本发明涉及一种增材制造方法和装置，具体涉及一种电弧填丝和滚压复合增材制造方法和装置。
背景技术：
增材制造(additivemanufacturing，am)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除及切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。因此在航空航天、汽车、模具、生物医疗等高端制造领域具有广阔的应用前景。根据载能束的区别，金属增材制造可分为激光、电子束和电弧三类。电弧填丝增材制造技术适于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形，是与目前发展较成熟的激光、电子束增材制造方法优势互补的增材成形技术。
滚压(rolling)作为一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，利用滚压工具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到工件表面粗糙值降低。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。
电弧填丝增材制造(wire+arcadditivemanufacturing，waam)技术采用电弧作为热源，通过不断熔化填充丝材并根据目标构件的数字模型沿成形轨迹逐层堆积出金属零件，具有成形尺寸大、设备成本低、材料利用率和沉积效率高等优点，是一种可实现高性能金属零件经济快速成形的方法。但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量，导致零件严重翘曲变形和开裂。另外，工艺参数、外部环境和熔池状态的变化都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松等。这些内部缺陷是承力结构致命的疲劳萌生源，其影响最终成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。
技术实现要素：
本发明的目的之一，为了解决上述问题，本发明提出了一种电弧填丝和滚压复合增材制造方法，包括以下步骤：
1)采用碱性溶液清洗基板表面以去除油污，然后打磨去除基板表面的氧化膜并用丙酮擦拭干。
2)基板通过夹具固定在焊接工作台上，通过控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成焊层，其中电弧填丝增材制造参数包括送丝速度为6～10m/min；焊接电流为95～140a；焊接速度为7～12mm/s；单道焊缝的宽度为5～10mm，单道焊缝的高度为1.3～2mm；并且增材制造过程中用99.999％高纯氩进行正面保护，气体流量为18～20l/min。
3)通过温度传感器对焊层的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，当焊层表面温度冷却到金属再结晶温度范围时，控制器根据成形件单层层高确定滚压载荷，使单层层高与滚压载荷相匹配，即滚压载荷可以满足焊层的强化要求，再控制滚轮对焊层表面进行同步滚压强化，使焊层表面粗糙度ra≤0.08μm；
具体来说，单层层高控制在1.3到2mm，对应载滚压荷控制在30到70kn。
4)重复步骤2)和3)，焊层逐层堆叠形成工件。
本发明目的之二，提供了一种电弧填丝和滚压复合增材制造装置。包括夹具、控制器、焊接工作台、温度传感器、电弧填丝装置和滚压装置，所述滚压装置，温度传感器和电弧填丝装置从左到右依次设于工作台上方；所述夹具将基板固定在焊接工作台上；所述温度传感器与位于温度传感器上方的液压缸连接，通过控制器控制液压缸进行前后、左右移动从而带动温度传感器的移动；所述电弧填丝装置包含运动机构、焊枪和送丝机构，焊枪和送丝机构连接在运动机构上，通过控制器控制运动机构进行前后、左右移动；所述滚压装置包含滚轮、辊架和液压缸，滚轮安装在辊架上，辊架与位于辊架上方的液压缸连接，通过控制器控制液压缸进行前后、左右移动；控制器通过控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成焊层；所述控制器通过温度传感器对焊层的温度进行检测，所述控制器与所述电弧填丝装置、温度传感器和滚压装置电连接。
所述滚轮类型有两种，第一种滚轮中部开有半圆形凹槽，与焊缝凸起表面的曲率相匹配，第二种滚轮中部除了半圆形凹槽外还有一个插槽，主要是为了约束金属材料的侧向变形。其中根据电弧填丝增材制造过程中成形件最终所达到的高度，合理选用第一种滚轮和第二种滚轮。
滚轮的半圆形凹槽的半径由成形件层宽决定；凹槽下面的宽度需要大于等于成形件的层宽，使滚轮可以对成形件进行滚压。
所述温度传感器为红外线传感器。
所述控制器为工控机和plc连接的控制器。
本发明有益效果：本发明在工作时，将基板固定在焊接工作台上，通过控制焊枪移动并配合送丝机构进行电弧填丝，形成焊层，同时通过温度传感器对焊层的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，并且控制器控制滚轮对焊层表面进行同步滚压强化，在工件制造过程中细化金属晶粒，引入残余压应力层，降低表面粗糙度，改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，避免普通电弧增材制造成形金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属工件的综合机械力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明电弧填丝和滚压复合增材制造装置的结构示意图。
