CN108788389B - 一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法，该装置的双钨极氩弧增材制造枪下方安装有偏钨极一与偏钨极二，偏钨极一与偏钨极二垂直设置在基板上方；导丝嘴一和导丝嘴二设置于双钨极氩弧增材制造枪前方。在熔敷过程中同时向熔池中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造。本发明确保在大电流、高送丝速度的熔敷工艺下依然可以良好成形，在不更换焊丝的情况下，所制备的梯度材料成形件的成分即可从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，熔敷效率高达330cm3/h，并且熔敷道成分更加均匀，与目标设定成分相对误差小于10％。

Description

一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造的装置与方法，具体涉及一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法，属于梯度材料的电弧增材制造领域。
背景技术
电弧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，填充金属金属丝并逐层逐道熔敷成形，具有低成本、高效率等优点。目前电弧增材制造方法主要包括熔化极气体保护电弧(Gas metal arc，GMA)增材制造、钨极氩弧(Gas tungsten arc，GTA)增材制造等。随着科学技术发展，常规的均质材料已经难以满足各行各业对零件综合性能的要求，梯度材料的电弧增材制造成为了目前的研究热点。
与GMA增材制造相比，钨极氩弧增材制造的过程稳定性更高，熔敷过程无飞溅，适用于绝大多数黑色金属和有色金属的增材制造；并且其送丝速度与熔敷电流彼此独立，灵活性高，采用双丝钨极氩弧增材制造的方法可以应用于梯度材料的增材制造。
然而，传统的单钨极氩弧增材制造的钨极载流能力有限，且电弧压力随电流升高呈指数增长，过大的电弧压力会造成指状熔深，熔池容易失稳破坏，导致成形恶化。因此钨极氩弧增材制造一般采用200A以下小电流熔敷工艺，导致其熔敷效率明显低于其他电弧增材制造方法。
不仅如此，小电流熔敷工艺的热输入过低，导致熔池体积小、温度低、冷却速度快、流动缓慢，因此，传统的双丝单钨极氩弧增材制造的熔池没有充足的时间和动力将所填充的异种金属丝充分混合，凝固成形后的熔敷道往往伴随成分偏聚等问题，故所得梯度材料成形件的成分分布情况与设计目标不一致，性能无法得到保障。
因此迫切需要提出一种新的高效高质量的梯度材料氩弧增材制造方法，在保留传统氩弧增材制造过程稳定优点的前提下确保在500A以上大电流、高送丝速度的熔敷工艺下依然可以良好成形，提高熔敷效率，同时降低熔池的凝固速度并加剧熔池流动，使熔敷道成分更加均匀，得到的梯度材料质量更高。
发明内容
本发明解决了现有技术的单钨极氩弧增材制造熔敷效率低的问题，以及熔池没有充足的时间和动力将所填充的异种金属丝充分混合，凝固成形后的熔敷道往往伴随成分偏聚，所得梯度材料成形件的成分分布情况与设计目标不一致，性能无法得到保障以及熔敷效率低的问题，提供了一种实现500A以上大电流梯度材料增材制造的双丝双钨极氩弧增材制造装置与方法，以确保在大电流、高送丝速度的熔敷工艺下依然可以良好成形，提高熔敷效率，同时降低熔池的凝固速度并加剧熔池流动，使熔敷道成分更加均匀。
为达此目的，本发明提出一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置包括钨极氩弧增材制造电源一、钨极氩弧增材制造电源二、双钨极氩弧增材制造枪、偏钨极一、偏钨极二、导丝嘴一、导丝嘴二、送丝机一、送丝机二、送丝软管一和送丝软管二；
