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专利号: 2024113981470
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,包括:

步骤S1,将基板放置于工作台上,并进行装夹固定,确保在沉积过程中不会移动;选取符合要求的高氮不锈钢棒材进行筛选,保证所述高氮不锈钢棒材质量,并建立增材管件的模型;

步骤S2,确定搅拌摩擦沉积增材制造的工艺参数初始值,根据所述工艺参数初始值设置空芯旋转工具的转速和移动速度,并以初始工艺参数进行试运行,根据试运行结果反馈调节初始工艺参数;

步骤S3,将所述高氮不锈钢棒材送至所述空芯旋转工具,通过调节施加给高氮不锈钢棒材的压力,调节增材制造过程中的沉积进给速度,并判断空心旋转工具对于不锈钢棒材的加热能力能否满足当前增材管件的增材制造需求;

步骤S4,启动所述空芯旋转工具,使其在所述基板上进行高速旋转和前进,同时送料系统将所述高氮不锈钢棒材送至空芯旋转工具与基板之间的接缝处,空芯旋转工具在旋转和前进过程中产生摩擦热和剪切塑性变形,促使高氮不锈钢棒材软化并与基板形成冶金连接,从而实现高氮不锈钢棒材的沉积;

步骤S5,以初始检测周期获取所述不锈钢棒材在增材过程中的沉积温度,将所述沉积温度与目标沉积温度进行对比分析,在所述沉积温度处于目标沉积温度范围时对沉积温度的变化趋势进行判定;

所述将所述沉积温度与目标沉积温度进行对比分析的过程包括,

根据初始检测周期对沉积层进行温度测量检测所述不锈钢棒材的沉积温度,计算任一沉积温度值与目标沉积温度最小值的实际温度差值和与目标沉积温度最大值的实际温度差值,并将其与目标沉积温度最大值和最小值进行对比;

若实际沉积温度小于等于目标沉积温度最小值,根据实际温度差值与实际温差评价值的大小,增大空芯旋转工具的转速;

若实际沉积温度大于目标沉积温度最大值,根据实际温度差值与实际温差评价值的大小,减小空芯旋转工具的转速;

所述在所述沉积温度处于目标沉积温度范围时对沉积温度的变化趋势进行判定的过程包括,若所述不锈钢棒材的沉积温度处于目标沉积温度范围,根据所述沉积温度绘制不锈钢棒材的沉积温度变化曲线,并求得温度变化曲线的导函数,对不锈钢棒材的温度变化曲线及其导函数进行分析,判断沉积温度的变化趋势;

所述判断沉积温度的变化趋势的过程包括,

若温度变化曲线的导数值大于零,则判断不锈钢棒材的沉积温度正在上升,沉积温度正在接近目标沉积温度最大值,根据沉积温度的上升速率减小空心旋转工具的转速;

若温度变化曲线的导数值等于零,则判断不锈钢棒材的沉积温度保持不变,沉积温度稳定处于目标沉积温度范围,空芯旋转工具以初始转速进行旋转;

若温度变化曲线的导数值小于零,则判断不锈钢棒材的沉积温度正在下降,沉积温度正在接近目标沉积温度最小值,根据沉积温度的下降速率增大空心旋转工具的转速;

步骤S6,重复步骤S4,所述高氮不锈钢棒材逐层进行沉积,在所述基板上形成多层沉积结构,每层沉积完成后,对增材层表面进行切削加工和打磨处理,以保证增材层表面平整且与下一层界面紧密贴合;

所述工艺参数初始值为所述空心旋转工具的初始转速、初始移动速度和对所述不锈钢棒材施加的初始压力。

2.根据权利要求1所述的厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,所述建立增材管件的模型的过程包括:根据增材管件的目标参数,建立管件的三维模型,并将三维模型切割成若干二维图形,确定每个二维图形的宽度和厚度以及三维模型切割成若干二维图形的层数;

其中所述增材管件的目标参数为增材管件的高度、宽度、外径和内径。

3.根据权利要求2所述的厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,所述确定搅拌摩擦沉积增材制造的工艺参数初始值的过程包括:通过深度学习神经网络定量分析在不同参数下搅拌摩擦沉积增材工艺试件的结构变化,根据管件产品的目标参数需求确定工艺参数初始值,将目标需求输入训练好的深度学习神经网络,得到初始工艺参数,所述高氮不锈钢棒材在初始压力的作用下以初始沉积进给速度进行沉积增材;

其中,深度神经网络学习模型为一种工艺参数窗口确定模型,通过收集预设数量的增材工件在不同机械性能下对应的工艺参数,将对应的工艺参数输入至深度神经网络学习模型的预设神经网络中进行深度学习训练得到所述工艺参数窗口确定模型。

4.根据权利要求3所述的厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,所述以初始工艺参数进行试运行的过程包括:启动所述空芯旋转工具以初始工艺参数进行试运行,检测所述增材管件的试件高度和试件厚度,计算增材管件的试件高度和试件厚度与增材管件的目标高度和目标厚度的实际差值;

若试件高度和试件厚度与增材管件的目标高度和目标厚度的实际差值小于等于试件差值评价值,则判定试件能够满足增材制造所需增材管件的目标参数需求;

若试件高度和试件厚度与增材管件的目标高度和目标厚度的实际差值大于试件差值评价值,则判定试件不能够满足增材制造所需增材管件的目标参数需求,根据试件高度和试件厚度与增材管件的目标高度和目标厚度的实际差值调整初始工艺参数。

5.根据权利要求4所述的厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,所述根据试运行结果反馈调节初始工艺参数的过程包括:增材构件高度与沉积进给速率成正相关,若试件高度大于目标高度,通过调整对不锈钢棒材施加的初始压力减小初始压力沉积进给速度;若试件高度小于目标高度,通过调整对不锈钢棒材施加的初始压力增大初始压力沉积进给速度;

沉积层的有效宽度与空芯旋转工具的移动速度成负相关,若试件厚度大于目标厚度,通过增大空心旋转工具的初始移动速度减小沉积层的有效宽度;若试件厚度小于目标厚度,通过减小空心旋转工具的初始移动速度增大沉积层的有效宽度。

6.根据权利要求5所述的厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,所述判断空心旋转工具对于不锈钢棒材的加热能力能否满足当前增材管件的增材制造需求的过程包括:计算空芯旋转工具转速在最大值和移动速度在最小值时产生的对于增材制造过程中的热输入,根据增材制造过程中的热输入计算不锈钢棒材的标准最大温度,将不锈钢棒材的标准最大温度与目标沉积温度范围进行对比;

若标准最大温度大于等于目标沉积温度最大值,则判断空芯旋转工具的最大转速满足增材制造需求;

若标准最大温度小于目标沉积温度最小值,则判断空芯旋转工具的最大转速不满足增材制造需求,控制空芯旋转工具按照最大转速进行旋转,并增大不锈钢棒材的所受初始压力。

7.根据权利要求6所述的厚壁并具有细晶组织的高氮不锈钢管的增材制造方法,其特征在于,所述沉积温度处于上升趋势时温度表达参数为温度表达参数第一预设值,沉积温度处于下降趋势时温度表达参数为温度表达参数第二预设值,温度表达参数第二预设值大于温度表达参数第一预设值。