本發(fā)明屬于增材制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于高性能金屬構(gòu)件的多電弧協(xié)同增材制造方法。

背景技術(shù)：

所謂電弧熔化金屬絲材增材制造技術(shù)，是一種以電弧作為熱源熔化金屬絲材，并使得熔化的絲材按照所設定的成形路徑不斷堆積成形的快速增材制造方法。電弧增材制造工藝作為小熔池熔煉冶金技術(shù)，其堆積層金屬力學性能好，化學成分均勻。電弧增材制造工藝相對于高能束(激光、電子束)之類的增材制造技術(shù)而言，具有成本低、效率高、空間任意曲面成形等特點，因而適用于各類大型復雜金屬構(gòu)件的成形。

現(xiàn)有技術(shù)中，電弧熔絲增材制造的效率大約為3kg/h-5kg/h(鋼鐵材料)，其成形效率與激光、電子束類型相比較高，但在成形大型金屬構(gòu)件的場合仍然效率偏低。此外，進一步的研究表明，在電弧熔絲堆積過程中，熱積累往往會使堆積成形金屬構(gòu)件晶粒粗大，造成性能惡化，不能滿足大型金屬構(gòu)件的高性能要求。相應地，本領(lǐng)域亟需作出進一步的完善和改進，以便更好地符合日益提升的質(zhì)量要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上不足或改進需求，本發(fā)明提供了一種適用于高性能金屬構(gòu)件的多電弧協(xié)同增材制造方法，其中通過將單絲電弧熔絲機理改變?yōu)槎嘟z電弧熔絲機理，特別是還進一步對這多個電弧的具體設置方式、操控原理、應用條件和關(guān)鍵工藝參數(shù)等多個方面做出針對性的研究和設計，相應能夠很好地調(diào)節(jié)堆積金屬的溫度場、顯著改善金屬組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更高效率和更高質(zhì)量的電弧增材制造全過程，并且尤其適用于一些高性能大型復雜金屬構(gòu)件的特定應用場合。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種適用于高性能金屬構(gòu)件的多電弧協(xié)同增材制造方法，其特征在于，該方法包括：

(a)針對待成形的金屬構(gòu)件，布置多個相互獨立的電弧槍，這些電弧槍分別配有獨立的電源，并且各自既可沿著x軸、y軸和z軸方向執(zhí)行直線移動，也可執(zhí)行以z軸為轉(zhuǎn)動軸的[0°,60°]范圍內(nèi)的角度調(diào)整，從而使得它們彼此之間的相對位置和工作姿態(tài)發(fā)生自由改變；

(b)基于金屬構(gòu)件的三維模型和成形路徑，向各個電弧槍的送絲系統(tǒng)裝上相同或不同的金屬絲材，并根據(jù)工況需求，采用下列工作模式中的一種或任意組合來執(zhí)行金屬構(gòu)件的多電弧系統(tǒng)增材制造過程：

(b1)共熔池工作模式：將所述多個電弧槍彼此之間的相對間距設定為小于10mm，由此在此狀態(tài)下通過多個電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構(gòu)件獲得相對較快的第一冷卻速度；

(b2)不共熔池工作模式：將所述多個電弧槍彼此之間的相對間距設定為大于18mm，由此在此狀態(tài)下通過多個電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構(gòu)件獲得相對較慢的第二冷卻速度；

(b3)部分共熔池工作模式：將所述多個電弧槍彼此之間的相對間距設定處于[10mm,18mm]的區(qū)間范圍，由此在此狀態(tài)下通過多個電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構(gòu)件獲得第三冷卻速度，其中該第三冷卻速度介于所述第一冷卻速度與所述第二冷卻速度之間。

作為進一步優(yōu)選地，在所述的共熔池工作模式下，各個電弧槍相對于z軸的夾角進一步優(yōu)選設定處于(30°,60°]的區(qū)間范圍；在所述的不共熔池工作模式下，各個電弧槍相對于z軸的夾角進一步優(yōu)選設定處于(0°,10°]的區(qū)間范圍；此外，在所述的部分共熔池工作模式下，各個電弧槍相對于z軸的夾角進一步優(yōu)選設定處于(10°,30°]的區(qū)間范圍。

