【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电弧增材拓扑锁扣高强韧结构件及设计制造方法，属于先进金属材料增材制造及结构设计综合。
技术介绍
1、随着科学技术的快速发展，航空航运、医疗器械、新能源发展等诸多领域亟需得到产业升级和技术革新，而传统的材料及其结构很难满足当前的发展需求。对于某些极端环境，如深空、深海、深地等复杂服役环境，特殊力学性能的超材料、仿生材料等研究和开发越来越受到广大研究者们的关注。其中，一种结构件采用电弧增材制造拓扑锁扣结构的方法被加以研究。
2、电弧增材技术是以电弧作为焊接热源，通过高电流使焊材融化为液态并形成熔池，目的是为了使焊材金属与基材形成冶金结合。电弧增材技术能够在短时间内完成致密性良好的金属零部件。但是，在一些复杂领域，满足材料组织、结构的精度要求和某些特殊性能的升级，是当下需要考虑的首要问题。
3、拓扑锁扣结构是结合工程学设计和仿生学设计而形成的一种离散型单元组合结构。根据材料的特性，将材料分配为许多相邻的元素，再由拓扑和布置所引起的动力学约束与相邻的元素互锁，通过接触和摩擦相互作用的单元元素而构成整体的刚性构建块。为了准确构建单元组合的几何特征，采用电弧增材技术对材料的结构加以调控，可以得到特定的体系结构，从而生成具有特性异常但富有吸引力的材料性能组合。例如，负的泊松比，较高的材料强度和韧性等。这些特殊的性能组合，仅仅只需要从材料的结构和特定的几何形状中表现出来，而无需更改材料的属性，即可使材料适应更加苛刻的服役环境，并延长零部件的使用寿命。
4、综上所述，针对零部件的性能要求，设计出一
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供了一种采用电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法。通过改变增材路径，设计不同层面比例特征的拓扑锁扣结构，生产出结合强度高、耐冲击、韧性优良的电弧增材零部件。
2、本专利技术提供一种采用电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，主要方法包括以下步骤：
3、s1、对沉积层进行3d模型分层，规划好各层增材移动路径；
4、s2、将待处理的高强度焊丝、不锈钢焊丝和不锈钢基板进行前处理准备，去除表面氧化物和油污等杂质后备用；
5、s3、将s2处理后的焊丝接入增材机器人的双送丝机上，送丝机可调节焊丝的送丝速度；将s2处理后的不锈钢基板固定在焊接工作平台上；
6、s4、调节氩气气体流量，当气体稳定后，开始电弧增材；增材过程中，设置好焊枪参数，从第一层沉积层开始打印，保证高强度焊丝和不锈钢焊丝交织进行；红外测温器可实时监测焊接熔池及焊道温度，防止焊丝和基板过烧；
7、s5、待s4打印完所有沉积层数后，获得电弧增材拓扑锁扣结构件。
8、进一步地，s1步骤中，第一层增材路径沿着同一个方向进行，每个方向路径平行，第二层的增材方向与第一层增材方向垂直，即旋转90°，第三层增材方向与第一层增材方向一致，第四层增材方向与第二层增材方向一致，依此类推。
9、进一步地，s2步骤中，高强度焊丝选用直径为1.2mm的er120s-g，不锈钢焊丝选用直径为1.0mm的er316l，不锈钢基板为316l。用角磨机对基板进行打磨，并先后用无水乙醇和丙酮清洗基板表面。
10、进一步地，s3步骤中，增材平台主要包括焊接机器人、tig-400r电弧焊机、焊接工作平台、红外测温器。送丝速度为0.3-0.9m/min，电流为110-150a，电弧移动速度为2-4mm/s，电弧摆动参数为1-2mm。
11、进一步地，s4步骤中，保护气体为纯度≧99.99％的氩气，且气体流量为15l/min。红外测温器实时监测层间温度，控制在100-130℃之间，每层焊接完，温度下降到130℃时，进行下一层增材。
12、进一步地，s5步骤中，得到尺寸为150mm*150mm的电弧增材拓扑锁扣结构件。
13、进一步地，所述电弧增材拓扑锁扣结构件在sem下观察发现结构致密，无缝隙和裂纹，其显微硬度均达到230hv以上。通过冲击实验，拓扑锁扣结构件冲击韧性均超过100j/cm2，介于纯不锈钢和纯高强钢之间。
14、通过以上的技术方案，本专利技术的显著有益效果在于：
15、(1)本专利技术根据工程学和仿生学的原理，结合电弧增材制造工艺特性进行基于典型比例特征的仿锁扣结构设计，较传统整体实心结构相比，拓扑锁扣结构件受冲击时试样的峰值载荷明显更小，具有较好的缓冲作用，材料的韧性得到增强。
16、(2)本专利技术采用tig双丝电弧增材制造的制备方法，选用“软硬”交织的焊丝材料，结构件的强度明显增加，但冲击韧性没有下降，介于纯不锈钢与纯高强钢之间，这增强结构件对局部破坏的抵抗能力，且局部失效不会影响整体结构，把握住强度和韧性二者之间的平衡，优化了材料的稳定性。
