CN107414259B - 用于梯度材料制造的辅助填丝gma增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置及方法。所述装置包括GMAW弧焊电源与送丝机、GMAW焊枪、两个导丝嘴以及两台辅助填丝送丝机，其中：送丝机用于输送熔化极焊丝，其送丝软管与GMAW焊枪连接；GMAW焊枪垂直设置在熔池正上方，用于引导熔化极焊丝送入熔池，所产生的电弧位于熔化极焊丝与熔池之间；两台辅助填丝送丝机分别用于输送与同质填充焊丝和异质填充焊丝，其送丝软管分别与两个导丝嘴连接；两个导丝嘴固定在GMAW焊枪前端，用于引导同质填充焊丝和异质填充焊丝送入熔池。本发明解决了传统的GMA增材制造过程中成形件热积累严重以及无法实现成分连续调节的问题。
Description
技术领域
本发明属于高效电弧增材制造技术领域，涉及一种GMA增材制造装置及方法，具体涉及一种用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置及方法。
背景技术
熔化极气体保护电弧(Gas metal arc，GMA)增材制造是一种金属材料增材制造工艺，该工艺以焊接电弧为热源，金属焊丝为填充材料，逐层逐道熔敷成形，具有设备成本低、熔敷效率高、材料利用率高、成形工件力学性能优异等优点。
然而，传统的GMA增材制造工艺在能量分布上存在不合理性。熔敷电流在加热并熔化焊丝的同时，也对成形件产生了过多的热输入。在逐层逐道熔敷过程中，成形件经历了多重加热，热积累严重。若在此基础上继续熔敷，则容易造成熔池过热，影响成形，甚至引发熔池金属流溢。同时，熔池过热也会使熔敷道组织粗大，成形件性能恶化。
不仅如此，传统的GMA增材制造工艺也受到了加工材料种类的限制，只能通过道间更换焊丝的方法来改变熔敷道成分，而这种调整方式不仅操作繁琐，而且受到了焊丝种类的限制，熔敷道成分无法连续调节，难以实现梯度材料的熔敷制备。
因此，迫切需要提出一种高效的GMA增材制造工艺，使其更多的能量用于熔化填充金属，降低对成形件的热输入，同时能够实现熔敷道成分的连续调节。
发明内容
为了解决传统的GMA增材制造过程中由于能量分配的不合理性所导致的成形件热积累严重的问题，以及加工材料种类受限，只能通过更换焊丝来改变熔敷道成分，无法实现成分连续调节的问题，本发明提供了一种用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置及方法。本发明既可以用于电弧增材制造，又可以用于梯度材料的电弧增材制造。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置，包括GMAW弧焊电源与送丝机、GMAW焊枪、两个导丝嘴以及两台辅助填丝送丝机，其中：
所述的送丝机用于输送熔化极焊丝，其送丝软管与GMAW焊枪连接；
所述的GMAW焊枪垂直设置在熔池正上方，用于引导熔化极焊丝送入熔池，所产生的电弧位于熔化极焊丝与熔池之间；
所述的两台辅助填丝送丝机分别用于输送与熔化极焊丝成分相同的同质填充焊丝和与熔化极焊丝成分相异的异质填充焊丝，其送丝软管分别与两个导丝嘴连接；
所述的两个导丝嘴固定在GMAW焊枪前端，用于引导同质填充焊丝和异质填充焊丝送入熔池。
一种利用上述装置实现用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：根据路径规划、参数规划的结果设置熔敷规范参数；
步骤二：当GMAW焊枪到达起弧点时，向GMAW弧焊电源发送起弧命令，在熔化极焊丝与基板(或成形件的已成型部分)之间起弧，形成熔池，开始熔敷；0.2～0.5秒之后接通两台辅助填丝送丝机的送丝开关，向熔池中持续填丝；
步骤三：当GMAW焊枪到达熄弧点时，断开两台辅助填丝送丝机的送丝开关，停止填丝；GMAW焊枪在熄弧点停留0.2～0.5秒后熄弧，完成一条熔敷道的熔敷加工；
步骤四：反复执行上述步骤二和三，直到完成整个成形件的熔敷加工。
