一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统及方法，该系统包括双频脉冲弧焊电源、TIG焊枪、第一送丝机、第二送丝机、第一铝合金丝材、第二铝合金丝材、成形件、基板、运动机构和PLC控制器。采用电弧增材制造技术，通过分层交替沉积异质铝合金丝材，制备铝合金层状复合材料；通过将高频脉冲电流和低频脉冲电流同步耦合至电弧热源，降低热输入、促进熔池流动性、抑制气孔形成，解决电弧增材制造过程的高热累积和铝合金材料的高气孔倾向难题，实现铝合金材料“增强

【技术实现步骤摘要】
一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统及方法


[0001]本专利技术涉及电弧增材制造领域，更具体的说是涉及一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统及方法。

技术介绍

[0002]传统铝合金材料采用固溶强化、沉淀强化、形变强化等设计思路提升强度指标，然而不可避免地导致塑性指标下降，虽然通过细化晶粒组织可一定程度上改善综合力学性能，但铝合金材料“强度
‑
塑性”矛盾仍是制约其进一步推广应用的瓶颈难题。
[0003]层状复合材料通过将高性能差异的异质材料在三维空间周期性交叉、交叠分布，可有效弥补单一“硬质材料”“软质材料”的不足，充分发挥二者的性能优势，实现增强、增塑的协同强化效应，提升材料的综合力学性能，为解决铝合金材料“强度
‑
塑性”矛盾提供了新途径。
[0004]电弧增材是近年来发展出的一种先进制造技术，基于“离散
‑
堆积”原理，以电弧能量束为热源，通过分层堆积、逐层累加金属丝材的方式直接制造实体零部件或产品，具有高柔性、高效率、高性能等优势，在铝合金复合材料快速设计和制备方面具有巨大潜力。
[0005]专利技术专利CN115156551A公开了一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法及系统，包括：对基板进行表面氧化层清理；在将原位自生颗粒增强铝合金丝材进行熔凝的同时，也可将同牌号无颗粒铝合金丝材引入熔池；同时对熔池施加超音频脉冲变极性电弧进行增材制造，即在变极性脉冲正极性阶段叠加超音频脉冲电流。但是该专利技术中使用的“超音频脉冲电流”电源属于单一脉冲电流电源，仅通过“电弧超声”对熔池流动性改善作用有限，且不能灵活调控电弧热输入，工艺窗口较窄。
[0006]鉴于此，如何利用电弧增材制造技术获得铝合金层状复合材料的高精度、高质量、高性能的电弧增材制造方法是本领域亟需解决的技术难题。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种双频脉冲电流辅助异质双丝电弧增材制造铝合金层状复合材料的系统及方法，旨在采用电弧增材制造技术，通过分层交替沉积异质铝合金丝材的方式，制备铝合金层状复合材料，实现“增强
‑
增塑”的协同强化效应；通过将高频脉冲电流和低频脉冲电流同步耦合至电弧热源，降低热输入、促进熔池流动性、抑制气孔形成，解决电弧增材制造过程的高热累积和铝合金材料的高气孔倾向问题，实现铝合金层状复合材料的高精度、高质量、高性能电弧增材制造。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统，包括：双频脉冲弧焊电源(1)、TIG焊枪(2)、第一送丝机(3)、第二送丝机(4)、第一铝合金丝材(5)、第二铝合金丝材(6)、成形件(7)、基板(8)、运动机构(9)、PLC控制器(10)；
[0010]双频脉冲弧焊电源(1)分别与TIG焊枪(2)和基板(8)电连接，用于在电弧燃烧过程中形成导电回路；
[0011]PLC控制器(10)分别与双频脉冲弧焊电源(1)、第一送丝机(3)、第二送丝机(4)和运动机构(9)电连接，用于传输起弧/收弧指令、运动开始/停止指令、送丝启动/停止指令信号；
[0012]第一送丝机(3)与第一铝合金丝材(5)相连接，用于将第一铝合金丝材送入电弧空间和熔池；
[0013]第二送丝机(4)与第二铝合金丝材(6)相连接，用于将第二铝合金丝材送入电弧空间和熔池；
[0014]基板(8)与运动机构(9)相连接，用于执行电弧增材制造过程的运动轨迹。
[0015]优选的，所述第一铝合金丝材(5)和第二铝合金丝材(6)从TIG焊枪(2)前端送入电弧空间和熔池，二者均与水平面呈一定夹角α，α为10～60
°
[0016]优选的，所述第一铝合金丝材(5)和第二铝合金丝材(6)沿TIG焊枪(2)的钨极中心轴线对称分布，二者呈夹角β，β为15～45
°
。
[0017]本专利技术还公开了一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的方法，利用上述系统，通过将铝合金异质双丝分层交替沉积，实现铝合金层状复合材料的定制化、快速制备，辅以“高频脉冲电流+低频脉冲电流”同步耦合的双频脉冲电弧，形成对液态熔池金属的强烈搅拌振荡作用，促进熔池流动性、降低气孔率、细化晶粒组织、提升成形材料的力学性能，获得低气孔率、高精度、高强塑性的铝合金层状复合材料，包括以下步骤：