所述双钨极氩弧增材制造枪下方安装有彼此绝缘的偏钨极一与偏钨极二，所述偏钨极一与偏钨极二相对设置并通过电缆分别与钨极氩弧增材制造电源一和钨极氩弧增材制造电源二的负极相连接，所述钨极氩弧增材制造电源一和钨极氩弧增材制造电源二的正极与基板连接，所述偏钨极一与偏钨极二垂直设置在基板的上方，在偏钨极一、偏钨极二与基板之间形成一个电弧，电弧电流等于流经偏钨极一与偏钨极二的电流之和；所述导丝嘴一和导丝嘴二镜像对称设置于双钨极氩弧增材制造枪的前方，所述导丝嘴一与送丝机一之间设有送丝软管一，所述导丝嘴二与送丝机二之间设有送丝软管二。
优选地，所述钨极氩弧增材制造电源一与钨极氩弧增材制造电源二为恒流电源。
优选地，所述偏钨极一与偏钨极二的尖端角度为25°～60°，所述偏钨极一与偏钨极二的尖端靠近并呈镜像对称设置，偏钨极一与偏钨极二的间距为1～2.5mm
优选地，所述导丝嘴一与导丝嘴二的夹角为θ，θ＝40°～50°。
优选地，所述导丝嘴一和导丝嘴二与基板的夹角为
Figure BDA0001702909540000021
Figure BDA0001702909540000022
一种利用梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置进行增材制造的方法包括以下步骤：
步骤一：根据待加工零件的几何结构与材料分布，选择适当牌号的金属丝，然后根据待加工零件的三维几何模型进行分层切片和路径规划以及工艺规范参数规划操作，其中工艺规范参数包括电弧电流I，流经偏钨极一的电流Ia，流经偏钨极二的电流Ib，，行走速度v，送丝速度vfa和送丝速度vfb；
步骤二：用砂轮打磨基板，去除基板表面的锈迹，并通过模具压板固定在工作台上，完成熔敷前的准备工作；
步骤三：将双钨极氩弧增材制造枪移动到熔敷道起始点并提前通入保护气2秒，在偏钨极一、偏钨极二与基板之间引燃电弧，待熔池形成后，按照规划结果行走并送丝；
步骤四：当双钨极氩弧增材制造枪运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，避免出现弧坑影响后续的熔敷过程，衰减电流时间0.5秒，10秒后停止通保护气；
步骤五：待成形件冷却到层间温度，再将焊枪移动到下一熔敷道起始点；
步骤六：反复执行步骤四、步骤五，直到完成整个成形件的熔敷加工。
优选地，所述流经偏钨极一的电流Ia＝流经偏钨极二的电流Ib，且电弧电流I＝Ia+Ib，在I≥500A的情况下材料依然良好成形。
优选地，同时向熔池中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造，所制备的梯度材料成形件的成分可以从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，并且熔敷过程可以连续进行，不需要更换金属丝。
本发明所述的梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法的工作原理为：
采用异种成分的两根金属丝作为填充材料，调节双丝送进比例，控制熔敷道成分与性能，利用电弧热熔化双丝以及部分基板(或已成形部分)形成熔池，熔池凝固后形成熔敷道，按照分层切片、路径规划、参数规划的结果将熔敷道逐层逐道堆积，最终形成梯度材料成形件。
本发明所述的梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法的有益效果为：
1)所述梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置采用双钨极耦合氩弧热源代替传统的单钨极氩弧热源，增大了电弧上端面积，并减小了电弧的电流密度，使电弧压力明显降低，能够在熔敷成形过程中有效避免熔池因电弧力过大而失稳流淌的问题，使熔敷过程更加稳定，稳定成形情况下的熔敷电流从200A提高到500A以上。因此拓宽了钨极氩弧增材制造的工艺规范窗口，可以采用大熔敷电流、高送丝速度的熔敷成形工艺，提高了钨极氩弧增材制造的熔敷效率。