本发明具有如下优点：
1、装置结构简单，成本低，过程稳定，容易控制，能够充分利用焊接余热熔化填充焊丝，提高了GMA增材制造的能量利用率，使更多的能量用于熔化填充金属。
2、在单位时间熔敷金属量不变的前提下，辅助填丝的引入使熔化极焊丝的送丝速度相应降低，即熔敷电流降低，因此对成形件的热输入显著降低，改善了现有的GMA增材制造过程中由于多重加热所引发的热积累严重等问题。同时，熔池由各个焊丝熔合而成，调整各种焊丝的送丝速度比例，即可实现熔敷道成分在一定范围内连续调节，故适用于梯度材料的增材制造。
附图说明
图1为本发明用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置，如图1所示，该装置包括GMAW弧焊电源1、送丝机2、熔化极焊丝3、GMAW焊枪4、第一导丝嘴5、第二导丝嘴6、第一辅助填丝送丝机7和第二辅助填丝送丝机8，其中：
所述的送丝机2用于输送熔化极焊丝3，其送丝软管与GMAW焊枪4连接；
所述的GMAW焊枪4垂直设置在熔池11正上方，用于引导熔化极焊丝送入熔池11，所产生的电弧位于熔化极焊丝3与熔池11之间；
所述的第一辅助填丝送丝机7用于输送与熔化极焊丝成分相同的同质填充焊丝9，其送丝软管与第一导丝嘴5连接；
所述的第二辅助填丝送丝机8用于输送与熔化极焊丝成分相异的异质填充焊丝10，其送丝软管与第二导丝嘴6连接；
所述的第一导丝嘴5和第二导丝嘴6固定在GMAW焊枪4前端，用于引导同质填充焊丝9和异质填充焊丝10送入熔池11。
利用上述装置实现用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：根据路径规划、参数规划的结果设置熔敷规范参数，包括熔敷电流、熔敷电压、熔敷速度以及各个辅助填丝的送丝速度等。
步骤二：当GMAW焊枪4到达起弧点时，向GMAW弧焊电源1发送起弧命令，在熔化极焊丝与基板(或成形件的已成型部分)之间起弧，形成熔池11，开始熔敷；0.5秒后接通第一辅助填丝送丝机7和第二辅助填丝送丝机8的送丝开关，向熔池11中持续填丝。
步骤三：当GMAW焊枪4到达熄弧点时，断开第一辅助填丝送丝机7和第二辅助填丝送丝机8的送丝开关，停止填丝；GMAW焊枪4在熄弧点停留0.5秒后熄弧，完成一条熔敷道的熔敷加工。
步骤四：反复执行上述步骤二和三，直到完成整个成形件的熔敷加工。
本发明中，辅助填充焊丝(即：同质填充焊丝和异质填充焊丝)送入熔池中，吸收电弧与熔池的余热而熔化，故更多的能量被用于熔化填充金属，减小了对成形件的热输入，能量利用率显著提高，与增材制造的需求相吻合。同时，辅助填丝GMA增材制造方法打破了传统GMA增材制造只能通过提高熔敷电流来增加单位时间熔敷金属量的限制，能够在较低熔敷电流下产生较高的单位时间熔敷金属量，因此本方法是一种低热输入的GMA增材制造方法，能够明显改善GMA增材制造熔敷过程中由多重加热所引发的热积累严重等问题。
本发明中，熔池由熔化极焊丝、同质填充焊丝以及异质填充焊丝熔合而成，熔敷道成分与各个焊丝送丝速度之间的关系是通过以下方式推导获得的：
在辅助填丝GMA增材制造熔敷过程中，忽略飞溅等影响因素，根据物料平衡关系，熔敷道的体积与熔化焊丝的体积相等，熔化焊丝的体积与送入焊丝的体积相等，熔化极焊丝、同质填充焊丝以及异质填充焊丝的单位时间送入的体积满足：
式中：d1、d2、d3——熔化极焊丝、同质填充焊丝、异质填充焊丝的直径；vf1、vf2、vf3——熔化极焊丝、同质填充焊丝、异质填充焊丝送丝速度。
三根焊丝的送丝速度相互独立，可以通过调整三根焊丝的送丝速度比例来调整熔敷道的成分。因此，在由上述焊丝熔化所形成的熔敷道中，异质填充焊丝所占体积分数ω3为：
本发明中，各个焊丝送丝速度的调节规则如下：对于同一层的熔敷道，应保证一致，同时保证一致，在此基础上，通过调整两根辅助填充焊丝的送丝速度来实现熔敷道成分的调节。此时，各个熔敷道的体积、热输入基本一致，成形尺寸不会因成分调整而发生明显改变，能够确保熔敷层表面平整，熔敷过程按照规划结果连续进行。
