一种电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备及方法技术

本发明专利技术提供一种电弧增材制造马氏体构件大型构件的设备及方法。该设备包括：六轴机器人、焊枪、送丝系统、半封闭隔热装置、感应加热装置、测温装置和计算机控制系统。该设备结构简单，适用于大型构件的增材制造。其方法是利用电弧增材过程中的热能，辅以感应加热系统对马氏体时效钢构件进行实时热处理。一方面，通过测量构件温度，实时控制温度，起到减小成分偏析和减少开裂的目的；另一方面，采用感应加热，实现热处理，达到促进第二相析出的目的，提高效率。本发明专利技术有效解决了传统电弧增材制造过程中马氏体时效钢构件的溶质偏析，开裂，力学性能不足，需要后续热处理的问题。充分利用增材过程的热量，实现热处理的目的，减少了工序，节省了成本。节省了成本。节省了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备及方法


[0001]本专利技术属于电弧增材制造领域，具体涉及一种电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备及方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术是根据零件的三维模型，通过逐层添加材料来制造零件的制造技术。它具有灵活性高、设备成本低、生产周期短和可以制造复杂零件等诸多传统加工方式无法媲美的优势。电弧增材制造作为增材制造的一个重要方向，尤其适用于制造低成本高完整性的中大型金属结构件，在航天航空、船舶、能源动力、军工等领域具有无与伦比的优势。
[0003]马氏体时效钢是高合金高强度钢。它是在时效过程中，会在高密度位错、良好韧性和延展性的马氏体基体上析出纳米第二相粒子，对马氏体位错运动产生钉扎的作用，从而具有高强度、高韧性、低硬化指数的特点，又因马氏体时效钢缺少碳元素，故而具有良好的可焊性和较高的抗热疲劳性。因此，马氏体时效钢十分适用于制造航空航天、飞机和造船的重要部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架和磨具等。而采用增材制造马氏体时效钢大型构件的过程中，一方面，由于增材制造的特性，增材完成的大型构件性各向异性严重，成分偏析明显，性能较差，需要对大型构件进行热处理，而热处理所需空间和能量是十分巨大的，这对热处理设备提出很高的要求。另一方面，增材制造完成的马氏体时效钢大型构件存在第二相析出不均匀，使得力学性能不满足要求的情况。
[0004]在电弧增材制造过程中，电弧会对增材件进行“原位热处理”，这种热处理会在增材件高度较低时会以主要传导(通过基板散热)方式消散到空气中，增材件高度的增加，传热模式转变为主要辐射(到空气)和对流(空气)，会导致热量积聚。而大多时候，这种热量会随着增材件与空气的对流和辐射中消散。在增材制造大型构件过程中，这份热量积聚是十分可观的。与其他金属材料相比，马氏体时效钢更加适用于电弧增材制造，是由于马氏体马氏体时效钢大型构件采用电弧增材制造方法时，能利用电弧的能量对构件进行“原位热处理”，能使得马氏体基体析出Ni基的第二相粒子，使得构件的力学性能提升。然而，电弧增材制造马氏体时效钢存在一些问题，例如：电弧增材制造是一个反复加热、快速冷却的过程，构件内部残余应力大，微观组织为粗大的树枝晶，组织性能各向异性强烈。同时，增材制造属于非平衡凝固过程，因较大的冷却速率，大型构件内部存在成分偏析等问题。并且，电弧增材制造的马氏体时效钢大型构件的原位析出的能量不足，马氏体基体的第二相析出不充分、不均匀，使得力学性能提升有限。许多研究表明，电弧增材制造的马氏体时效钢构件在经过热处理后，性能会后较大的提升，而增材制造马氏体大型构件的后续热处理过程存在时间长、成本高等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种电弧增材制造马氏体时效大型构件设备和方法，在电弧增材制造过程对其成形大型构件进行实时热处理，达到消除成分偏析、减小开裂、促进第二
相粒子析出和提升力学性能的性能要求，达到节省时间成本、减少工艺流程、提高工作效率和提高成形大型构件的质量和性能的目的。
[0006]实现本专利技术的目的的技术解决方案为：
[0007]一种马氏体时效钢电弧增材制造的设备，包括六轴机器人、加持机构、送丝系统、半封闭式隔热系统、感应加热系统、测温系统和计算机控制系统：
[0008]半封闭式隔热装置为隔热装置，可有效减小材料侧面的热量消耗，分为多层嵌套，半封闭式隔热装置随着增材制造大型构件的高度增加而提高；热电偶温度传感器固定在半封闭式隔热装置内，能够实时监测增材制造大型构件内测的温度变化，并给计算机控制系统相应的信号；感应加热装置和固定并安装在半封闭式隔热装置内，接收来自计算机控制系统的信号，使得感应加热装置能够对增材制造大型构件进行加热处理。
[0009]进一步的，六轴机器人固定在基座上，随着大型构件高度的增加，可通过调节基座高度实现升高六轴机器人的高度。
[0010]进一步的，红外测温装置用于监测大型构件的表面温度，控制其层间温度在150℃以内，可以有效控制大型构件成形；同时，给予计算机控制系统相应的信号。
[0011]进一步的，红外测温装置安装在细杆上，细杆通过螺栓固定在基板上，细杆具备调节高度功能，始终保持红外测温装置测温点落在大型构件上。
[0012]进一步的，计算机控制系统接收来之来自红外测温装置和热电偶温度传感器的信号，再给予感应加热装置和送丝系统相应的指令，操作六轴机器人进行作业。
[0013]一种利用上述的设备进行电弧增材制造的方法，具体步骤如下：
[0014]步骤(1)：根据目标马氏体时效钢构件的性能要求，选择合适的马氏体时效钢丝材成分，丝材直径，建立相关大型构件的CAD/CAE模型；选择马氏体时效钢丝材成分导入Thermo
‑
calc软件，得到马氏体时效钢大型构件的热处理参数；
