CN107803568A - 一种提高丝材电弧增材制造精度及成形效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高丝材电弧增材制造精度及成形效率的方法，属于先进制造技术领域，解决常规丝材电弧增材制造时样品尺寸精度及表面质量差，热输入受限、成形效率不高的问题。本发明固定成形模具与焊枪的相对位置，使成形过程中模具成形面与熔池侧面保持接触，约束熔池形状，使熔池在模具约束下凝固，实现熔池金属的微熔铸，保证成形过程中焊道宽度的一致性及工艺参数的稳定，以提高成形样品的尺寸精度和表面质量；并且通过对模具水冷，加强对熔池的冷却，减小冷却条件的变化，保证样品组织性能的均匀性。另一方面，由于采用模具约束熔池金属，可以增大线能量而不必担心因熔池自由流淌而无法成形，从而提高了成形效率。

Description

一种提高丝材电弧增材制造精度及成形效率的方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，提供一种提高丝材电弧增材制造精度及成形效率的方法，用于零件及模具的增材制造，可提高样品尺寸精度及表面质量，并提高成形效率。

背景技术

丝材电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing， WAAM) 以非熔化极、熔化极或等离子弧等电弧作热源，通过不断熔化丝材逐层堆积成形，具有成形尺寸大、设备简单、成本低、材料利用率和沉积效率高等优势，熔覆率可达50~130g/min，是生产中大型零件的实用方法，已成为可实现高质量金属零件经济快速成形的方法之一。

WAAM主要成形设备包括焊接机器人（或数控工作台）、气体保护电弧焊设备，基本工艺过程：首先在计算机上建立零件的三维CAD模型，利用切片程序将连续的三维模型离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，提取每一层切片所产生的轮廓，并根据切片轮廓设计合理的电弧扫描路径、扫描速度，选择焊丝直径、电弧电压、电流等工艺参数，并转换成相应的计算机数字控制程序；然后，启动焊接设备及焊接机器人程序，引燃电弧，并使电弧在计算机指令控制下按照预先设置的扫描程序及路径进行扫描，将丝材不断熔化并逐层熔覆堆积，直到形成CAD模型所设计的零件。当采用数控工作台时，焊枪安装在工作台上方的支架上固定不动，底板固定于工作台上，工作台按照预置的路径及程序运动，完成一层的熔覆堆积后，工作台向下移动一个层高，然后熔覆堆积下一层，直到得到所需形状的零件。

各种电弧焊方法如TIG（钨极氩弧焊）、GMAW（金属极气体保护焊）、PTA（等离子弧堆焊），微束等离子弧都已用于增材制造技术。TIG焊比GMAW具有较低的能量输入、不易飞溅，组织形貌稳定性高，因此在WAAM中得到了较多的应用。但TIG焊时因电弧、焊丝的非同轴特征，在成形路径复杂多变时，送丝方向与焊枪运动方向的相位关系的保持依赖于行走机构，增大了成形、控制系统的复杂性。GMAW方法虽然热输入较高，但是成形速率更快，而且以焊丝作为电极，弧、丝具有同轴性，成形位置的可达性更好。特别是继Fronius公司开发出冷金属过渡(CMT)技术后，克服了常规GMAW的诸多弊端，CMT技术在WAAM成形领域展现出独特的优势。

但WAAM电弧熔池体积较大，冷态原材料、电弧吹力、电源特性等扰动因素的存在，使得熔池成为一个不稳定的系统，这限制了热输入的提高，且焊道表面形状不均匀，零件精度及表面质量较差。成形过程中熔池体积及形状的稳定是保证成形精度的基础，其影响因素不但取决于焊接热输入，还与熔池散热条件有关，增材制造过程中随着高度的增加，散热条件发生很大变化，特别是对于单道多层薄壁样品更加明显。散热条件变差导致熔池温度升高，金属液流动性、铺展能力增强，发生金属流淌现象，引起弧长等工艺参数的波动。为了保持熔池的稳定，应采取措施保持熔池散热条件的一致，或者相应调整工艺参数以减小热输入，生产中常采用的措施是保持一定的层间温度，随样品高度的增加适当减小热输入。由于成形过程样品尺寸不断变化，并且热量不断累积，保持熔池散热条件的一致十分困难，而减小热输入又会引起层高的变化，导致层高的不均匀性，并且保持层间温度和降低热输入都降低了熔覆沉积效率。

