一种适用于高性能金属构件的多电弧协同增材制造方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明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，按照本发明，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，通过本发明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)，通过本发明，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，本发明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、本发明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、按照本发明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，示范性显示按照本发明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发明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发明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发明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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。

基于前面背景技术部分的分析，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，示范性显示按照本发明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所示，这5束电弧的空间距离、姿态均可独立调控，也即这些相互独立的5束电弧按一定的形式排列，各电弧独立，并各自有独立电源与位置及姿态调节机构等，可灵活地调整弧电弧枪的位置与姿态。以此方式，通过调节5束电弧之间的相对位置关系及作业姿势等，使5束电弧之间形成共熔池、部分共熔池、不共熔池三种状态，不同状态下金属构件从800℃到300℃的冷却速度不同，获得不同的组织与性能，实现电弧增材制造金属构件组织与性能的调控。

更具体地，这五个独立的电弧枪可分别固定在一个机械装置上，其中电弧枪1可沿着x轴、y轴和z轴(也即左右水平方向、垂直穿过纸面的方向和上下竖直方向，这三种方向共同构造常规的xyz坐标系)譬如经由导轨产生相对直线运动，此外还可执行以z轴为转动轴的角度调整，其中与z轴之间的夹角如图2所示整体被保持在0～60°的范围内，由此获得不同组合的相对位置和工作姿态。相应地，通过这些电弧枪之间的配合，可形成共熔池、部分共熔池和不共熔池三种不同状态的工作模式，实现大型金属构件高效率、高性能电弧增材制造。

如图3a所示，当5束电弧彼此之间的相对间距设定为小于10mm，并且可进一步优选使得各个电弧枪相对于z轴的夹角譬如处于(30°,60°]的区间范围时，此时处于共熔池工作模式；在此模式下，电弧热在堆积金属构件的积累大，堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度较慢；进一步的研究发现，此工作模式适宜于合金含量较高，易形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造。

如图3b所示，当5束电弧彼此之间的彼此之间的相对间距设定为大于18mm，此时可还进一步优选使得各个电弧枪相对于z轴的夹角譬如处于(0°,10°]的区间范围时，此时处于非熔池工作模式；在此模式下，电弧热在堆积金属构件的热积累较小，堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度快；进一步的研究发现，此工作模式适宜于低碳钢，微合金钢，不易形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造。

如图3c所示，当5束电弧彼此之间的相对间距设定处于[10mm,18mm]的区间范围，此时还可进一步优选将各个电弧枪相对于z轴的夹角譬如处于(10°,30°]的区间范围时，此时处于部分熔池工作模式；在此模式下，电弧热在堆积金属构件的热积累介于共熔池和不共熔池之间，堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度也介于共熔池和不共熔池之间；进一步的研究发现，此工作模式下适宜于低合金钢，有可能形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造。

在堆积成形过程中，以上5个电弧同时工作，成形效率至少达到15kg/h(钢铁材料)，极大提高了堆积成形效率。此外，通过调控5电弧的相对位置及工作姿势的调节控制温度场，实现大型高性能金属构件高效率、高性能增材制造。

此外，本发明所提供的电弧增材制造成形工艺方法具体可包括下列步骤：

1、对多束电弧熔池状态调控：通过调节多束电弧枪体的距离、姿态，以便组成共熔池、部分共熔池与不共熔池各种状态；

2、三维建模与路径规划：可采用ug或pro/e三维造型软件绘制出增材制造的大型金属构件的三维cad模型，并规划出成形路径；

3、温度场调控：由成形金属材料的成分，确定堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度，使冷却速度通过需要得到的组织区域，调节多电弧之间的相对位置成为共熔池、部分共熔池与不共熔池中特定的状态；

4、堆积成形：按给定的工艺参数，进行电弧增材制造大型高性能金属构件。

下面继续给出不同应用场合的多个具体实施例，以便更为清晰地解释本发明。

实施例1

某舰船关键构件，构件的抗拉强度在1000mpa以上，成形材料有较高的合金元素含量，堆积成形过程中，若冷却速度过快，易产生韧性较低的片状马氏体组织。为了避免片状马氏体的产生，获得高韧性组织，以采用5束电弧共熔池的方式为例来执行增材制造。具体步骤如下：