[0018]1)设计异质铝合金层状复合材料结构，对第一铝合金丝材(5)和第二铝合金丝材(6)进行选型，确定最小单元中第一铝合金丝材(5)层A层的层数N1、第二铝合金丝材(6)层B层的层数数N2和总成形高度H
D
；
[0019]2)通过双频脉冲弧焊电源(1)设定双频脉冲电流参数，包括：低频脉冲频率f
L
，低频脉冲峰值电流I
p
，低频脉冲基值电流I
b
，低频脉冲占空比δ
L
；高频脉冲频率f
HP
，高频脉冲电流幅值I
HP
，高频脉冲占空比δ
H
；变极性频率f
v
，正极性持续时间比δ
vp
；
[0020]3)采用游标卡尺测量沉积层高H
T
，对沉积层高H
T
与H
D
进行实时比较，当H
T
小于H
D
，进入步骤4)；
[0021]4)通过PLC控制器(10)引燃双频脉冲电弧、启动第一送丝机(3)和运动机构(9)至该层运动结束，熄灭电弧；
[0022]5)对沉积层数N与N1进行实时比较，当N小于N1，返回至步骤4)；当N大于等于N1，进入步骤6)，N清零；
[0023]6)通过PLC控制器(10)引燃双频脉冲电弧、启动第二送丝机(4)和运动机构(9)至该层运动结束，熄灭电弧；
[0024]7)对沉积层数N与N2进行实时比较，当N小于N2，返回至步骤6)；当N大于等于N2，进入骤4)，N清零；
[0025]8)当H
T
大于等于H
D
，熄灭电弧，增材制造过程结束。
[0026]优选的，异质铝合金层状复合材料结构中最小单元结构为A
‑
B、A
‑
A
‑
B、A
‑
B
‑
B、A
‑
A
‑
B
‑
B、A
‑
A
‑
A
‑
B或A
‑
B
‑
B
‑
B。
[0027]优选的，第一铝合金丝材(5)选择Al
‑
Cu系或Al
‑
Zn
‑
Mg
‑
Cu系铝合金牌号中的任意
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统，其特征在于，包括：双频脉冲弧焊电源(1)、TIG焊枪(2)、第一送丝机(3)、第二送丝机(4)、第一铝合金丝材(5)、第二铝合金丝材(6)、成形件(7)、基板(8)、运动机构(9)、PLC控制器(10)；双频脉冲弧焊电源(1)分别与TIG焊枪(2)和基板(8)电连接，用于在电弧燃烧过程中形成导电回路；PLC控制器(10)分别与双频脉冲弧焊电源(1)、第一送丝机(3)、第二送丝机(4)和运动机构(9)电连接，用于传输起弧/收弧指令、运动开始/停止指令、送丝启动/停止指令信号；第一送丝机(3)与第一铝合金丝材(5)相连接，用于将第一铝合金丝材送入电弧空间和熔池；第二送丝机(4)与第二铝合金丝材(6)相连接，用于将第二铝合金丝材送入电弧空间和熔池；基板(8)与运动机构(9)相连接，用于执行电弧增材制造过程的运动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统，其特征在于，所述第一铝合金丝材(5)和第二铝合金丝材(6)从TIG焊枪(2)前端送入电弧空间和熔池，二者均与水平面呈一定夹角α，α为10～60
°
。3.根据权利要求1所述的一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的系统，其特征在于，所述第一铝合金丝材(5)和第二铝合金丝材(6)沿TIG焊枪(2)的钨极中心轴线对称分布，二者呈夹角β，β为15～45
°
。4.一种双频脉冲电流辅助电弧增材铝合金层状复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设计异质铝合金层状复合材料结构，对第一铝合金丝材(5)和第二铝合金丝材(6)进行选型，确定最小单元中第一铝合金丝材(5)层A层的层数N1、第二铝合金丝材(6)层B层的层数数N2和总成形高度H
D
；2)通过双频脉冲弧焊电源(1)设定双频脉冲电流参数，包括：低频脉冲频率f
L
，低频脉冲峰值电流I
p
，低频脉冲基值电流I
b
，低频脉冲占空比δ
L
；高频脉冲频率f
HP
，高频脉冲电流幅值I
HP
，高频脉冲占空比δ
H
；变极性频率f
v
，正极性持续时间比δ
vp
；3)采用游标卡尺测量沉积层高H
T
，对沉积层高H
T
与H
D
进行实时比较，当H
T
小于H
D
，进入步骤4)；4)通过PLC控制器(10)引燃双频脉冲电弧、启动第一送丝机(3)和运动机构(9)至该层运动结束，熄灭电弧；5)对沉积层数N与N1进行实时比较，当N小于N1，返回至步骤4)；当N大于等于N1，进入步骤6)，N清零；6)通过PLC控制器(10)引燃双频脉冲电弧、启动第二送丝机(4)和运动机构(9)至该层运动结束，熄灭电弧；7)对沉积层数N与N2进行实时比较，当N小于N2，返回至步骤6)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王义朋，李红，张禹，栗卓新，李国栋，贾强，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：