一种电弧熔丝增材制造铝铜合金结构件低变形机械加工方法与流程

本发明涉及一种电弧熔丝增材制造铝铜合金结构件低变形机械加工方法，属于金属增材制造后续加工。

背景技术：

1、2xxx系列高强度al-cu合金（如2219、2319、2024等）因其较高的比强度、优异的加工性能和时效硬化能力，被广泛应用于航空航天、军事、交通运输等领域的复杂结构件制造。电弧熔丝增材制造（wire arc additive manufacturing, waam）技术以电弧为热源，通过熔融焊丝实现材料逐层堆叠，具有材料利用率高、成形效率高、设备成本低、适合大尺寸构件制造等突出优势，为高强度al-cu合金复杂结构件的一体化制造提供了新的途径。

2、然而，电弧熔丝增材制造铝铜合金结构件在实际工程应用中面临一个普遍且棘手的问题——机械加工过程中的显著变形。该问题的成因主要包括以下几个方面：

3、其一，增材态残余应力。waam过程中，电弧以逐层堆叠的方式沉积材料，快速熔化与凝固产生的热循环导致构件内部累积显著的残余应力。研究表明，残余应力的出现与waam的热循环效应密切相关。当残余应力介于材料的屈服强度和抗拉强度之间时，材料将发生塑性变形；当残余应力超过抗拉强度时，材料将发生断裂。电弧熔丝增材制造构件的残余应力严重影响构件的力学性能和尺寸精度。

4、其二，增材态组织非均匀性。waam成形的al-cu合金呈现不均匀的凝固组织，主要表现为层间细小等轴晶区与层内柱状晶区交替分布，这种不均匀的晶粒组织分布与waam过程中由热循环主导的散热和热积累有关。组织非均匀性导致材料在后续机械加工中的切削力响应存在差异，加剧了加工变形。

5、其三，铝铜合金的材料特性。al-cu合金的热膨胀系数较大，弹性模量相对较低，在切削热和切削力的共同作用下极易产生弹性回复和塑性变形。此外，铝铜合金的导热性较好，但增材制造过程中形成的组织与锻件组织差异显著，进一步增加了加工变形的不可控性。

6、目前，针对waam铝铜合金结构件机械加工变形的控制方法主要包括：在增材后施加去应力退火处理、在加工过程中采用小切深多次走刀策略、采用专用工装夹具进行强制约束等。然而，上述方法存在各自的局限性：单一去应力退火难以充分释放增材过程累积的深层残余应力；单纯依靠工艺参数调整对变形的抑制效果有限，往往需要以牺牲加工效率为代价；强制约束方法在薄壁结构、异形曲面等复杂构件上应用受限。

7、因此，亟需一种系统性的低变形机械加工方法，通过全流程的应力调控与低应力加工策略，从增材态应力消除、切削工艺优化、在位应力释放与尺寸稳定化四个层面协同作用，实现铝铜合金结构件机械加工变形的有效控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电弧熔丝增材制造铝铜合金结构件低变形机械加工方法，该方法采用复合去应力热处理与低应力机械加工相结合，建立全流程低变形加工工艺路线，系统性控制并降低结构件在机械加工全过程中的变形量，提高加工精度与成品率。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种电弧熔丝增材制造铝铜合金结构件低变形机械加工方法，其包括以下步骤：

3、步骤1、增材态结构件的应力表征与评估：

4、对完成电弧熔丝增材制造的铝铜合金毛坯件进行残余应力检测，根据检测结果，绘制残余应力分布云图，识别高应力集中区域，为后续去应力退火和粗加工工艺参数的差异化制定提供依据；

5、步骤2、复合去应力退火处理：

6、将步骤1检测后的铝铜合金毛坯件置于热处理炉中，进行复合去应力退火处理；

7、步骤3、顺序减材粗加工：

8、将步骤2处理后的毛坯件装夹于数控机床上，依据增材态毛坯件与成品件之间的余量分布，规划粗加工路径；

9、步骤4、多级热处理：

10、对产品进行固溶+时效热处理；

11、步骤5、精密加工：

12、完成步骤4多级热处理后，在同一装夹状态下进行精密加工；

13、步骤6、在位去应力处理：

14、完成步骤5精密加工过程中，每加工完成一遍，不拆卸工件，直接在机床上进行在位去应力处理；

15、步骤7、无损检测与质量评价：

16、对完成上述步骤的结构件进行检测，确认变形量控制在设计公差范围内。

17、作为本方案的进一步优选，所述步骤1中，检测方法包括x射线衍射法、盲孔法或轮廓法中的一种或多种组合；所述铝铜合金选自zcl2319、zcl205c或其它铝铜系合金；所述电弧熔丝增材制造工艺包括cmt（冷金属过渡）、变极性tig、mig或等离子弧焊。

18、作为本方案的进一步优选，所述步骤2中，退火处理工艺参数为：以不超过80℃/h的升温速率加热至300℃~350℃，保温时间为2h~6h，随后以不超过50℃/h的降温速率随炉冷却至150℃以下后出炉空冷；对于具有高应力集中区域的构件，在保温阶段结束后增加炉内缓冷至200℃后保温1h~2h的阶梯冷却工序。

