一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法技术

本发明专利技术属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法，包括：针对待成形的金属构件，布置多个相互独立且可执行XYZ三轴平动和角度转动的电弧枪，由此使得它们彼此之间的相对位置和工作姿态发生自由改变；基于金属构件的三维模型和成形路径，向各个电弧枪的送丝系统装上相同或不同的金属丝材，并根据工况需求，采用共熔池、非共熔池、部分共熔池这多种模式中的一些或组合来执行金属构件的多电弧系统增材制造过程。通过本发明专利技术，能够很好地调节堆积金属的温度场、显著改善金属组织结构，实现更高效率和更高质量的电弧增材制造全过程，并且尤其适用于一些高性能大型复杂金属构件的特定应用场合。

Multi arc synergistic material increasing manufacturing method suitable for high performance metal component

The invention belongs to the technical field of additive manufacturing, more specifically, relates to a multi arc suitable for high performance metal component synergistic method, manufacturing material includes: needle treated metal component forming, arrangement of a plurality of independent and executable arc gun XYZ three axis translation and rotation angle, which makes the relative position between them and work attitude change free; 3D model of metal components and forming path based on the wire feeding system to each arc gun mounted on the same or different metal wire material, and according to the needs of working conditions, multi arc system or a combination of some with common weld pool, non eutectic pool, part of the molten pool the various modes of metal components to perform additional material manufacturing process. The invention can effectively adjust the temperature field, the metal accumulation significantly improve the structure of the metal, the whole process to achieve more efficient and higher quality arc increasing material manufacturing, specific applications and is especially suitable for some high performance large complex metal components.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法
本专利技术属于增材制造相关
，更具体地，涉及一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法。
技术介绍
所谓电弧熔化金属丝材增材制造技术，是一种以电弧作为热源熔化金属丝材，并使得熔化的丝材按照所设定的成形路径不断堆积成形的快速增材制造方法。电弧增材制造工艺作为小熔池熔炼冶金技术，其堆积层金属力学性能好，化学成分均匀。电弧增材制造工艺相对于高能束(激光、电子束)之类的增材制造技术而言，具有成本低、效率高、空间任意曲面成形等特点，因而适用于各类大型复杂金属构件的成形。现有技术中，电弧熔丝增材制造的效率大约为3kg/h-5kg/h(钢铁材料)，其成形效率与激光、电子束类型相比较高，但在成形大型金属构件的场合仍然效率偏低。此外，进一步的研究表明，在电弧熔丝堆积过程中，热积累往往会使堆积成形金属构件晶粒粗大，造成性能恶化，不能满足大型金属构件的高性能要求。相应地，本领域亟需作出进一步的完善和改进，以便更好地符合日益提升的质量要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上不足或改进需求，本专利技术提供了一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法，其中通过将单丝电弧熔丝机理改变为多丝电弧熔丝机理，特别是还进一步对这多个电弧的具体设置方式、操控原理、应用条件和关键工艺参数等多个方面做出针对性的研究和设计，相应能够很好地调节堆积金属的温度场、显著改善金属组织结构，实现更高效率和更高质量的电弧增材制造全过程，并且尤其适用于一些高性能大型复杂金属构件的特定应用场合。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法，其特征在于，该方法包括：(a)针对待成形的金属构件，布置多个相互独立的电弧枪，这些电弧枪分别配有独立的电源，并且各自既可沿着X轴、Y轴和Z轴方向执行直线移动，也可执行以Z轴为转动轴的[0°,60°]范围内的角度调整，从而使得它们彼此之间的相对位置和工作姿态发生自由改变；(b)基于金属构件的三维模型和成形路径，向各个电弧枪的送丝系统装上相同或不同的金属丝材，并根据工况需求，采用下列工作模式中的一种或任意组合来执行金属构件的多电弧系统增材制造过程：(b1)共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为小于10mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较快的第一冷却速度；(b2)不共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为大于18mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较慢的第二冷却速度；(b3)部分共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定处于[10mm,18mm]的区间范围，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得第三冷却速度，其中该第三冷却速度介于所述第一冷却速度与所述第二冷却速度之间。作为进一步优选地，在所述的共熔池工作模式下，各个电弧枪相对于Z轴的夹角进一步优选设定处于(30°,60°]的区间范围；在所述的不共熔池工作模式下，各个电弧枪相对于Z轴的夹角进一步优选设定处于(0°,10°]的区间范围；此外，在所述的部分共熔池工作模式下，各个电弧枪相对于Z轴的夹角进一步优选设定处于(10°,30°]的区间范围。