2)大电流熔敷提高了熔池温度，使熔池的表面张力对流与电磁对流增强，并且冷却速度降低，因此熔池中的各个组分能够在在凝固之前充分均匀混合，所得熔敷道成分更加均匀。
3)熔敷过程中同时向熔池中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造，在不更换金属丝的情况下，所制备的梯度材料成形件的成分即可从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，因此熔敷过程可以连续进行。
4)试验表明，采用所述双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法进行梯度材料增材制造，熔敷过程中，电弧稳定燃烧，金属丝熔化充分，熔敷过程能够连续稳定的进行，所得熔敷道成形良好，熔敷效率达到330cm3/h，明显高于传统单钨极氩弧增材制造的熔敷效率(约150cm3/h)，与GMA增材制造的熔敷效率水平相当，并且熔敷道成分分布均匀，其合金元素的质量分数基本与设定目标吻合，梯度材料的成分可连续地从一种材料过渡到另一种材料，绝对误差小于0.09％，相对误差小于10％。
附图说明
图1为本发明所述的双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法的结构示意图；
图中：1a-钨极氩弧增材制造电源一；1b-钨极氩弧增材制造电源二；2-双钨极氩弧增材制造枪；3a-偏钨极一；3b-偏钨极二；4a-导丝嘴一；4b-导丝嘴二；5a-送丝机一；5b-送丝机二；6a-送丝软管一；6b-送丝软管二；7-熔池；8-成型件；9-基板；10a-金属丝一；10b-金属丝二。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种双丝双钨极氩弧增材制造的装置包括钨极氩弧增材制造电源一1a、钨极氩弧增材制造电源二1b、双钨极氩弧增材制造枪2、偏钨极一3a、偏钨极二3b、导丝嘴一4a、导丝嘴二4b、送丝机一5a、送丝机二5b、送丝软管一6a和送丝软管二6b；
所述双钨极氩弧增材制造枪2下方安装有彼此绝缘的偏钨极一3a与偏钨极二3b，所述偏钨极一3a与偏钨极二3b相对设置并通过电缆分别与钨极氩弧增材制造电源一1a和钨极氩弧增材制造电源二1b的负极相连接，所述钨极氩弧增材制造电源一1a和钨极氩弧增材制造电源二1b的正极与基板9连接，所述偏钨极一3a与偏钨极二3b垂着设置在基板9的上方，形成两个独立的电流回路，所述导丝嘴一4a和导丝嘴二4b镜像对称设置于双钨极氩弧增材制造枪2的前方，在偏钨极一3a、偏钨极二3b与基板9之间形成一个电弧，电弧电流等于流过偏钨极一3a和偏钨极二3b的电流之和；所述导丝嘴一4a与送丝机一5a之间设有送丝软管一6a，所述导丝嘴二4b与送丝机二5b之间设有送丝软管二6b。
所述钨极氩弧增材制造电源一1a与钨极氩弧增材制造电源二1b为恒流电源。
所述双钨极氩弧增材制造枪2包括进气罩、进气孔、出气罩、两个导电体和两个钨极，所述双钨极氩弧增材制造枪2属于气保护焊枪，工作时，外部气瓶中的保护气通过进气罩上的进气孔通入焊枪，从出气罩喷出，保护偏钨极一3a、偏钨极二3b、电弧与熔池7。所用保护气为普通氩气，流量8～12L/min，所产生的耦合电弧位于熔池7与偏钨极一3a、偏钨极二3b之间；所述送丝机一5a、送丝机二5b分别通过送丝软管一6a、送丝软管二6b输送两根成分不同的金属丝一10a、金属丝二10b，送丝软管一6a与送丝软管二6b分别与导丝嘴一4a和导丝嘴二4b相连接，所述金属丝一10a与金属丝二10b分别通过送丝软管一6a与送丝软管二6b送至导丝嘴一4a和导丝嘴二4b。
所述偏钨极一3a与偏钨极二3b的尖端角度为25°～60°，所述偏钨极一3a与偏钨极二3b的尖端靠近并呈镜像对称设置，偏钨极一3a与偏钨极二3b的间距为1～2.5mm。