华中科技大学的张海鸥等人发明了一种用于零件或模具的增量制造方法（CN105312570A）及一种用于增材制造的变胞成形装置（CN102896173A），在熔积成形的同时利用旋转压头对软化半凝固区或已凝固区进行旋转压缩加工，提高成形精度和产品质量，其旋转压头主要是对凝固后或凝固中的金属进行压缩，以保证尺寸精度及表现质量，旋转压头需要采用加压机构，所需装置结构复杂。

本专利针对传统丝材电弧增材制造技术存在的以上问题，通过增加结构简单的侧面强制成形模具，利用模具约束熔池金属成形，实现熔池金属的微熔铸，保证成形过程中焊道宽度的一致性，从而保证熔池尺寸及工艺参数的稳定，并且通过对模具水冷，加强对熔池的冷却，减小冷却条件的变化，保证组织性能的均匀性。

发明内容

本发明提供一种提高丝材电弧增材制造精度及成形效率的方法， 在传统的丝材电弧增材制造技术(WAAM)基础上，采用侧面成形模具约束熔池形状并对熔池冷却，使熔池在模具约束下凝固，以提高成形样品的尺寸精度和表面质量；另一方面，由于采用模具约束熔池金属，可以增大线能量而不必担心因熔池流淌而无法成形，从而提高了成形效率。

本发明方法利用夹具将侧面成形模具安装在焊枪上，或与焊枪同时安装在固定装置上，使成形过程中模具与电弧相对位置不变，模具成形面始终与熔池侧面保持接触，约束熔池形状并对熔池有一定冷却作用，使熔池在模具约束下凝固成形，实现熔池的微熔铸。

本发明中作为增材制造热源的电弧可以是熔化极电弧（焊丝作为电极），也可以是非熔化极电弧（钨棒作为电极），即焊接设备可以采用熔化极气体保护焊设备，也可以采用钨极氩弧焊设备，当采用钨极氩弧焊时，焊丝采用单独的送丝机从电弧侧面或前方送进。

对于薄壁样品，只需单道多层熔覆沉积即可成形，此时熔池两侧均需采用强制成形模具。熔化极气体保护焊时，采用本发明方法的薄壁样品成形原理见图1。

对于厚大样品，需要进行多道多层熔覆堆积，除每一层的第一道采用双侧成形模具外，其他各道只需采用单侧成形模具。熔化极气体保护焊时，采用本发明方法的厚大样品成形原理见图2。

由上所述，采用本发明方法，增材制造中熔池成形类似于连续微铸造过程，即利用电弧热将焊丝熔化形成熔池，熔池金属受到模具的约束。由于电弧相对于工件不断运动，所以熔池也是动态的，电弧离开，熔池跟随电弧移动，熔池尾部金属在模具约束下凝固成形，并在前方形成新的熔池。

根据成形样品的结构及成形过程中电弧移动路径的不同，本发明方法的成形模具采用不同的结构设计，模具成形面可以是平面，也可以是弧面或其他不规则形状。模具内部通水冷却，一是防止模具的过热，提高模具寿命，二是加强对熔池的冷却，促进熔池的凝固成形。

附图说明

图1为单道薄壁样品熔化极气体保护焊增材制造成形原理图，在底板（7）上进行逐层熔覆沉积，获得增材制造样品（6），焊丝（2）从喷嘴（1）中连续送出，与工件之间引燃电弧（3）将焊丝及工件表面局部熔化形成熔池（4），熔池两侧用模具（5）（两侧各有一个模具）进行约束，模具随焊枪一起运动，模具（5）的成形面始终与熔池侧面接触，电弧向前运动后，熔池在模具约束及冷却下凝固成形。

图2为多道多层厚壁或大体积样品熔化极气体保护焊增材制造成形原理图，在底板（7）上进行逐层熔覆沉积，每一层需要进行多道熔覆沉积，获得增材制造样品（6），焊丝（2）从喷嘴（1）中连续送出，与工件之间引燃电弧（3）将焊丝及工件表面局部熔化形成熔池（4），熔池两侧分别受到前一道沉积层金属和模具（5）的约束，模具随焊枪一起运动，模具（5）的成形面始终与熔池侧面接触，电弧向前运动后，熔池在前一道沉积金属及模具的约束及冷却下凝固成形。