19、作为本方案的进一步优选，所述步骤3中，采用专低应力夹具系统进行装夹，夹具与被加工面之间设置柔性缓冲层；在粗加工过程中，粗加工工艺参数采用大切深、小进给、中低转速策略：切削深度ap = 1mm~2mm，切削速度vc = 150m/min~300m/min；并且：

20、采用顺铣方式，刀具路径优先去除高应力区域周边的余量，使残余应力在材料去除过程中逐步释放，避免一次性切除大块材料引起应力剧烈释放导致的变形；

21、以及粗加工过程中每完成一个加工特征段，停机静置15min~30min，使构件温度场均匀化，残余应力逐步再平衡。

22、作为本方案的更进一步优选，所述柔性缓冲层选自铜网、橡胶垫或石墨垫中的一种，厚度为1mm~3mm。

23、作为本方案的进一步优选，所述步骤4中，固溶处理为多级处理，用于平衡组织粗化与合金成分固溶度的矛盾，其热处理制度为：一级固溶300~350℃，保温120~240分钟；二级固溶510~520℃，保温120~240分钟；三级固溶530~535℃，保温240~360分钟；四级固溶540~545℃，保温120~240分钟；将经四级固溶处理后的构件迅速转移至淬火介质中，转移时间不超过15秒，淬火水温控制在20~60℃，淬火时间为10~30分钟，淬火过程保持介质循环以确保温升不超过5℃；

24、然后将淬火后的构件置于时效炉中进行人工时效处理，时效温度为165~175℃，保温时间为240~360分钟，随后出炉空冷。

25、作为本方案的进一步优选，所述步骤5中，精密加工采用小切深、小进给、高转速策略：切削深度ap = 0.1mm~0.5mm，切削速度vc = 300m/min~600m/min；并且精加工过程中采用液氮冷却或微量润滑冷却，将切削区温度控制在100℃以下，减少切削热对残余应力平衡的影响；对于薄壁特征或悬臂结构，采用对称加工策略，即先在特征一侧加工一层，再加工另一侧，两面交替进行，使切削力相互平衡。

26、作为本方案的更进一步优选，所述液氮冷却为过冷液氮冷却或液氮喷雾冷却，冷却介质温度≤-50℃。

27、作为本方案的进一步优选，所述步骤6中，在位去应力处理采用以下方式之一或组合：

28、（a）振动时效处理：在工件表面安装激振器，施加频率20hz~200hz的振动激励，振幅5μm~50μm，处理时间15min~60min，使残余应力在微幅振动中重新分布和释放；

29、（b）局部感应加热处理：采用感应加热线圈对高应力集中区域进行局部加热至120℃~160℃，保温10min~30min后自然冷却，实现局部应力消除；

30、（c）超声冲击处理：采用超声冲击装置对加工表面进行全覆盖冲击处理，冲击频率20khz~40khz，处理速度200mm/min~600mm/min。

31、作为本方案的更进一步优选，所述振动时效处理，在振动处理前后分别测量构件的固有频率和阻尼比，以处理前后固有频率下降率≤3%作为残余应力释放充分的判断依据。

32、作为本方案的进一步优选，所述步骤7中，对结构件进行检测包括：尺寸精度检测、表面粗糙度检测、内部质量检测、表面质量检测及残余应力复测。

33、作为本方案的进一步优选，在步骤2的退火处理和步骤4的多级热处理中，对于最长尺寸≥1000mm的大型构件，采用分区控温热处理炉，保证炉温均匀性≤±5℃。

34、作为本方案的进一步优选，所述结构件包含薄壁结构（壁厚1mm~5mm）、复杂曲面结构或大尺寸框架结构中的一种或多种。

35、由上述方法制造的电弧熔丝增材制造铝铜合金结构件，该结构件机械加工后的变形量控制在常规加工方法的30%以下，平面度≤0.1mm/m，残余应力水平低于材料屈服强度的30%。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

37、（1）系统性解决增材态残余应力问题：通过步骤2的复合去应力退火与步骤6的在位去应力处理协同作用，对增材过程中累积的热应力进行分级消除，有效降低加工前的初始应力水平和加工过程的内应力水平。

38、（2）“顺序粗加工+精密加工”分阶段应力控制：粗加工阶段采用先加工高应力区域后加工低应力区域，大切深小进给策略，配合阶段性静置，使残余应力在材料去除过程中逐步释放而非剧烈爆发；精加工阶段采用小切深高转速策略，配合低温冷却，最大限度减少切削热和切削力对已平衡应力体系的扰动。

39、（3）在位去应力处理避免重复装夹误差：步骤6的在位去应力处理在不拆卸工件的条件下完成，避免了因重复装夹引入的定位误差和附加应力，同时保证了粗加工与精加工之间的基准一致性。

40、（4）全流程低变形工艺通用性强：本发明的工艺方法适用于不同牌号的铝铜合金、不同尺寸和不同复杂程度的结构件，可通过各步骤参数的针对性调整实现工艺定制化，具有较高的工程应用价值。