以下通过特定的实施例说明本发明的实施方式。本发明还可以通过其他不同的实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在本实施例中，所述的用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置固定在Motoman HP20D机器人末端，GMAW弧焊电源采用唐山松下YD500FR电源，熔化极焊丝与同质填充焊丝均为直径1.2mm的H08Mn2Si焊丝，异质填充焊丝为直径1.2mm的H18CrMo焊丝，保护气成分为95％Ar+5％CO2。本实施例所堆积的成形件由5条平行的熔敷道搭接而成，各个熔敷道长度均为120mm，从左到右熔敷堆积，各个熔敷道的熔敷规范参数如表1所示：
表1
具体步骤如下：
步骤一：根据路径规划、参数规划的结果编写机器人熔敷加工程序，并设置熔敷规范参数；
步骤二：执行机器人熔敷加工程序。当GMAW焊枪到达起弧点时，机器人向GMAW弧焊电源发送起弧命令，在熔化极焊丝与基板之间起弧，形成熔池，开始熔敷；0.5秒之后接通两台辅助填丝送丝机的送丝开关，向熔池中持续填丝；
步骤三：当GMAW焊枪到达熄弧点时，断开两台辅助填丝送丝机的送丝开关，停止填丝；GMAW焊枪在熄弧点停留0.5秒后熄弧，完成一条熔敷道的熔敷加工；
步骤四：反复执行上述步骤二和三，直到完成整个成形件的熔敷加工。
本实施例所熔敷加工的成形件的成分沿熔敷方向法向呈梯度分布，在熔敷过程中，电弧稳定燃烧，辅助填充焊丝熔化充分，熔敷过程能够连续稳定的进行，所得熔敷道成形良好，尺寸均匀。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.一种用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置，其特征在于所述装置包括GMAW弧焊电源与送丝机、GMAW焊枪、两个导丝嘴以及两台辅助填丝送丝机，其中：
所述的送丝机用于输送熔化极焊丝，其送丝软管与GMAW焊枪连接；
所述的GMAW焊枪垂直设置在熔池正上方，用于引导熔化极焊丝送入熔池，所产生的电弧位于熔化极焊丝与熔池之间；
所述的两台辅助填丝送丝机分别用于输送与熔化极焊丝成分相同的同质填充焊丝和与熔化极焊丝成分相异的异质填充焊丝，其送丝软管分别与两个导丝嘴连接；
所述的两个导丝嘴固定在GMAW焊枪前端，用于引导同质填充焊丝和异质填充焊丝送入熔池。
2.一种利用权利要求1所述的装置实现用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一：根据路径规划、参数规划的结果设置熔敷规范参数；
步骤二：当GMAW焊枪到达起弧点时，向GMAW弧焊电源发送起弧命令，在熔化极焊丝与基板或成形件的已成型部分之间起弧，形成熔池，开始熔敷；0.2～0.5秒后接通两台辅助填丝送丝机的送丝开关，向熔池中持续填丝，所述熔化极焊丝、同质填充焊丝以及异质填充焊丝的单位时间送入的体积满足如下条件：
式中：d1、d2、d3——熔化极焊丝、同质填充焊丝、异质填充焊丝的直径；vf1、vf2、vf3——熔化极焊丝、同质填充焊丝、异质填充焊丝送丝速度；
所述熔化极焊丝、同质填充焊丝和异质填充焊丝送丝速度的调节规则如下：对于同一层的熔敷道，应保证一致，同时保证一致，在此基础上，通过调整同质填充焊丝和异质填充焊丝的送丝速度来实现熔敷道成分的调节；
步骤三：当GMAW焊枪到达熄弧点时，断开两台辅助填丝送丝机的送丝开关，停止填丝；GMAW焊枪在熄弧点停留0.2～0.5秒后熄弧，完成一条熔敷道的熔敷加工，所述熔敷道中，异质填充焊丝所占体积分数ω3为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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