通過以上構(gòu)思，由于采用了多絲電弧熔絲機理來執(zhí)行增材制造過程，整體成形效率可大大提高，如5束電弧熔絲增材制造的成形效率至少可達到15kg/h(鋼鐵材料)，顯著減少了大型金屬構(gòu)件的成形時間；此外，通過以上對多束電弧之間的相對距離和作業(yè)姿勢等關(guān)鍵工藝參數(shù)專門進行研究和設計，實際測試表明可有效調(diào)控溫度場，使得堆積過程的金屬構(gòu)件在冷卻過程尤其是從800℃到300℃的重要階段可獲得更高韌性和更高強度的組織構(gòu)造，同時避免晶粒過分長大；此外，上述工藝還便于多種不同材料的同步增材制造，并且多種模式可根據(jù)需求靈活調(diào)整，因而尤其適用于多材料梯度結(jié)構(gòu)的高性能金屬構(gòu)件制造場合。

作為進一步優(yōu)選地，所述多個電弧槍的數(shù)量優(yōu)選為5個以上，并各自配有位置及姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)。

作為進一步優(yōu)選地，所述共熔池工作模式優(yōu)選適用于合金含量高、易形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造過程。

作為進一步優(yōu)選地，所述不共熔池工作模式優(yōu)選適用于低碳鋼、微合金鋼，或者不易形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造過程。

作為進一步優(yōu)選地，所述部分共熔池工作模式優(yōu)選適用于低合金鋼、或者可能形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造過程。

作為進一步優(yōu)選地，所述金屬構(gòu)件優(yōu)選為多材料梯度結(jié)構(gòu)。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

1、可顯著提高電弧增材成形效率：目前單電弧熔絲增材制造的成形的效率僅為3-5kg/h(鋼鐵材料)，通過本發(fā)明，譬如當采用5束電弧熔絲增材制造時，其成形效率至少達到15kg/h(鋼鐵材料)，減少了大型金屬構(gòu)件的成形時間；

2、更重要的是，本發(fā)明中通過調(diào)控多束電弧之間的相對距離和工作姿態(tài)，并對其具體取值范圍作出進一步的針對性設計，相應可有效達到調(diào)控金屬構(gòu)件堆積過程中的溫度場的目的，確保金屬構(gòu)件在整個冷卻過程尤其是從800℃到300℃的階段可獲得各種適當?shù)牟煌鋮s速度，相應得到高韌性、高強度和晶粒不會過分成大的金屬組織，進而得到所需的高性能大型金屬構(gòu)件；

3、本發(fā)明還可實現(xiàn)多種不同材料同時增材制造。例如，可在多束電弧各自的送絲系統(tǒng)上裝放不同成分的絲材，多種成分不同的金屬絲材同時增材制造，由此便于加工形成多材料梯度結(jié)構(gòu)與性能的金屬構(gòu)件；

4、按照本發(fā)明的上述方法在提高成形效率的同時，還能夠以便于操控、適應性強的方式來調(diào)控堆積成形金屬構(gòu)件組織與性能，實現(xiàn)高性能大型復雜金屬構(gòu)件的高效率、高性能堆積成形，因而尤其適用于譬如艦船、航空之類的高性能大型金屬構(gòu)件的電弧增材制造應用場合。

附圖說明

圖1是以5束電弧為例，示范性顯示按照本發(fā)明所構(gòu)建的多電弧協(xié)同增材制造方法的電弧布置示意圖；

圖2是用于具體顯示圖1中的單個電弧相對于z軸方向的角度示意圖；

圖3a是用于具體顯示按照本發(fā)明的共熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖；

圖3b是用于具體顯示按照本發(fā)明的不共熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖；

圖3c是用于具體顯示按照本發(fā)明的部分熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

基于前面背景技術(shù)部分的分析，堆積成形構(gòu)件的性能主要取決于顯微組織。根據(jù)金屬學與焊接冶金理論，在金屬絲材成分一定的情況下，對電弧增材制造堆積金屬構(gòu)件組織起決定作用的是堆積過程中金屬構(gòu)件的溫度場，特別是從800℃到300℃的冷卻速度。相應地，本申請考慮利用堆積金屬的組織轉(zhuǎn)變圖，并通過更為精細去調(diào)控溫度場的方式，確保可獲得適當?shù)牟煌鋮s速度來通過高韌性組織轉(zhuǎn)變區(qū)，進而確保金屬構(gòu)件在組織轉(zhuǎn)變過程中形成高韌性、高強度的組織，并盡量避免晶粒過分成長的問題。

圖1是以5束電弧為例，示范性顯示按照本發(fā)明所構(gòu)建的多電弧協(xié)同增材制造方法的電弧布置示意圖。如圖1所示，這5束電弧的空間距離、姿態(tài)均可獨立調(diào)控，也即這些相互獨立的5束電弧按一定的形式排列，各電弧獨立，并各自有獨立電源與位置及姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)等，可靈活地調(diào)整弧電弧槍的位置與姿態(tài)。以此方式，通過調(diào)節(jié)5束電弧之間的相對位置關(guān)系及作業(yè)姿勢等，使5束電弧之間形成共熔池、部分共熔池、不共熔池三種狀態(tài)，不同狀態(tài)下金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度不同，獲得不同的組織與性能，實現(xiàn)電弧增材制造金屬構(gòu)件組織與性能的調(diào)控。

