一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置及方法，装置包括：机器人装置、激光冲击装置、电弧增材制造装置、送粉装置、控制系统。方法包括以下步骤：1)将基板固定在工作台上，熔化金属丝材，形成熔池；2)选择电弧增材制造工艺参数和激光光斑大小，设置激光器参数；3)调整激光冲击装置位置和角度；4)调整激光冲击装置；5)调整送粉喷嘴位置，同时设定送粉速率；6)通过控制系统开启电弧增材制造金属基复合材料加工，通过激光冲击装置搅拌熔池，抑制低密度颗粒的上浮；7)直至沉积完成预定构件形状，结束工作。本发明专利技术从本质上解决电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮的难题，有效促进沉积层成分均匀化。有效促进沉积层成分均匀化。有效促进沉积层成分均匀化。
【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置及方法
[0001]本专利技术涉及电弧增材制造
，具体涉及一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置及方法。
技术介绍
[0002]电弧增材制造是以电弧为热源熔化金属丝材，基于离散
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堆积原理在基体表面实现三维立体成形的先进数字化制造技术。电弧增材制造技术以其高成形效率、低加工成本、短生产周期，成形大型金属构件方面的独特优势在金属基复合材料制造方面具有巨大的潜力。复合材料是由两种或两种以上不同物理和化学性质的物质通过适当的工艺方法组合而成的多相固体材料，它优化了其组成材料的性能，可以创造出单一材料不具备的性能或功能。复合材料是由基体材料和增强材料组成，在电弧增材制造领域通常为金属基复合材料，基体材料为金属材料，增强材料为非金属陶瓷颗粒。然而，由于增强颗粒的密度通常与基体金属材料相差较大，且二者互不润湿，在增材制造过程中增强颗粒极易在熔池中出现上浮或下沉的不均匀分布现象，严重影响着电弧增材制造金属基复合材料的成形质量，限制了该技术的进一步发展及应用。
[0003]针对上述问题，现有技术公布了一项电弧增材制造WC颗粒增强铁基复合材料成形研究，利用包含WC颗粒的粉芯丝材实现了电弧增材制造WC颗粒增强铁基复合材料成形。由于WC的密度为15.63g/cm3，铁的密度为7.85g/cm3，成形过程中高密度的WC颗粒主要分布于熔池底部。增强相颗粒在熔池内的不均匀分布会削弱对基体材料的弥散强化作用，导致增材制造金属基复合材料性能的恶化，由此引发的颗粒团聚还会诱发孔隙和裂纹等缺陷的产生，降低复合材料的可成形性。研究发现通过焊枪摆动促进熔池流动改善了WC颗粒在熔池底部沉聚的现象。然而，围绕低密度陶瓷颗粒(如TiC，密度4.93g/cm3)在高密度基体材料(如316L，密度7.98g/cm3)中的上浮现象，一方面，通过焊枪摆动等机械搅拌的方式会促进熔池流体流动并加剧颗粒的上浮效应，导致颗粒会趋向于熔池表面集聚；另一方面，由于熔融态金属的表面张力通常较大，一旦颗粒上浮到熔池表面便很难通过焊枪摆动等辅助方法将其重新卷入到熔池中，浮于熔池表面的颗粒逐渐累积生成的隔离膜会阻碍后续熔滴的过渡过程，诱发孔隙等缺陷的形成，直至成形失效。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提出一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置及方法。
[0005]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置，包括：机器人装置、激光冲击装置、电弧增材制造装置、送粉装置、控制系统。
[0006]所述基板上放置有待处理的金属丝材。
[0007]所述机器人装置带动电弧增材制造装置移动。
[0008]所述电弧增材制造装置用于熔化金属丝材。熔化后的金属丝材形成熔池。
[0009]当金属丝材采用内部包覆低密度增强颗粒的粉芯丝材时，送粉装置不工作。
[0010]当金属丝材采用实心丝材时，所述送粉装置工作，向熔池输送粉末颗粒。
[0011]所述粉末颗粒包括低密度增强颗粒。所述低密度增强颗粒的密度小于熔池内熔融基体金属的密度。
[0012]所述激光冲击装置向熔池作用形成激光冲击波，冲击振荡熔池，使得粉芯丝材或粉末颗粒中的低密度增强颗粒向激光冲击方向转移，实现低密度颗粒上浮效应的抑制。
[0013]所述控制系统用于控制机器人装置、激光冲击装置、电弧增材制造装置、送粉装置工作。
[0014]所述熔池冷却后在基板上形成抑制低密度颗粒上浮的沉积层。
[0015]进一步，所述机器人装置包括工业六轴机器人、控制柜。
[0016]所述工业六轴机器人控制电弧增材制造装置在空间内完成曲面路径运动。
[0017]所述控制柜用于控制工业六轴机器人的启动和运动方向。
[0018]进一步，所述激光冲击装置包括输出高斯光束的脉冲激光器、输出均匀光束的脉冲激光器、基模输出激光器、单模输出激光器。
[0019]所述激光冲击装置在电弧增材制造过程中与电弧增材制造装置保持相对静止，激光冲击方向与熔池底面平行。
[0020]所述激光冲击装置产生的激光光斑包括能量平顶分布的高斯光斑和能量高斯分布的均匀光斑。