[0015]步骤(2)：选择相应的基板，实验前对基板表面进行清理，清除基板表面氧化物及油污，以排除其他杂质对试验结果的影响，基板位于焊枪活动范围之内，调节焊丝尖端和丝材距基板表面间距Hw和Hs，并调整焊枪与基板位置，确报焊枪垂直于基板；
[0016]步骤(3)：接通电源，等待整个系统的通讯信号就位，预设熔覆速度V
R
、送丝速度Va、焊接电流Ia、Ip、脉冲频率f参数，以及熔化极保护气成分；
[0017]步骤(4)：根据目标马氏体时效钢大型构件实际形状尺寸确定增材路线，由先前设计好的计算机的CAD/CAE模型，进行分层处理，根据各个分层片的情况和形状特点对沉积路线进行规划处理，再生成相应的数控代码；
[0018]步骤(5)：由六轴机器人控制焊枪以熔覆速率V
R
进行增材，每一层增材完后，将焊枪提高一个层厚Hw，层间等待，在增材件增材制造大型构件高度未达到Ha时，不需要进行隔热和实时热处理，在等待温度降低至层间温度后，开始下一层的增材制造过程。
[0019]步骤(6)：由六轴机器人控制焊枪以熔覆速率V
R
进行增材，在大型构件高度H达到Ha时，对增材大型构件采取隔热保温处理，安装半封闭式隔热装置；每一层增材完后，将焊枪提高一个层厚，层间等待，循环往复；判断大型构件提高高度Hb达到Ha时，嵌套安装半封闭式隔热装置，确保其隔热装置始终高于构件高度；
[0020]步骤(7)：在增材制造过程中，大型构件并非完全密封隔热，存在温度梯度，计算机控制感应加热装置对大型构件中的固溶层进行加热保温，弥补热量损耗，保持固溶层温度
在温度区间Ta内，保温处理时间ta；
[0021]步骤(8):而完成的固溶处理的增材层随后进行时效处理，时效温度Tb区间为计算机模拟热过程的时效温度，计算机控制系统控制感应加热装置对时效层进行加热处理，计算机判断时效处理时间tb达到额定时间后，感应加热装置停止加热；
[0022]步骤(9)：随着大型构件的高度H增加而重复步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)，确保大型构件整体都完成实时热处理，根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备，其特征在于，包括六轴机器人(3)、送丝系统(1)、焊枪(6)、半封闭式隔热装置(10)、感应加热装置(11)、热电偶温度传感器(12)和计算机控制系统(15)；其中：半封闭式隔热装置(10)为隔热装置，为多层嵌套，半封闭式隔热装置随着增材制造大型构件(8)的高度增加而提高；所述热电偶温度传感器(12)固定在半封闭式隔热装置(10)内，能够实时监测增材制造大型构件(8)内测的温度变化，并给计算机控制系统(15)相应的信号；所述感应加热装置(11)和固定并安装在半封闭式隔热装置(10)内，接收来自计算机控制系统(15)的信号，使得感应加热装置(11)能够对增材制造大型构件(8)进行加热处理。2.根据权利要求1所述的电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备，其特征在于，六轴机器人(3)固定在基座(4)上，随着大型构件(8)高度的增加，可通过调节基座(4)高度实现升高六轴机器人(3)的高度。3.根据权利要求2所述的电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备，其特征在于，红外测温装置(9)用于监测大型构件(8)的表面温度，控制其层间温度在150℃以内，有效控制大型构件(8)成形；同时，给予计算机控制系统(15)相应的信号。4.根据权利要求3所述的电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备，其特征在于，红外测温装置(9)安装在细杆(16)上，细杆(16)通过螺栓固定在基板(7)上，细杆(16)具备调节高度功能，始终保持红外测温装置(9)测温点落在大型构件(8)上。5.根据权利要求4所述的电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备，其特征在于，计算机控制系统(15)接收来之来自红外测温装置(9)和热电偶温度传感器(12)的信号，再给予感应加热装置(11)和送丝系统(1)相应的指令，操作六轴机器人(3)进行作业。6.一种利用权利要求1
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5任一项所述的装置进行电弧增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：根据目标马氏体时效钢构件的性能要求，选择合适的马氏体时效钢丝材成分，丝材直径，建立相关大型构件的CAD/CAE模型，选择其成分导入Thermo
‑
calc软件，得到马氏体时效钢大型构件的热处理参数；步骤(2)：选择相应的基板(7)，实验前对基板(7)表面进行清理，清除基板(7)表面氧化物及油污，以排除其他杂质对试验结果的影响，基板(7)位于焊枪活动范围之内，调节焊丝尖端和丝材距基板(7)表面间距Hw和Hs，并调整焊枪与基板(7)位置，确保焊枪垂直于基板(7)；步骤(3)：接通电源，等待整个系统的通讯信号就位，预设熔覆速度V
R
、送丝速度Va、焊接电流Ia、Ip、脉冲频率f参数，以及熔化极保护气成分；步骤(4)：根据目标马氏体时效钢大型构件(8)实际形状尺寸确定增材路线，由先前设计好的计算机的CAD/CAE模型，进行分层处理，根据各个分层片的情况和形状特点对沉积路线进行规划处理，再生成相应的数控代码；将热源参数、材料参数、热处理参数及边界条件导入计算机控制系统(15)，由计算机控制增材过程，给予相应的指令；步骤(5)：由六轴机器人...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勇，杨纯攀，杨东青，李攀，黄勇，王磊，王克鸿，周琦，
申请(专利权)人：广东艾迪特智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：