更具體地，這五個獨立的電弧槍可分別固定在一個機械裝置上，其中電弧槍1可沿著x軸、y軸和z軸(也即左右水平方向、垂直穿過紙面的方向和上下豎直方向，這三種方向共同構(gòu)造常規(guī)的xyz坐標系)譬如經(jīng)由導軌產(chǎn)生相對直線運動，此外還可執(zhí)行以z軸為轉(zhuǎn)動軸的角度調(diào)整，其中與z軸之間的夾角如圖2所示整體被保持在0～60°的范圍內(nèi)，由此獲得不同組合的相對位置和工作姿態(tài)。相應地，通過這些電弧槍之間的配合，可形成共熔池、部分共熔池和不共熔池三種不同狀態(tài)的工作模式，實現(xiàn)大型金屬構(gòu)件高效率、高性能電弧增材制造。

如圖3a所示，當5束電弧彼此之間的相對間距設定為小于10mm，并且可進一步優(yōu)選使得各個電弧槍相對于z軸的夾角譬如處于(30°,60°]的區(qū)間范圍時，此時處于共熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構(gòu)件的積累大，堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度較慢；進一步的研究發(fā)現(xiàn)，此工作模式適宜于合金含量較高，易形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造。

如圖3b所示，當5束電弧彼此之間的彼此之間的相對間距設定為大于18mm，此時可還進一步優(yōu)選使得各個電弧槍相對于z軸的夾角譬如處于(0°,10°]的區(qū)間范圍時，此時處于非熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構(gòu)件的熱積累較小，堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度快；進一步的研究發(fā)現(xiàn)，此工作模式適宜于低碳鋼，微合金鋼，不易形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造。

如圖3c所示，當5束電弧彼此之間的相對間距設定處于[10mm,18mm]的區(qū)間范圍，此時還可進一步優(yōu)選將各個電弧槍相對于z軸的夾角譬如處于(10°,30°]的區(qū)間范圍時，此時處于部分熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構(gòu)件的熱積累介于共熔池和不共熔池之間，堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度也介于共熔池和不共熔池之間；進一步的研究發(fā)現(xiàn)，此工作模式下適宜于低合金鋼，有可能形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造。

在堆積成形過程中，以上5個電弧同時工作，成形效率至少達到15kg/h(鋼鐵材料)，極大提高了堆積成形效率。此外，通過調(diào)控5電弧的相對位置及工作姿勢的調(diào)節(jié)控制溫度場，實現(xiàn)大型高性能金屬構(gòu)件高效率、高性能增材制造。

此外，本發(fā)明所提供的電弧增材制造成形工藝方法具體可包括下列步驟：

1、對多束電弧熔池狀態(tài)調(diào)控：通過調(diào)節(jié)多束電弧槍體的距離、姿態(tài)，以便組成共熔池、部分共熔池與不共熔池各種狀態(tài)；

2、三維建模與路徑規(guī)劃：可采用ug或pro/e三維造型軟件繪制出增材制造的大型金屬構(gòu)件的三維cad模型，并規(guī)劃出成形路徑；

3、溫度場調(diào)控：由成形金屬材料的成分，確定堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度，使冷卻速度通過需要得到的組織區(qū)域，調(diào)節(jié)多電弧之間的相對位置成為共熔池、部分共熔池與不共熔池中特定的狀態(tài)；

4、堆積成形：按給定的工藝參數(shù)，進行電弧增材制造大型高性能金屬構(gòu)件。

下面繼續(xù)給出不同應用場合的多個具體實施例，以便更為清晰地解釋本發(fā)明。

實施例1

某艦船關(guān)鍵構(gòu)件，構(gòu)件的抗拉強度在1000mpa以上，成形材料有較高的合金元素含量，堆積成形過程中，若冷卻速度過快，易產(chǎn)生韌性較低的片狀馬氏體組織。為了避免片狀馬氏體的產(chǎn)生，獲得高韌性組織，以采用5束電弧共熔池的方式為例來執(zhí)行增材制造。具體步驟如下：

1)調(diào)節(jié)5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為6mm(10mm以內(nèi)即為共熔池狀態(tài))，電弧槍體與z軸的夾角為39°，此時為5束電弧為共熔池狀態(tài)；

2)三維模型建立：采用ug三維造型軟件繪制出零部件的三維cad模型，生成機器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；