图2为两种滚轮的形状示意图。
图3为电弧填丝增材制造中引入滚压与未引入滚压的金相组织图。
其中1是夹具，2是辊架，3是液压缸，4是控制器，5是滚轮，6是温度传感器，7是运动机构，8是焊枪，9是送丝机构，10是焊层，11是基板，12是焊接工作台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
实施例
本实施例选用轧制过的钢板(牌号s355jr-ar)，尺寸为500mm×60mm×12mm，焊丝选用直径为0.8mm的低碳钢焊丝。参照图1和图2，本实施例涉及电弧填丝和滚压复合增材制造方法，包括以下步骤：
1)采用碱性溶液清洗基板表面以去除油污,然后打磨去除基板表面的氧化膜并用丙酮擦拭干。
2)基板11通过夹具1固定在焊接工作台12上，通过控制焊枪8移动并配合送丝机构9进行电弧填丝，形成焊层10，其中电弧填丝增材制造参数包括送丝速度为10m/min；焊接电流为110a；焊接速度为8mm/s；单道焊缝的宽度为5mm，单道焊缝的高度为2mm；并且增材制造过程中用99.999％高纯氩进行正面保护，气体流量为20l/min。
3)通过温度传感器6对焊层10的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，当焊层10表面温度冷却至540℃左右时，控制器4根据成形件层高2mm确定滚压载荷70kn，再控制滚轮5对焊层10表面进行同步滚压强化，使焊层表面粗糙度ra≤0.08μm；
4)重复步骤2)和3)，焊层10逐层堆叠形成工件。
所述电弧填丝焊层的温度通过红外热成像仪(温度传感器6)采集数据并发送到控制器4；当电弧填丝焊层10的温度冷却至540℃左右时，滚轮5对焊层10进行同步滚压强化。
控制器4根据焊层10的厚度2mm确定滚轮5的滚压载荷为70kn，并且根据焊层10宽度确定滚轮5的参数和类型，控制器4控制滚轮5对温度冷却至540℃左右的焊层10进行同步滚压强化。
滚轮类型有两种，第一种带有半圆形凹槽，与焊缝凸起表面的曲率相匹配，第二种除了半圆形凹槽外有一个插槽，主要是为了约束金属材料的侧向变形。根据成形件层宽为5mm，滚轮的半圆形凹槽的半径为3.6mm；插槽深度为10mm。当成形件所达到的最终高度小于10mm时，选用第一种滚轮；当成形件所达到的高度大于等于10mm时，选用第二种滚轮。
在工件制造过程中细化金属晶粒，引入残余压应力层，降低表面粗糙度，改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，同时也提高了金属工件的综合机械力学性能。并且在电弧填丝形成焊层10的同时，通过精确控制滚压载荷对焊层10进行同步滚压强化，实现在同一个工序中高效、高质量地完成滚压成形的目的。
如图3所示，通过电弧填丝增材制造中引入滚压(b)与未引入滚压(a)的金相组织图可以看出，引入滚压工艺的电弧填丝增材制造加工出的成形件，晶粒尺寸得到很大的细化。
本发明的目的之二可采用以下技术方案来达到：
一种电弧填丝和滚压复合增材制造装置。包括夹具1、控制器4、焊接工作台12、温度传感器6、电弧填丝装置和滚压装置，所述滚压装置，温度传感器6和电弧填丝装置从左到右依次设于焊接工作台12上方；所述夹具1将基板11固定在工作台12上；所述温度传感器6可通过控制器4控制液压缸3进行前后、左右移动；所述电弧填丝装置包含运动机构7、焊枪8和送丝机构9，可通过控制器4控制运动机构7进行前后、左右移动；所述滚压装置包含滚轮5、辊架2和液压缸3，可通过控制器4控制液压缸3进行前后、左右移动；控制器4通过控制焊枪8移动并配合送丝机构9进行电弧填丝，形成焊层10；所述控制器4通过温度传感器6对焊层10的温度进行检测，所述控制器4与所述电弧填丝装置、温度传感器6和滚压装置电连接。所述控制器4为工控机和plc连接的控制器。
在工作时，电弧焊接装置在工作台12上进行电弧填丝形成焊层10，同时控制器4通过温度传感器6对焊层10的温度进行检测，当焊层10的温度冷却至再结晶温度范围时，然后控制器4输出控制信号控制滚压装置对电弧填丝的焊层10进行同步滚压强化，在工件制造过程中细化金属晶粒，引入残余压应力层，降低表面粗糙度，改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，避免普通电弧增材制造成形金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，同时也提高了金属工件的综合机械力学性能。并且在电弧填丝形成焊层10的同时，通过精确控制滚压载荷对焊层10进行同步滚压强化，实现在同一个工序中高效、高质量地完成滚压成形的目的。
所述温度传感器6为红外传感器。当然，其它能对电弧填丝焊层10的温度进行检测的传感器也适用于本机构。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。