所述双钨极氩弧增材制造枪2的内部平行安装两根彼此绝缘的偏钨极一3a和偏钨极二3b，偏钨极一3a和偏钨极二3b的尖端角度为25°～60°，偏钨极一3a和偏钨极二3b的尖端靠近，呈“V”形放置。钨极是钨极氩弧焊或者钨极氩弧增材制造的电极，对于常规的单钨极氩弧增材制造，钨极端部是锥状，其尖端位于钨极轴心；而对于双钨极氩弧增材制造，为了增强电弧的导向作用，令其尖端位于钨极边缘，偏离轴心，故称为偏钨极。
熔池7是局部熔化的基板或成形件以及熔化的金属丝形成的熔融金属，熔池7凝固后形成熔敷道，熔敷道堆积形成成型件8，所述成型件8位于基板9之上，所述双钨极氩弧增材制造枪2垂直设置在熔池7上方，偏钨极一3a和偏钨极二3b的尖端与成型件8之间的距离为4mm～5mm。
所述导丝嘴一4a与导丝嘴二4b的夹角为θ，θ＝40°～50°。
所述导丝嘴一4a和导丝嘴二4b与基板9的夹角为
Figure BDA0001702909540000051
Figure BDA0001702909540000052
导丝嘴一4a和导丝嘴二4b对称安装在双钨极氩弧增材制造枪2前端，用于引导金属丝一10a与金属丝二10b填充到熔池7之中，所述导丝嘴一4a与导丝嘴二4b的夹角(送丝角度)可以调节，作为优选，两金属丝之间的夹角为40°～50°，且金属丝一10a与金属丝二10b对准熔池7前沿，即焊枪轴线与基板的交点沿前进方向偏移约1mm～2mm。
利用上述装置实现500A以上大电流梯度材料增材制造的双丝双钨极氩弧增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工零件的几何结构与材料分布，选择适当牌号的金属丝，然后根据待加工零件的三维几何模型进行分层切片和路径规划以及工艺规范参数规划操作，其中工艺规范参数包括电弧电流I，流经偏钨极一3a的电流Ia，流经偏钨极二3b的电流Ib，行走速度v，送丝速度vfa和送丝速度vfb；
步骤二：用砂轮打磨基板9，去除基板9表面的锈迹，并通过模具压板固定在工作台上，完成熔敷前的准备工作；
步骤三：将双钨极氩弧增材制造枪2移动到熔敷道起始点，提前通入保护气2秒，在偏钨极一3a、偏钨极二3b与基板之间引燃电弧，待熔池7形成后，送丝机一5a和送丝机二5b按照规划路径行走并送丝；
步骤四：当双钨极氩弧增材制造枪2运动到熔敷道终点时，送丝机一5a和送丝机二5b停止送丝，双钨极氩弧增材制造枪2衰减电流并熄弧，衰减电流时间为0.5s，10秒后停止通保护气；
步骤五：待成形件8冷却到层间温度，再将双钨极氩弧增材制造枪2移动到下一熔敷道起始点；
步骤六：反复执行步骤四、步骤五，直到完成整个成形件8的熔敷加工。
所述流经偏钨极一3a的电流Ia＝流经偏钨极二3b的电流Ib，且电弧电流I＝Ia+Ib，在I≥500A的情况下材料依然良好成形。
同时向熔池7中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造，所制备的梯度材料成形件的成分可以从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，并且熔敷过程可以连续进行，不需要更换金属丝。
所述熔敷道成分与送丝速度vfa、vfb之间的关系是通过以下方式推导获得的：
在双丝双钨极氩弧增材制造过程中，根据物料平衡关系，熔化金属丝的质量等于填充金属丝的质量，单位时间填充金属丝的质量mfa，mfb满足：
Figure BDA0001702909540000061
式中：ra，rb——两根金属丝的密度；
Da，Db——金属丝一10a与金属丝二10b的直径；
vfa，vfb——两根金属丝的送丝速度。
因此，熔敷道中任一元素X的质量分数w满足：
Figure BDA0001702909540000062
式中：wa，wb——金属丝一10a与金属丝二10b中元素X的质量分数；
对于直径相同、密度相近(例如低碳钢和低合金钢)的两根金属丝，上式可以简化为：
Figure BDA0001702909540000063
即熔敷道成分是金属丝一10a与金属丝二10b的成分按照送丝速度比分配得到的。
