CN109226760B - 一种金属材料增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属材料增材制造装置及方法，包括：采用激光熔覆或堆焊与冷喷涂复合的方式进行金属增材制造，在基体零件上进行激光熔覆或堆焊，形成一层熔覆层或堆焊层，然后在熔覆层或堆焊层上进行喷涂，形成一层金属材料的冷喷层，再在冷喷层上进行激光熔覆或堆焊，激光熔覆或堆焊同时由于激光热量电弧放电产生热量输入，在冷喷层上形成熔池，使机械结合的冷喷层熔化，形成冶金结合，一层激光熔覆或堆焊一层冷喷涂交替叠加进行增材，可极大提高增材制造效率及增材制造零件的性能。

Description

一种金属材料增材制造装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料增材制造技术领域，特别涉及一种金属材料增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造技术作为一种颠覆性技术逐渐已被越来越多的学者重视，对于增材制造的研究也在逐渐的深入，增材制造技术成果的应用也越来越广泛，从航空航天、能源动力、精密制造、汽车制造到医疗文卫等领域，增材制造技术已广泛走进人们生活之中，增材制造是以对三维模型的离散堆积形成实体来制造零件，由点到线、由线到面、由面叠加到体，因此增材制造效率较低，如何提高增材制造效率问题，是困扰领域内学者的一个极大问题。另外，效率较低也是限制增材制造大规模使用的关键技术问题之一，对于金属零件的增材制造，以往采用大光斑高功率高扫描速度等方式进行提高效率(送丝方式的弧焊增材制造则采用大电流、高扫描速度等)，但效率并不能令人满意，如何进一步提高金属零件的增材制造效率，是金属增材制造面向大规模应用必须解决的问题。同时，在提高增材效率的同时，提高致密度和减小变形也是现存的技术困难之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属材料增材制造装置及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的金属材料增材制造装置及方法，可提高金属材料增材制造效率，同时可提高增材制造金属制品的性能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属材料增材制造装置，包括：两套运动机构、冷喷涂喷嘴以及熔覆装置或堆焊装置；冷喷涂喷嘴安装在一套运动机构的运动输出端，冷喷涂喷嘴用于形成冷喷层；熔覆装置或堆焊装置安装在另一套运动机构的运动输出端，熔覆装置或堆焊装置用于形成熔覆装层或堆焊层；其中，两套运动机构能够分别带动冷喷涂喷嘴及熔覆装置或堆焊装置合成交替层叠运动；熔覆装置或堆焊装置的熔深能够熔化预设冷喷层厚度。
进一步的，两套运动机构包括：第一机械臂和第二机械臂；第一机械臂和第二机械臂相对布置；第一机械臂的输出端安装有熔覆装置，第二机械臂的输出端安装有冷喷涂喷嘴。
进一步的，两套运动机构包括：第一三轴直线装置和第二三轴直线装置；第一三轴直线装置包括：第一基座、第一X轴水平部、第一Y轴水平部和第一Z轴竖直部；第一基座用于支撑；第一X轴水平部固定设置在第一基座上，第一Y轴水平部可移动的设置在第一X轴水平部，第一Y轴水平部能够在第一X轴水平部上沿X轴进行水平移动；第一Z轴竖直部可移动的设置在第一Y轴水平部，第一Z轴竖直部能够在第一Y轴水平部上沿Y轴进行水平移动，且能够沿Z轴进行竖直方向的运动，熔覆装置或堆焊装置设置在第一Z轴竖直部的下端部；第二三轴直线装置包括：第二基座、第二X轴水平部、第二Y轴水平部和第二Z轴竖直部；第二基座用于支撑；第二X轴水平部固定设置在第二基座上，第二Y轴水平部可移动的设置在第二X轴水平部，第二Y轴水平部能够在第二X轴水平部上沿X轴进行水平移动；第二Z轴竖直部可移动的设置在第二Y轴水平部，第二Z轴竖直部能够在第二Y轴水平部上沿Y轴进行水平移动，且能沿Z轴进行竖直方向的运动，冷喷涂喷嘴设置在第二Z轴竖直部的下端部。
