方 法。
背景技术 [0002] 金属的丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是 采 用熔化极气体保护焊 (GMAW) 、钨极氩弧焊 (GTAW) 或等离子弧焊 (PAW) 为热源 ，利用离散、 堆积原理 ，通过金 属丝材的添 加 ，在程序的 控制下根据三维数字模型由 线～面～体逐层堆 焊出三维金属零件的一种先进制造技术。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比 ， 其具有以下优点 ：1) 沉积速率高并且丝材利用率高 ，制造成本低 ；2) 可以成形对激光反射率 高的材质(如铝合金等) ；3)制造零件尺寸不受设备成型缸和真空室尺寸限制，易于实现大 尺寸构件的制造。 [0003] 可热处理强化的Al-Cu合金由于其高强度特征在航空、航天领域应用广泛。Cu元素 是Al-Cu合金的主加元素，含Cu的Al2Cu析出强化相对合金起主要强化作用。Al-Cu合金的力 学性能 和焊接性与Cu元素含量密切相关。当Cu含量较高或较低时 ，Al-Cu合金的凝固温度区 间 均较窄 ，合金在凝固过程中 均不易产生裂纹 ，可焊性较好 ；而具有中间成分的 Al-Cu合金 (如Cu含量为3 .8％～4 .9％的2024铝合金)的凝固温度区间则较宽，合金具有较高的裂纹敏 感性，可焊性较差。材料的焊接性能往往决定其在增材制造技术领域中的适用性，可焊性越 好的材料越容易进行基于熔化的金属增材制造，多层沉积金属的性能也越优异。目前，很多 学者已 利 用2319铝合金丝材进行电 弧 增材 制造 ，成功制备出无凝固裂纹的 多层沉积金 属。 但对于高裂纹敏感性的Al-Cu合金(如2024铝合金)丝材的电弧增材制造极具挑战。因此，高 裂纹敏感性Al-Cu合金丝材的电弧增材制造技术亟待突破。 [0004] 搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing，FSP)技术是在搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)的基础上发展起来的一种用于材料微观组织改性和新材料制备的技 术。其基本原理与FSW相似，将高速旋转的搅拌针压入材料内部，通过搅拌头强烈的搅拌作 用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合和破碎，实现材料微观结构的致密化、均匀化和细 化，从而改善材料的性能。目前，FSP技术已在细晶/超细晶材料和表面/块体复合材料制备、 非均质材料微观结构改性、工件局部硬化/缺陷修补等方面取得了良好的效果。其优势具体 表现在以 下几个方面 ：(1) 细化晶粒 ，提高材料性能。搅拌摩擦加工过程中 ，在大应变+高温 的复合条件下 ，搅拌区通过发生动态再结晶获得均匀细化的 等 轴晶 粒 ，进而改 善材料的 力 学性能。(2) 消除材料组织结构缺陷 ，获得均匀、致密的组织结构。对铸造铝合金进行搅拌摩 擦加工 ，铸造合金粗大的 第二 相粒子 和铝枝晶 被破碎 ，铸造孔隙 被弥合 ，基体晶 粒被细化 ， 材料的力学性能，特别是塑性和疲劳性能得到明显改善。T .S .Mahmoud利用FSP技术对共晶 A390铝硅合金进行改性，研究表明通过FSP技术可以减少铸造缩松，对α～Al以及Si颗粒具 有明显的细化作用(参见Mahmoud T S .Surface modification of A390hypereutectic
说 明 书
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一种Al-Cu合金的丝材电弧增材制造方法
技术领域 [0001] 本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种Al-Cu合金的丝材电弧增材制造方 法 ，具体涉及一种利 用冷 却辊压及搅拌摩擦加工辅助的 Al-Cu合金的 丝材电 弧 增材 制造方 法。