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。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式。所述双丝双钨极氩弧增材制造的装置固定安装在三自由度机床上，钨极氩弧增材制造电源一1a与钨极氩弧增材制造电源二1b均采用锐龙WS-400焊机，直流正接；双钨极氩弧增材制造枪2安装有偏钨极一3a和偏钨极二3b，偏钨极一3a和偏钨极二3b的尖端角度为30°，尖端靠近平行放置，呈“V”形，钨极间距1.5mm。
所述双钨极氩弧增材制造枪2垂直设置在熔池7上方，所产生的耦合电弧位于熔池7与两根钨极之间，钨极尖端与成型件之间的距离为4mm；保护气采用普通氩气，流量10L/min；基板材料为Q235，尺寸为100mm*200mm*10mm。
金属丝一10a为直径1.2mm的H08Mn2Si低碳钢金属丝，金属丝二10b为直径1.2mm的H06MnNi13CrMoA低合金高强钢金属丝(含Ni2.5％)，两金属丝夹角θ＝40°，金属丝一10a、金属丝二10b与基板9之间的夹角
Figure BDA0001702909540000071
且金属丝一10a和金属丝二10b对准熔池7前沿，即双钨极氩弧增材制造枪2的轴线与基板9的交点沿前进方向偏移1.5mm。
本实施例所堆积的成形件为单墙壁结构的梯度材料成形件，其熔敷道的Ni元素质量分数沿高度方向从0到2.5％渐变。根据熔敷道成分与送丝速度比之间的关系计算，得到各个熔敷道所采用的送丝速度如表1所示，各个熔敷道长度为200mm，总熔敷电流均为500A(250A+250A)，行走速度均为5mm/s。
表1单墙壁结构各个熔敷道送丝速度表(m/min)
Figure BDA0001702909540000072
具体步骤如下：
步骤一：根据待加工的墙壁结构的分层切片、路径规划以及工艺规范参数规划的结果，设置加工参数以及机床运动程序；
步骤二：用砂轮打磨基板9，去除基板9表面的锈迹，并通过模具压板固定在工作台上，完成熔敷前的准备工作；
步骤三：将双钨极氩弧增材制造枪2移动到熔敷道起始点，提前通入保护气2秒，在偏钨极一3a和偏钨极二3b与基板9之间引燃电弧，待熔池7形成后，按照规划路线行走并送丝；
步骤四：当双钨极氩弧增材制造枪2运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，避免出现弧坑影响后续的熔敷过程，衰减电流时间0.5秒，10秒后停止通保护气；
步骤五：待成形件8冷却到层间温度，再将双钨极氩弧增材制造枪2移动到下一熔敷道起始点；
步骤六：反复执行步骤四、步骤五，直到完成整个成形件8的熔敷加工。
本实施例在熔敷过程中，电弧稳定燃烧，金属丝熔化充分，熔敷过程能够连续稳定的进行，所得熔敷道成形良好，成分均匀，熔敷效率达到270cm3/h，明显高于传统单钨极氩弧增材制造的熔敷效率(约150cm3/h)，与GMA增材制造的熔敷效率水平相当。
对本实施例所熔敷加工的成形件的成分沿高度方向进行SEM成分扫描试验，测定各个熔敷道位置处的Ni元素质量分数，并与Ni元素质量分数的设定值进行对比，如表2所示。结果表明，测量值与设定值基本吻合，绝对误差不超过0.09％，相对误差不超过8％，故本实施例所熔敷加工的梯度材料成形件的成分分布情况与设计目标一致。
表2单墙壁结构各个熔敷道Ni元素质量分数(％)及其误差(％)
Figure BDA0001702909540000081
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式。所述双丝双钨极氩弧增材制造的装置固定安装在三自由度机床上，钨极氩弧增材制造电源一1a和钨极氩弧增材制造电源二1b均采用锐龙WS-400焊机；双钨极氩弧增材制造枪2安装有偏钨极一3a和偏钨极二3b，偏钨极一3a和偏钨极二3b尖端角度为60°，尖端靠近平行放置，呈“V”形，偏钨极间距为2mm。