17、(3)本专利技术提供了一种采用电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，结构件组织成分均匀、致密，其显微硬度均达到230hv以上。通过冲击实验，拓扑锁扣结构件冲击韧性均超过100j/cm2，介于纯不锈钢和纯高强钢之间。通过电弧增材拓扑锁扣结构件，能够提高材料的利用率，减少后续再加工的成本。同时，本专利技术所制备的拓扑锁扣结构件的方法简单易行，设计方法灵活简便，材料成型性能好，能够实现批量化工业生产。
18、本专利技术方法将取代传统的电弧增材整体实心工艺结构件，整个生产过程中包括拓扑锁扣三维设计、精密构件运行控制和可控成型电弧增材。实现拓扑锁扣结构件的微观组织和宏观结构的可控成型，实现结构件强度和韧性的有效调控，增强材料在极端环境中的耐冲击能力。本专利技术从根本上改变了传统的“制造引导设计、制造优先设计、经验设计”的理念，有望推动金属增材制造行业的革新发展，促进增材制造行业向“设计引导制造、功能性优先设计、拓扑优化设计”的转型升级。
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1.一种采用电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，其特征在于，整个生产工艺主要由3D模型分层路径规划、机器人参数设计、结构件制备三部分构成，所制备的拓扑锁扣结构件其显微硬度可在230HV以上进行调控，其冲击韧性值均超过100J/cm2，介于纯不锈钢和纯高强钢之间，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，第一层增材路径沿着同一个方向进行，每个方向路径平行，第二层的增材方向与第一层增材方向垂直，即旋转90°，第三层增材方向与第一层增材方向一致，第四层增材方向与第二层增材方向一致，依此类推；所述S2步骤中，高强度焊丝选用直径为1.2mm的ER120S-G，不锈钢焊丝选用直径为1.0mm的ER316L，不锈钢基板为316L，用角磨机对基板进行打磨，并先后用无水乙醇和丙酮清洗基板表面；所述S3步骤中，送丝速度为0.3-0.9m/min，电流为110-150A，电弧移动速度为2-4mm/s，电弧摆动参数为1-2mm；所述S4步骤中，保护气体为纯度≧99.99％的氩气，且气体流量为15L/min，红外测温器实时监测层间温
3.根据权利要求1-2所述的电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，其特征在于，所述拓扑锁扣结构件显微硬度均达到230HV以上，其冲击韧性均超过100J/cm2，介于纯不锈钢和纯高强钢之间。
4.根据权利要求3所述的电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，其特征在于，所述高强度焊丝为直径1.2mm的ER120S-G，不锈钢焊丝为直径1.0mm的ER316L。
...【技术特征摘要】
1.一种采用电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，其特征在于，整个生产工艺主要由3d模型分层路径规划、机器人参数设计、结构件制备三部分构成，所制备的拓扑锁扣结构件其显微硬度可在230hv以上进行调控，其冲击韧性值均超过100j/cm2，介于纯不锈钢和纯高强钢之间，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的电弧增材拓扑锁扣结构件的制备方法，其特征在于，所述s1步骤中，第一层增材路径沿着同一个方向进行，每个方向路径平行，第二层的增材方向与第一层增材方向垂直，即旋转90°，第三层增材方向与第一层增材方向一致，第四层增材方向与第二层增材方向一致，依此类推；所述s2步骤中，高强度焊丝选用直径为1.2mm的er120s-g，不锈钢焊丝选用直径为1.0mm的er316l，不锈钢基板为316l，用角磨机对基板进行打磨，并先后用无水乙醇和丙酮清洗基板表面；所述s3步...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宪生，史航，史和生，杨文芬，周杰，端林虎，
申请(专利权)人：江苏润邦焊接科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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