背景技术 [0002] 金属的丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是 采 用熔化极气体保护焊 (GMAW) 、钨极氩弧焊 (GTAW) 或等离子弧焊 (PAW) 为热源 ，利用离散、 堆积原理 ，通过金 属丝材的添 加 ，在程序的 控制下根据三维数字模型由 线～面～体逐层堆 焊出三维金属零件的一种先进制造技术。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比 ， 其具有以下优点 ：1) 沉积速率高并且丝材利用率高 ，制造成本低 ；2) 可以成形对激光反射率 高的材质(如铝合金等) ；3)制造零件尺寸不受设备成型缸和真空室尺寸限制，易于实现大 尺寸构件的制造。 [0003] 可热处理强化的Al-Cu合金由于其高强度特征在航空、航天领域应用广泛。Cu元素 是Al-Cu合金的主加元素，含Cu的Al2Cu析出强化相对合金起主要强化作用。Al-Cu合金的力 学性能 和焊接性与Cu元素含量密切相关。当Cu含量较高或较低时 ，Al-Cu合金的凝固温度区 间 均较窄 ，合金在凝固过程中 均不易产生裂纹 ，可焊性较好 ；而具有中间成分的 Al-Cu合金 (如Cu含量为3 .8％～4 .9％的2024铝合金)的凝固温度区间则较宽，合金具有较高的裂纹敏 感性，可焊性较差。材料的焊接性能往往决定其在增材制造技术领域中的适用性，可焊性越 好的材料越容易进行基于熔化的金属增材制造，多层沉积金属的性能也越优异。目前，很多 学者已 利 用2319铝合金丝材进行电 弧 增材 制造 ，成功制备出无凝固裂纹的 多层沉积金 属。 但对于高裂纹敏感性的Al-Cu合金(如2024铝合金)丝材的电弧增材制造极具挑战。因此，高 裂纹敏感性Al-Cu合金丝材的电弧增材制造技术亟待突破。 [0004] 搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing，FSP)技术是在搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)的基础上发展起来的一种用于材料微观组织改性和新材料制备的技 术。其基本原理与FSW相似，将高速旋转的搅拌针压入材料内部，通过搅拌头强烈的搅拌作 用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合和破碎，实现材料微观结构的致密化、均匀化和细 化，从而改善材料的性能。目前，FSP技术已在细晶/超细晶材料和表面/块体复合材料制备、 非均质材料微观结构改性、工件局部硬化/缺陷修补等方面取得了良好的效果。其优势具体 表现在以 下几个方面 ：(1) 细化晶粒 ，提高材料性能。搅拌摩擦加工过程中 ，在大应变+高温 的复合条件下 ，搅拌区通过发生动态再结晶获得均匀细化的 等 轴晶 粒 ，进而改 善材料的 力 学性能。(2) 消除材料组织结构缺陷 ，获得均匀、致密的组织结构。对铸造铝合金进行搅拌摩 擦加工 ，铸造合金粗大的 第二 相粒子 和铝枝晶 被破碎 ，铸造孔隙 被弥合 ，基体晶 粒被细化 ， 材料的力学性能，特别是塑性和疲劳性能得到明显改善。T .S .Mahmoud利用FSP技术对共晶 A390铝硅合金进行改性，研究表明通过FSP技术可以减少铸造缩松，对α～Al以及Si颗粒具 有明显的细化作用(参见Mahmoud T S .Surface modification of A390hypereutectic
一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法[发明专利]
![一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0936aed9541810a6f524ccbff121dd36a32dc43d.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911049776.1(22)申请日 2019.10.31(71)申请人 华中科技大学地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人 张海鸥 陈尧 赵旭山 王桂兰 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心42201代理人 李智(51)Int.Cl.B23K 9/095(2006.01)B23K 9/16(2006.01)B23K 9/28(2006.01)B23K 9/32(2006.01)G01B 11/24(2006.01)G01R 33/02(2006.01)(54)发明名称一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法(57)摘要本发明属于金属增材制造领域，并具体公开了一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法，其包括基板、电弧焊枪、电磁线圈、线激光扫描仪和磁场测量仪，所述电弧焊枪和电磁线圈位于所述基板上方，所述电弧焊枪用于在基板上焊接成形待成形零件，所述电磁线圈用于在待成形零件的焊道熔池处施加磁场；所述线激光扫描仪位于所述待成形零件上方，用于对焊道表面形貌进行检测；所述磁场测量仪位于所述电磁线圈和待成形零件之间，并与所述电磁线圈相连，用于测量和控制所述电磁线圈施加在焊道熔池处的磁场强度。