所述双钨极氩弧增材制造枪2垂直设置在熔池7上方，所产生的耦合电弧位于熔池7与两根钨极之间，钨极尖端与成型件之间的距离为5mm；保护气采用普通氩气，流量12L/min；基板材料为Q235，尺寸为100mm*200mm*10mm。
金属丝一10a为直径1.2mm的H08Mn2Si低碳钢金属丝，金属丝二10b为直径1.2mm的H06MnNi13CrMoA低合金高强钢金属丝(含Ni2.5％)，两金属丝夹角θ＝50°，金属丝一10a、金属丝二10b与基板之间的夹角为
Figure BDA0001702909540000082
且金属丝一10a与金属丝二10b对准熔池前沿，双钨极氩弧增材制造枪2轴线与基板9的交点沿前进方向偏移2mm。
本实施例所堆积的成形件为单墙壁结构的梯度材料成形件，其熔敷道的Ni元素质量分数沿高度方向从0到2.5％渐变。根据熔敷道成分与送丝速度比之间的关系计算，得到各个熔敷道所采用的送丝速度如表3所示。各个熔敷道长度为150mm，总熔敷电流均为600A(300A+300A)，行走速度均为6mm/s。
表3单墙壁结构各个熔敷道送丝速度表(m/min)
Figure BDA0001702909540000091
具体步骤如下：.
步骤一：根据待加工的墙壁结构的分层切片、路径规划以及工艺规范参数规划的结果，设置加工参数以及机床运动程序；
步骤三：将双钨极氩弧增材制造枪2移动到熔敷道起始点，提前通入保护气2秒，在偏钨极一3a和偏钨极二3b与基板9之间引燃电弧，待熔池7形成后，按照规划路线行走并送丝；
步骤四：当双钨极氩弧增材制造枪2运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，避免出现弧坑影响后续的熔敷过程，衰减电流时间0.5秒，10秒后停止通保护气；
步骤五：待成形件8冷却到层间温度，再将双钨极氩弧增材制造枪2移动到下一熔敷道起始点；
步骤六：反复执行步骤四、步骤五，直到完成整个成形件8的熔敷加工。
本实施例在熔敷过程中，电弧稳定燃烧，金属丝熔化充分，熔敷过程能够连续稳定的进行，所得熔敷道成形良好，成分均匀，熔敷效率达到330cm3/h，明显高于传统单钨极氩弧增材制造的熔敷效率(约150cm3/h)，与GMA增材制造的熔敷效率水平相当。
对本实施例所熔敷加工的成形件的成分沿高度方向进行SEM成分扫描试验，测定各个熔敷道位置处的Ni元素质量分数，并与Ni元素质量分数的设定值进行对比，如表4所示。结果表明，测量值与设定值基本吻合，绝对误差小于0.08％，相对误差小于10％，故本实施例所熔敷加工的梯度材料成形件的成分分布情况与设计目标一致。
表4单墙壁结构各个熔敷道Ni元素质量分数(％)及其误差(％)
Figure BDA0001702909540000092
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，包括钨极氩弧增材制造电源一(1a)、钨极氩弧增材制造电源二(1b)、双钨极氩弧增材制造枪(2)、偏钨极一(3a)、偏钨极二(3b)、导丝嘴一(4a)、导丝嘴二(4b)、送丝机一(5a)、送丝机二(5b)、送丝软管一(6a)和送丝软管二(6b)；
所述双钨极氩弧增材制造枪(2)下方安装有彼此绝缘的偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)相对设置并通过电缆分别与钨极氩弧增材制造电源一(1a)和钨极氩弧增材制造电源二(1b)的负极相连接，所述钨极氩弧增材制造电源一(1a)和钨极氩弧增材制造电源二(1b)的正极与基板(9)连接，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)垂直设置在基板(9)的上方，在偏钨极一(3a)、偏钨极二(3b)与基板(9)之间形成一个电弧，电弧电流等于流经偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的电流之和；所述导丝嘴一(4a)和导丝嘴二(4b)镜像对称设置于双钨极氩弧增材制造枪(2)的前方，所述导丝嘴一(4a)与送丝机一(5a)之间设有送丝软管一(6a)，所述导丝嘴二(4b)与送丝机二(5b)之间设有送丝软管二(6b)；