1)调节5束电弧的距离，保证其相互之间的距离为6mm(10mm以内即为共熔池状态)，电弧枪体与z轴的夹角为39°，此时为5束电弧为共熔池状态；

2)三维模型建立：采用ug三维造型软件绘制出零部件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；

3)温度场调控：由cct图确定堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度大小，调节堆积电流、电压、弧电弧枪行走速度，配合共熔池，将堆积成形金属构件从800℃到300℃的冷却速度控制在选定的范围内；

4)堆积成形：按给定的电流、电压、弧电弧枪行走速度堆积成形。

所获得的金属构件的性能数据实测如下表1所示：

表1

实施例2

某大型建筑关键构件，构件抗拉强度在500mpa以上，成形材料为低合金碳钢。为了避免晶粒过分长大，从800℃到300℃的冷却速度不能够太慢。因此，为了获得高强度、高韧性的金属构件，用5电弧非共熔池状态进行增材制造。具体步骤如下：

1)调节5束电弧的距离，保证其相互之间的距离为20mm(18mm以上即为非共熔池状态)，电弧枪体与z轴的夹角为9°，此时为5束电弧为不共熔池状态；

2)三维模型建立：采用三维造型软件pro/e绘制出零部件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；

3)温度场调控：由组织转变cct图确定堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度应该在10℃/s左右，调节堆积电流、电压、弧电弧枪行走速度，配合不共熔池，将堆积成形金属构件从800℃到300℃的冷却速度控制在选定的范围内；

4)堆积成形：按给定的电流、电压、弧电弧枪行走速度堆积成形。

所获得的金属构件的性能数据实测如下表2所示：

表2

实施例3

某大型压力容器关键构件，构件抗拉强度在780mpa以上，成形材料为低合金碳钢。既要避免晶粒过分长大，又要防止马上体的产生，从800℃到300℃的冷却速度要适中。因此，为了获得高强度、高韧性的金属构件，采用5电弧部分共熔池进行增材制造。具体步骤如下：

1)调节5束电弧的距离，保证其相互之间的距离为12mm(10mm～18mm之间为部分共熔池状态)，枪体姿态的夹角为25°，此时为5束电弧为部分共熔池状态；

2)三维模型建立：采用ug三维造型软件绘制出零部件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；

3)温度场调控：由cct图确定堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度大小，调节堆积电流、电压、弧电弧枪行走速度，配合部分共熔池状态，将堆积成形金属构件从800℃到300℃的冷却速度控制在选定的范围内；

4)堆积成形：按给定的电流、电压、弧电弧枪行走速度堆积成形。

所获得的金属构件的性能数据实测如下表3所示：

表3

实施例4

某炼钢装备关键构件，外表面要求耐高温的0cr13nimo马氏体不锈钢，中间为过渡层0cr17ni9不锈钢，内表面为42crmo合金钢。为了实现多材料梯度结构，内表面为电弧1与电弧2使用42crmo丝材，并且共熔池，电弧3使用0cr17ni9丝材，电弧4与电弧5使用0cr13nimo丝材，并共熔池。他们三者不共熔池，进行多材料与梯度结构增材制造时，具体步骤如下：

1)调节5束电弧的距离，电弧1、2之间的距离为6mm，为共熔池状态，电弧枪体与z轴的夹角为21°。电弧3与电弧1、2之间的距离为18mm，电弧枪3与z轴的夹角为5°电弧3与电弧1、2为非共熔池状态。电弧4、5之间的距离为6mm，为共熔池状态，电弧枪体与z轴的夹角为21°。电弧3与电弧4、5之间的距离为18mm，电弧3与电弧4、5为非共熔池状态。因此在多材料与梯度结构的增材制造过程中，电弧之间即有共熔池，又有不共熔池；

2)三维模型建立：采用三维造型软件pro/e绘制出零部件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；

3)将成形所需要的三种丝材分别放置到相应的送丝机构中，电弧1、2为42crmo丝材，电弧3为0cr17ni9丝材，电弧4、5为0cr13nimo丝材丝材；

4)堆积成形：按给定的电流、电压、弧电弧枪行走速度堆积成形，成为相应的多材料梯度结构。

综上，按照本发明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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。