通过以上构思，由于采用了多丝电弧熔丝机理来执行增材制造过程，整体成形效率可大大提高，如5束电弧熔丝增材制造的成形效率至少可达到15kg/h(钢铁材料)，显著减少了大型金属构件的成形时间；此外，通过以上对多束电弧之间的相对距离和作业姿势等关键工艺参数专门进行研究和设计，实际测试表明可有效调控温度场，使得堆积过程的金属构件在冷却过程尤其是从800℃到300℃的重要阶段可获得更高韧性和更高强度的组织构造，同时避免晶粒过分长大；此外，上述工艺还便于多种不同材料的同步增材制造，并且多种模式可根据需求灵活调整，因而尤其适用于多材料梯度结构的高性能金属构件制造场合。作为进一步优选地，所述多个电弧枪的数量优选为5个以上，并各自配有位置及姿态调节机构。作为进一步优选地，所述共熔池工作模式优选适用于合金含量高、易形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造过程。作为进一步优选地，所述不共熔池工作模式优选适用于低碳钢、微合金钢，或者不易形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造过程。作为进一步优选地，所述部分共熔池工作模式优选适用于低合金钢、或者可能形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造过程。作为进一步优选地，所述金属构件优选为多材料梯度结构。总体而言，通过本专利技术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：1、可显著提高电弧增材成形效率：目前单电弧熔丝增材制造的成形的效率仅为3-5kg/h(钢铁材料)，通过本专利技术，譬如当采用5束电弧熔丝增材制造时，其成形效率至少达到15kg/h(钢铁材料)，减少了大型金属构件的成形时间；2、更重要的是，本专利技术中通过调控多束电弧之间的相对距离和工作姿态，并对其具体取值范围作出进一步的针对性设计，相应可有效达到调控金属构件堆积过程中的温度场的目的，确保金属构件在整个冷却过程尤其是从800℃到300℃的阶段可获得各种适当的不同冷却速度，相应得到高韧性、高强度和晶粒不会过分成大的金属组织，进而得到所需的高性能大型金属构件；3、本专利技术还可实现多种不同材料同时增材制造。例如，可在多束电弧各自的送丝系统上装放不同成分的丝材，多种成分不同的金属丝材同时增材制造，由此便于加工形成多材料梯度结构与性能的金属构件；4、按照本专利技术的上述方法在提高成形效率的同时，还能够以便于操控、适应性强的方式来调控堆积成形金属构件组织与性能，实现高性能大型复杂金属构件的高效率、高性能堆积成形，因而尤其适用于譬如舰船、航空之类的高性能大型金属构件的电弧增材制造应用场合。附图说明图1是以5束电弧为例，示范性显示按照本专利技术所构建的多电弧协同增材制造方法的电弧布置示意图；图2是用于具体显示图1中的单个电弧相对于Z轴方向的角度示意图；图3a是用于具体显示按照本专利技术的共熔池工作模式下的电弧枪位置示意图；图3b是用于具体显示按照本专利技术的不共熔池工作模式下的电弧枪位置示意图；图3c是用于具体显示按照本专利技术的部分熔池工作模式下的电弧枪位置示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。基于前面
技术介绍
部分的分析，堆积成形构件的性能主要取决于显微组织。根据金属学与焊接冶金理论，在金属丝材成分一定的情况下，对电弧增材制造堆积金属构件组织起决定作用的是堆积过程中金属构件的温度场，特别是从800℃到300℃的冷却速度。相应地，本申请考虑利用堆积金属的组织转变图，并通过更为精细去调控温度场的方式，确保可获得适当的不同冷却速度来通过高韧性组织转变区，进而确保金属构件在组织转变过程中形成高韧性、高强度的组织，并尽量避免晶粒过分成长的问题。图1是以5束电弧为例，示范性显示按照本专利技术所构建的多电弧协同增材制造方法的电弧布置示意图。如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法，其特征在于，该方法包括：(a)针对待成形的金属构件，布置多个相互独立的电弧枪，这些电弧枪分别配有独立的电源，并且各自既可沿着X轴、Y轴和Z轴方向执行直线移动，也可执行以Z轴为转动轴的[0°,60°]范围内的角度调整，从而使得它们彼此之间的相对位置和工作姿态发生自由改变；(b)基于金属构件的三维模型和成形路径，向各个电弧枪的送丝系统装上相同或不同的金属丝材，并根据工况需求，采用下列工作模式中的一种或任意组合来执行金属构件的多电弧系统增材制造过程：(b1)共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为小于10mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较快的第一冷却速度；(b2)不共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为大于18mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较慢的第二冷却速度；(b3)部分共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定处于[10mm,18mm]的区间范围，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得第三冷却速度，其中该第三冷却速度介于所述第一冷却速度与所述第二冷却速度之间。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法，其特征在于，该方法包括：(a)针对待成形的金属构件，布置多个相互独立的电弧枪，这些电弧枪分别配有独立的电源，并且各自既可沿着X轴、Y轴和Z轴方向执行直线移动，也可执行以Z轴为转动轴的[0°,60°]范围内的角度调整，从而使得它们彼此之间的相对位置和工作姿态发生自由改变；(b)基于金属构件的三维模型和成形路径，向各个电弧枪的送丝系统装上相同或不同的金属丝材，并根据工况需求，采用下列工作模式中的一种或任意组合来执行金属构件的多电弧系统增材制造过程：(b1)共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为小于10mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较快的第一冷却速度；(b2)不共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为大于18mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较慢的第二冷却速度；(b3)部分共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定处于[10mm,18mm]的区间范围，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得第三冷却速度，其中该第三冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：余圣甫，史玉升，代轶励，宋波，张李超，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42