3)溫度場調(diào)控：由cct圖確定堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度大小，調(diào)節(jié)堆積電流、電壓、弧電弧槍行走速度，配合共熔池，將堆積成形金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度控制在選定的范圍內(nèi)；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形。

所獲得的金屬構(gòu)件的性能數(shù)據(jù)實測如下表1所示：

表1

實施例2

某大型建筑關(guān)鍵構(gòu)件，構(gòu)件抗拉強度在500mpa以上，成形材料為低合金碳鋼。為了避免晶粒過分長大，從800℃到300℃的冷卻速度不能夠太慢。因此，為了獲得高強度、高韌性的金屬構(gòu)件，用5電弧非共熔池狀態(tài)進行增材制造。具體步驟如下：

1)調(diào)節(jié)5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為20mm(18mm以上即為非共熔池狀態(tài))，電弧槍體與z軸的夾角為9°，此時為5束電弧為不共熔池狀態(tài)；

2)三維模型建立：采用三維造型軟件pro/e繪制出零部件的三維cad模型，生成機器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；

3)溫度場調(diào)控：由組織轉(zhuǎn)變cct圖確定堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度應該在10℃/s左右，調(diào)節(jié)堆積電流、電壓、弧電弧槍行走速度，配合不共熔池，將堆積成形金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度控制在選定的范圍內(nèi)；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形。

所獲得的金屬構(gòu)件的性能數(shù)據(jù)實測如下表2所示：

表2

實施例3

某大型壓力容器關(guān)鍵構(gòu)件，構(gòu)件抗拉強度在780mpa以上，成形材料為低合金碳鋼。既要避免晶粒過分長大，又要防止馬上體的產(chǎn)生，從800℃到300℃的冷卻速度要適中。因此，為了獲得高強度、高韌性的金屬構(gòu)件，采用5電弧部分共熔池進行增材制造。具體步驟如下：

1)調(diào)節(jié)5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為12mm(10mm～18mm之間為部分共熔池狀態(tài))，槍體姿態(tài)的夾角為25°，此時為5束電弧為部分共熔池狀態(tài)；

2)三維模型建立：采用ug三維造型軟件繪制出零部件的三維cad模型，生成機器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；

3)溫度場調(diào)控：由cct圖確定堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度大小，調(diào)節(jié)堆積電流、電壓、弧電弧槍行走速度，配合部分共熔池狀態(tài)，將堆積成形金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度控制在選定的范圍內(nèi)；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形。

所獲得的金屬構(gòu)件的性能數(shù)據(jù)實測如下表3所示：

表3

實施例4

某煉鋼裝備關(guān)鍵構(gòu)件，外表面要求耐高溫的0cr13nimo馬氏體不銹鋼，中間為過渡層0cr17ni9不銹鋼，內(nèi)表面為42crmo合金鋼。為了實現(xiàn)多材料梯度結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面為電弧1與電弧2使用42crmo絲材，并且共熔池，電弧3使用0cr17ni9絲材，電弧4與電弧5使用0cr13nimo絲材，并共熔池。他們?nèi)卟还踩鄢?，進行多材料與梯度結(jié)構(gòu)增材制造時，具體步驟如下：

1)調(diào)節(jié)5束電弧的距離，電弧1、2之間的距離為6mm，為共熔池狀態(tài)，電弧槍體與z軸的夾角為21°。電弧3與電弧1、2之間的距離為18mm，電弧槍3與z軸的夾角為5°電弧3與電弧1、2為非共熔池狀態(tài)。電弧4、5之間的距離為6mm，為共熔池狀態(tài)，電弧槍體與z軸的夾角為21°。電弧3與電弧4、5之間的距離為18mm，電弧3與電弧4、5為非共熔池狀態(tài)。因此在多材料與梯度結(jié)構(gòu)的增材制造過程中，電弧之間即有共熔池，又有不共熔池；

2)三維模型建立：采用三維造型軟件pro/e繪制出零部件的三維cad模型，生成機器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；

3)將成形所需要的三種絲材分別放置到相應的送絲機構(gòu)中，電弧1、2為42crmo絲材，電弧3為0cr17ni9絲材，電弧4、5為0cr13nimo絲材絲材；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形，成為相應的多材料梯度結(jié)構(gòu)。

綜上，按照本發(fā)明的上述方法在提高成形效率的同時，還能夠以便于操控、適應性強的方式來調(diào)控堆積成形金屬構(gòu)件組織與性能，實現(xiàn)高性能大型復雜金屬構(gòu)件的高效率、高性能堆積成形，因而尤其適用于譬如艦船、航空之類的高性能大型金屬構(gòu)件的電弧增材制造應用場合。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。