图3为厚大样品成形时单侧约束装置装配图。

图4为一种成形面为平面的成形模的示意图。

图5为单道薄壁样品成形时双侧约束装置装配图。

图6为一种成形面为弧形凹面的成形模示意图。

图7为一种成形面为弧形凸面的成形模示意图。

具体实施方式

本发明方法的特征在于采用侧面成形模具约束熔池金属成形。增材制造过程中要保证模具与电弧位置的相对固定，从而始终保持模具成形面与熔池金属的接触。

当电弧移动路径为直线时，模具成形面为平面，模具形状可采用简单的长方体（如图1、图2中的模具），模具长度略大于熔池长度，薄壁样品成形模具高度约为熔覆堆积层高的2倍，厚大样品成形模具高度比熔覆堆积层高略高2-5mm即可，模具厚度约5-10mm。例如，铝合金丝材增材制造时，一种典型薄壁样品成形模具尺寸可以为40mm×15mm×8mm。

当电弧移动路径为圆弧时，模具成形面为圆弧面，圆弧半径接近电弧移动路径半径，一定圆弧半径的模具，可以用于电弧移动路径半径在一定范围内的试件的成形。

实施例1：

图3为厚大样品增材制造时单侧成形装置装配图，成形模（1）通过螺纹连接安装在连接杆（2）上，连接杆（2）与伸长杆（4）通过夹紧螺栓螺母（3）连接固定，并利用螺母（5）夹紧安装在支架（6）上，支架（6）利用夹具（8）及螺栓螺母（7）固定在焊枪的喷嘴（9）上。图4为采用的模具形状及尺寸示例。松开螺栓螺母（7）可以调整夹具（8）及支架（6）在焊枪喷嘴（9）上的位置，从而调整成形时的喷嘴至工件表面的距离。松开螺母（5）可以左右调整伸长杆（4）位置，从而调整焊道宽度。松开夹紧连接杆（2）与伸长杆（4）的螺母（3），可以使连接杆（2）绕其转轴O点转动，从而使成形模（1）的成形面倾斜一定角度，用于成形外壁倾斜的样品。

实施例2：

图5为薄壁样品增材制造时双侧成形模具装置装配图，两侧成形模具及支架对称，成形模（1）通过螺纹连接安装在连接杆（2）上，连接杆（2）与伸长杆（4）通过夹紧螺栓螺母（3）连接固定，并利用螺母（5）夹紧安装在支架（6）上，两侧支架（6）利用螺栓螺母（7）固定在焊枪的喷嘴（8）上。松开螺栓螺母（7）可以调整支架（6）在焊枪喷嘴（8）上的位置，从而调整成形时的喷嘴至工件表面的距离。松开螺母（5）可以左右调整伸长杆（4）位置，从而调整焊道宽度。松开夹紧连接杆（2）与伸长杆（4）的螺母（3），可以使连接杆（2）绕其转轴O点转动，从而使成形模（1）的成形面倾斜一定角度，用于成形外壁倾斜的样品。

实施例3：

当电弧移动路径为圆弧时，例如成形薄壁筒形零件时，模具固定装置仍采用图5所示装置，成形模具采用图6、图7所示结构，筒体外壁侧采用图6所示模具，筒体内壁侧采用图7所示模具。根据成形筒体的半径及壁厚分别选择图6及图7模具的弧面半径r。

Claims (5)

1.一种提高丝材电弧增材制造精度及成形效率的方法，其特征在于丝材电弧增材制造（WAAM）工艺中，采用侧面成形模具约束熔池侧面成形，并对熔池金属冷却，提高样品尺寸精度及表面质量，并使提高热输入成为可能，从而提高成形效率。

2.根据权利要求1所述方法，增材制造过程中，成形模具与电弧的相对位置固定，使成形模具的成形面保持与熔池金属侧面接触；可以固定焊枪及成形模具不动，使样品随工作台运动，也可以将样品固定在工作台上不动，将成形模具固定在焊枪上，模具跟随焊枪一起运动。

3.根据权利要求1所述方法，采用的成形模具内部通水冷却，一是防止模具的过热，二是加强对熔池的冷却，促进熔池的凝固成形。

4.根据权利要求1所述方法，根据制造样品的结构及成形过程中电弧移动路径的不同，成形模具采用不同的结构设计，成形面可以是平面，也可以是弧形面或其他不规则形状。

5.根据权利要求1所述方法，薄壁样品成形时熔池两侧采用成形模具进行约束，厚大样品成形时除每层第一道外，熔池单侧采用成形模具进行约束。