所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的尖端角度为25°～60°，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的尖端靠近并呈镜像对称设置，偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的间距为1～2.5mm；
所述导丝嘴一(4a)与导丝嘴二(4b)的夹角为θ，θ＝40°～50°；
所述导丝嘴一(4a)和导丝嘴二(4b)与基板(9)的夹角为
Figure FDA0002615142400000011
2.根据权利要求1所述的梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，所述钨极氩弧增材制造电源一(1a)与钨极氩弧增材制造电源二(1b)为恒流电源。
3.利用权利要求1所述的梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置进行增材制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工零件的几何结构与材料分布，选择适当牌号的金属丝，然后根据待加工零件的三维几何模型进行分层切片和路径规划以及工艺规范参数规划操作，其中工艺规范参数包括电弧电流I，流经偏钨极一(3a)的电流Ia，流经偏钨极二(3b)的电流Ib，行走速度v，送丝速度vfa和送丝速度vfb；所述流经偏钨极一(3a)的电流Ia＝流经偏钨极二(3b)的电流Ib，且电弧电流I＝Ia+Ib，在I≥500A的情况下材料依然良好成形；
在双丝双钨极氩弧增材制造过程中，根据物料平衡关系，熔化金属丝的质量等于填充金属丝的质量，单位时间填充金属丝的质量mfa，mfb满足：
Figure FDA0002615142400000021
式中：ρa，ρb——两根金属丝的密度；
Da，Db——金属丝一10a与金属丝二10b的直径；
vfa，vfb——两根金属丝的送丝速度；
因此，熔敷道中某一元素的质量分数w满足：
Figure FDA0002615142400000022
式中：ωa，ωb——金属丝一10a与金属丝二10b中某一元素的质量分数；
步骤二：用砂轮打磨基板(9)，去除基板(9)表面的锈迹，并通过模具压板固定在工作台上，完成熔敷前的准备工作；
步骤三：将双钨极氩弧增材制造枪(2)移动到熔敷道起始点并提前通入保护气2秒，在双钨极与基板之间引燃电弧，待熔池(7)形成后，按照规划路径行走并送丝；
步骤四：当双钨极氩弧增材制造枪(2)运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，避免出现弧坑影响后续的熔敷过程，衰减电流时间0.5秒，10秒后停止通保护气；
步骤五：待成形件(8)冷却到层间温度，再将双钨极氩弧增材制造枪(2)移动到下一熔敷道起始点；
步骤六：反复执行步骤四、步骤五，直到完成整个成形件(8)的熔敷加工。
4.根据权利要求3所述的增材制造的方法，其特征在于，同时向熔池(7)中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造，所制备的梯度材料成型件的成分可以从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，并且熔敷过程可以连续进行，不需要更换金属丝。
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