本发明在电弧增材制造时，通过电磁感应力对焊道熔池进行支撑，防止焊道流淌，减小焊接接头的残余应力，提高成形零件的力学性能。
权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 110802304 A 2020.02.18C N 110802304A1.一种电磁辅助电弧增材制造成形装置，其特征在于，包括基板(15)、电弧焊枪(8)、电磁线圈、线激光扫描仪(6)和磁场测量仪(13)，其中，所述电弧焊枪(8)和电磁线圈位于所述基板(15)上方，所述电弧焊枪(8)用于在基板(15)上焊接成形待成形零件(12)，所述电磁线圈用于在待成形零件(12)的焊道(10)熔池处施加磁场；所述线激光扫描仪(6)位于所述待成形零件(12)上方，用于对焊道(10)表面形貌进行检测；所述磁场测量仪(13)位于所述电磁线圈和待成形零件(12)之间，并与所述电磁线圈相连，用于测量和控制所述电磁线圈施加在焊道(10)熔池处的磁场强度。
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权利要求书1页 说明书4页 附图1页
CN 109590743 A
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权 利 要 求 书
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1 .一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤： （1）将零件模型分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传输至复合制造装备系 统，焊枪置于成形起点位置处，起弧后焊枪按照设定的工艺参数以路径中心线为运动轨迹， 进行连续电弧增材制造； （2）复合制造装备系统自下而上增材成形10mm后，打开电解液过滤泵、高压泵开关为旋 转工作电极提供电解液； （3）使工作电 极距工件表面5mm ，打开电 源系统 ，进行起始点电 解加工 ，待达到加工余量 设计值后，记录下电源系统的电流值，并作为后续电解加工的目标值； （4）提取零件模型分 层切片后的 规 划路径外轮 廓线 ，工作电 极按照设定的 工艺参数以 距路径外轮廓线5mm的逐点位置为运动轨迹，进行连续展成电解加工； （5）电 解加工连续运动过程中 ，电 源系统中设定的电 流值为运动 启停的 信号值 ，复合制 造装备系统检测工作电极与工件间电流，并与设定电流值对比 ，作为逐点连续电解加工的 运动信号； （6）每层电 解加工完成后 ，复合制造装备系统按照分层切片的 层高 ，与增材同向 增加电 解加工工作电极高度； （7）直至复合制造装备系统中用于电解加工的第二Z轴增加量与用于增材制造的第一Z 轴增加量相等，该增减材复合制造过程完成。 2 .根据权利要求1所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征 在于，所述复合制造装备系统包括机架，所述机架上设置有可沿X轴、Y轴方向移动并用于安 装工件的工作台 ，机架上位于工作台的上侧设置有可沿X轴方向 移动并可升降的 第一Z轴 ， 所述第一Z轴的下端设置有焊枪，所述机架上位于工作台的一侧设置有可升降调节的第二Z 轴，所述第二Z轴的上端设置有悬臂状的旋转空心阴极，所述旋转空心阴极的端部沿周向间 隔布设有喷 射孔 ，所述机架上设置有阳极与工作台 相连接且阴极 与第二Z轴相连接的电 源 系统，机架上还设置有电解液供液回收系统。 3 .根据权利要求2所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征 在于 ，所述机架上设置有可沿Y轴纵向 移动的 第一座板 ，所述第一座板上设置有可沿X 轴横 向移动的第二座板，所述第二座板上设置有用于安装工作台的绝缘板。 4 .根据权利要求3所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征 在于，所述电解液供液回收系统包括电解液贮存箱，所述电解液贮存箱内设置过滤泵，所述 过滤泵经高压泵连接有给水管 ，所述给水管与旋转空心阴极 相连接 ，所述第一座板上设置 有电 解液回流槽 ，所述电 解液回流槽上设置有排水口 ，所述排水口上连接有通入电 解液贮 存箱的排水管。 5 .