一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备和方法

本发明属于金属增材制造，具体涉及一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备和方法。

背景技术：

1、增材制造(additive manufacturing,am)是以丝材或粉末为原料，以电弧、电子束或激光为热源，按三维模型切片数据的预设路径逐层打印，具有效率高、成本低等优势，有望实现复杂构件的一体化成形，在航空航天、汽车高铁和国防军工等高端装备领域具有广泛的应用前景。由于金属的固有特性和工艺参数的不匹配，导致增材制造构件中往往存在非均匀组织、冶金缺陷以及应力变形，大幅降低其可靠性和服役寿命，难以满足高端装备领域的使役要求，是亟需攻克的瓶颈问题。针对上述瓶颈问题，通过层间超声滚压在焊道表面引入剧烈塑性变形，可以在一定程度上闭合缺陷、改善组织和性能。

2、专利申请“层间超声冲击辅助高性能cmt电弧增材制造方法和装置”(公告号cn114589381 a)、“一种多工序复合电弧增材制造装置及方法”(公告号cn 116000631 a)公开的层间超声滚压辅助电弧增材制造工艺，以及专利申请“超声滚压调控激光增材制造沉积组织的方法与系统”(公告号cn 113414413 a)、“一种与超声冲击复合的同轴送丝激光增材制造方法”(cn 113634763 a)公开的层间超声滚压辅助激光增材制造工艺。上述专利虽然能够实现室温下的层间超声滚压辅助增材制造，在一定程度上实现了气孔的闭合，改善了显微组织和力学性能，但也存在一些不足之处：其一，影响层深度浅，强化效率低，强化效果不足；其二，无法处理变形抗力大和塑性变形能力差的金属材料，可适用材料范围窄。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备和方法，实现超声滚压过程的温度精准调控，从而拓展可适用的金属材料的种类，进一步提升层间强化的改善效果。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备，包括增材制造装置1，增材制造装置1打印构件3，构件3位于基板回转台2上，构件3的顶部和超声滚压装置6、电磁感应加热装置4配合；超声滚压装置6与超声控制器7连接，通过超声控制器7为超声滚压装置6设定所需的滚压参数；电磁感应加热装置4与电磁控制器5连接，通过电磁控制器5为电磁感应加热装置4设定所需的电流强度和感应频率。

4、所述的增材制造装置1为电弧熔丝增材制造装置、激光定向能量沉积装置或电子束定向能量沉积装置。

5、所述的电磁感应加热装置4为盘状电磁感应铜管。

6、所述的电磁感应加热装置4与超声滚压装置6同轴安装。

7、利用一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备的方法，包括以下步骤：

8、步骤1)：通过计算机cad软件对构件3建立三维模型，并利用增材制造系统软件对三维模型进行切片分层和路径规划；

9、步骤2)：增材制造装置1的打印头按预设路径打印构件3，并通过基板回转台2调整构件3的位姿，实现任意形状构件3的打印；

10、步骤3)：待打印完一层后，通过电磁控制器5调控电流和感应频率，从而使电磁感应加热装置4为构件3的层间滚压区域引入所需的温度；通过超声控制器7设置超声功率和频率，使超声滚压装置6为层间引入所需深度的塑性变形区；待参数设置完毕，同时开启电磁感应加热装置4和超声滚压装置6，从而对最新打印层进行层间超声滚压；

11、步骤4)：若影响层的深度达到设定范围，则重复步骤2)-步骤3)；若影响层的深度小于所需范围，则继续调整超声控制器7和电磁控制器5的参数，然后重复步骤3)；

12、步骤5)：重复步骤2)-步骤4)，直至整个构件3打印完毕。和现有技术相比，本发明有益效果为：

13、1.由于本发明采取层间超声滚压耦合原位电磁感应加热的方式，利用电磁感应的涡流效应进行局部加热，提升金属材料的塑性变形能力和影响层深度，与室温下的层间超声滚压相比，具有强化效率高，强化效果显著的优点。

14、2.由于本发明采取层间超声滚压耦合原位电磁感应加热的方式，不仅可以显著降低变形抗力大的金属材料的变形抗力，还可以显著提升室温塑性变形差的金属材料的变形能力，所以具有可适用材料范围广的优点。

15、3.由于本发明采取层间超声滚压耦合原位电磁感应加热的方式，与室温下的层间超声滚压相比，可通过局部电磁感应加热进行原位回火热处理，所以具有残余热应力和变形量小的优点。

1.一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备，包括增材制造装置(1)，其特征在于：增材制造装置(1)打印构件(3)，构件(3)位于基板回转台(2)上，构件(3)的顶部和超声滚压装置(6)、电磁感应加热装置(4)配合；超声滚压装置(6)与超声控制器(7)连接，通过超声控制器(7)为超声滚压装置(6)设定所需的滚压参数；电磁感应加热装置(4)与电磁控制器(5)连接，通过电磁控制器(5)为电磁感应加热装置(4)设定所需的电流强度和感应频率。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的增材制造装置(1)为电弧熔丝增材制造装置、激光定向能量沉积装置或电子束定向能量沉积装置。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的电磁感应加热装置(4)为盘状电磁感应铜管。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的电磁感应加热装置(4)与超声滚压装置(6)同轴安装。

5.利用权利要求1-4任一项所述的一种层间超声滚压耦合原位电磁感应加热辅助增材制造设备的方法，其特征在于，包括以下步骤：