[0021]进一步，所述电弧增材制造装置包括基于冷金属过渡的熔化极气体保护焊接装置、基于非熔化极的钨极气体保护焊接装置。
[0022]所述电弧增材制造装置包括：送丝机构、导电喷嘴、焊枪、水冷箱、送丝机构、焊接电源。
[0023]所述送丝机构用于传递金属丝材，并释放保护气隔绝空气。
[0024]所述导电喷嘴用于生成电弧，所述电弧作为热源熔化金属丝材。
[0025]所述焊枪用于将熔化的金属丝材沉积到基板上。
[0026]所述水冷箱用于冷却熔池，使熔池成为沉积层。
[0027]所述焊接电源为电弧增材制造装置供电。
[0028]进一步，所述送粉装置包括：送粉喷嘴、送粉器。
[0029]所述送粉器通过送粉喷嘴将送粉器内部的粉末颗粒输送至熔池。
[0030]所述送粉喷嘴与沉积层位于同一平面内。
[0031]进一步，所述粉末颗粒的密度低于基体材料颗粒的密度。
[0032]所述粉末颗粒还包括均匀混合的低密度增强颗粒和基体材料颗粒。
[0033]进一步，所述控制系统包括电弧增材制造控制系统、机器人控制系统、激光器控制系统和旁轴送粉控制系统。
[0034]所述电弧增材制造控制系统控制增材制造过程工艺参数。
[0035]所述机器人控制系统用于调用电弧增材制造焊接程序和控制工业六轴机器人进行空间位置变换。
[0036]所述激光器控制系统控制激光冲击工艺参数。
[0037]所述旁轴送粉控制系统控制向熔池中输送粉末的速率。
[0038]一种利用上述一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置进行的电弧增材制造方法，包括以下步骤：
[0039]1)将基板固定在工作台上，所述机器人装置带动电弧增材制造装置移动到对应位置后，电弧增材制造装置熔化金属丝材，熔化后的金属丝材形成熔池。
[0040]2)选择电弧增材制造工艺参数，根据电弧增材制造沉积层宽度或熔池大小选择激光光斑大小，设置激光器参数，避免产生冲击飞溅。
[0041]3)调整激光冲击装置位置和角度，使激光光斑对准熔池。
[0042]4)根据电弧增材制造工艺参数的变化，调整激光冲击装置，使激光光斑覆盖熔池表面。
[0043]5)调整送粉喷嘴，调节粉末输送位置，同时设定送粉速率。
[0044]6)通过控制系统依次启动激光冲击装置、送粉装置、电弧增材制造装置，开启电弧增材制造金属基复合材料加工，同时通过激光冲击装置搅拌熔池，抑制低密度颗粒的上浮。
[0045]7)重复步骤1)
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步骤6)，直至本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置，其特征在于，包括：机器人装置、激光冲击装置(4)、电弧增材制造装置(5)、送粉装置、控制系统；所述基板(1)上放置有待处理的金属丝材(10)；所述机器人装置带动电弧增材制造装置(5)移动；所述电弧增材制造装置(5)用于熔化金属丝材(10)；熔化后的金属丝材(10)形成熔池(17)。当金属丝材(10)采用内部包覆低密度增强颗粒(19)的粉芯丝材时，送粉装置不工作；当金属丝材(10)采用实心丝材时，所述送粉装置工作，向熔池(17)输送粉末颗粒(12)；所述粉末颗粒(12)包括低密度增强颗粒(19)；所述低密度增强颗粒(19)的密度小于熔池(17)内熔融基体金属的密度。所述激光冲击装置(4)向熔池(17)作用形成激光冲击波(14)，冲击振荡熔池(17)，使得粉芯丝材或粉末颗粒(12)中的低密度增强颗粒(19)向激光冲击方向(16)转移，实现低密度颗粒上浮效应的抑制；所述控制系统用于控制机器人装置、激光冲击装置(4)、电弧增材制造装置(5)、送粉装置工作；所述熔池(17)冷却后在基板(1)上形成抑制低密度颗粒上浮的沉积层(2)。2.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置，其特征在于，所述机器人装置包括工业六轴机器人、控制柜；所述工业六轴机器人控制电弧增材制造装置(5)在空间内完成曲面路径运动；所述控制柜用于控制工业六轴机器人的启动和运动方向。3.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置，其特征在于，所述激光冲击装置(4)包括输出高斯光束的脉冲激光器、输出均匀光束的脉冲激光器、基模输出激光器、单模输出激光器；所述激光冲击装置(4)在电弧增材制造过程中与电弧增材制造装置(5)保持相对静止，激光冲击方向(16)与熔池底面(22)平行。所述激光冲击装置(4)产生的激光光斑包括能量平顶分布的高斯光斑和能量高斯分布的均匀光斑。4.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造金属基复合材料熔池低密度颗粒上浮效应抑制装置，其特征在于，所述电弧增材制造装置(5)包括基于冷金属过渡的熔化极气体保护焊接装置、基于非熔化极的钨极气体保护焊接装置；所述电弧增材制造装置(5)包括：送丝机构、导电喷嘴、焊枪(9)、水冷箱、送丝机构、焊接电源；所述送丝机构用于传递金属丝材(10)，并释放保护气(11)隔绝空气；所述导电喷...
【专利技术属性】
技术研发人员：伊浩，贾乐，曹华军，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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