根据权利要求3或4所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特 征 在于 ，所述工 作台的 上 侧设置有两 侧部分 别经 支撑柱与第一座板的 两 侧部向 连接的 顶 板，所述顶板与第一座板之间覆盖有玻璃布。 6 .根据权利要求3或4所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特 征在于，所述工作台与第一座板之间包裹有油布。 7 .根据权利要求2、3或4所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其 特征在于，所述喷射孔的直径为1mm，所述工作电极为旋转空心阴极。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910037968 .4
(22)申请日 2019 .01 .16
(71)申请人 福州大学 地址 350108 福建省福州Байду номын сангаас闽侯县上街镇 福州大学城学院路2号福州大学新区
(72)发明人 耿海滨 罗键
(74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100
制造方法 ( 57 )摘要
本发明 涉 及一 种电 弧 增材成形 与展成电 解 加工的复合制造方法 ：将零件模型分层切片后进 行路径规划，路径执行文件同时传输至复合制造 装备系统 ；自下而上 增材成形10mm后 ，为旋转工 作电 极提供电 解液 ；使工作电 极距工件表面5mm ， 打开电 源系统 ，进行起始点电 解 加工 ；工作电 极 按照设定的工艺参数以距路径外轮廓线5mm的逐 点位置为运动轨迹 ，进行连续展成电 解 加工 ；复 合制造装备系统检测工作电极与工件间电流，并 与设定电流值对比 ，作为逐点连续电解加工的运 动信号 ；复合制造装备系统按照分层切片的层 高 ，与增材同向增加电解加工工作电极高度；第 二Z轴增加量与第一Z轴增加量相等，该增减材复 合制造过程完成。方便用于实现复杂零部件增材 制造及在线精密减材加工。
代理人 蔡学俊
(51)Int .Cl . B23P 23/00(2006 .01) B23K 9/04(2006 .01) B23H 3/00(2006 .01) B23H 3/02(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109590743 A (43)申请公布日 2019.04.09
( 54 )发明 名称 一 种电 弧 增材成形 与展成电 解 加工的 复 合
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CN 109590743 A
说 明 书
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一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法
技术领域 [0001] 本发明涉及一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，属于高性能金属 材料增减材复合制造领域。
背景技术 [0002] 面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐渐向大型化、整体化发展。 电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要 基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝金属构成，开放的成形环境对成 形件尺寸无限制，钛合金成形速率可达4kg/h，故在成本、效率、成形件尺寸上具有其他增材 制造方法不可比拟的优势，是大型化、整体化零件近净成形最具潜力的数字化制造技术。 [0003] 电弧增材成形过程热输入远大于激光、电子束增材制造，逐点控制的熔池尺寸较 大 ，连续往复三维成形过程中 ，热源作用具有时序特征 ，三维空间非均匀加热过程使得成形 件自首至尾、自下而上各区域温度梯度较大，相应地熔池尺寸截面特征尺寸变化显著，成形 时一般设置层间停留时间 ，等待基体降 温至特定层间温度后再继续成形 ，但该方法不利于 发挥电弧增材高效成形的优势，严重限制了电弧增材成形效率的发挥。 [0004] 此外，即使采用层间控温策略获得一致性较高的成形件表面形貌，但电弧增材熔 池尺寸较大，成形件表面周期性起伏形貌明显，表面粗糙度较差，需经机械加工才能满足最 终使用要求。而面向个性化、复杂化需求的增材制造技术本质上是为了解决复杂结构加工 成形刀具可达性问题，