进一步的，冷喷涂喷嘴生成的冷喷层厚度范围为0.2mm～0.8mm。
进一步的，熔覆装置为激光熔覆头，堆焊装置为焊枪。
进一步的，激光熔覆头生成的熔覆层或焊枪生成的堆焊层厚度范围为0.5mm～1mm。
一种金属材料增材制造方法，基于本发明的金属材料增材制造装置，具体步骤包括：
步骤1，控制熔覆装置或堆焊装置在基体零件上生成熔覆层或堆焊层；
步骤2，控制冷喷涂喷嘴在步骤1获得的熔覆层或堆焊层上生成冷喷层；
步骤3，控制熔覆装置或堆焊装置在步骤2获得的冷喷层上生成熔覆层或堆焊层；熔覆装置或堆焊装置的熔深大于冷喷层厚度；
步骤4，依次重复实施步骤2和步骤3，获得金属材料增材制品。
进一步的，步骤1和步骤3中，熔覆层或堆焊层厚度范围为0.5mm～1mm。
进一步的，步骤2中，冷喷层厚度范围为0.2mm～0.8mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的金属材料增材制造装置，通过两套运动机构带动冷喷涂喷嘴以及熔覆装置或堆焊装置形成交替层叠运动，可大幅提高金属零件的增材制造效率，同时冷喷时由于粉末高速冲击在熔覆层或堆焊层，又可使熔覆层或堆焊层得到了强化，减小或消除的内部拉应力增加了熔覆层或堆焊层致密性；而冷冷喷层(机械结合层或不致密冶金结合层)结合在熔覆层或堆焊层上的金属材料又在下一层熔覆或堆焊过程中熔化，可使冷冷喷层(机械结合层或不致密冶金结合层)变成致密的冶金结合。本发明具备了金属熔覆或堆焊以及冷喷涂的双重优点，形成了自身超高效特征，不仅制造效率快，还可细化组织晶粒，增加组织致密性，可大幅度提高金属增材制造的效率和零件的力学性能，对金属增材制造具有颠覆性意义。
进一步的，采用机械臂或三轴直线装置控制冷喷涂喷嘴以及熔覆装置或堆焊装置，操作方便。
本发明的制造方法基于本发明的制造装置，能够解决金属增材制造效率低下的问题，通过采用金属增材制造与冷喷涂复合的增材制造方法，采用金属熔覆或金属弧焊先打印一层；然后在打印层上进行冷喷涂，在打印层上机械结合喷上一层金属；然后再次采用激光熔覆或金属弧焊在冷喷层上金属打印。由于在冷喷层上形成熔池，打印过程把冷喷层熔化同时又进行打印形成新的打印层，如此循环，一层打印一层冷喷，打印时激光(或电弧)产生的熔深大于冷喷层厚度，使冷喷层融化再凝固形成致密的冶金组织，因此本发明可极大地提高增材制造效率和提高增材制造金属零件性能。采用冷喷涂和熔覆(电弧堆焊)复合的增材制造方法，可有效的降低拉应力减小变形并提高致密度。
附图说明
图1是本发明实施例的一种金属材料增材制造装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的又一种金属材料增材制造装置的结构示意图；
在图1和图2中，1第一机械臂；2熔覆装置；3冷喷涂喷嘴；4第二机械臂；5基体零件；6熔覆层；7冷喷层；8第一基座；9第一X轴水平部；10第一Y轴水平部；11第一Z轴竖直部；14第二Z轴竖直部；15第二Y轴水平部；16第二X轴水平部；17第二基座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明的一种金属材料增材制造装置，包括：第一机械臂1、熔覆装置2、冷喷涂喷嘴3和第二机械臂4；第一机械臂1和第二机械臂4相对布置；第一机械臂1的输出端安装有熔覆装置2，第二机械臂4的输出端安装有冷喷涂喷嘴3。熔覆装置2和冷喷涂喷嘴3在机械臂的带动下，均能到达工作区域的所有位置。具体的，熔覆装置2为激光熔覆头或焊枪。两套运动机构(机械臂)分别带动激光熔覆头或焊枪与冷喷涂喷嘴3合成交替层叠运动，在机械臂的控制下，激光熔覆头与冷喷涂喷嘴3可以进行层层交替打印及喷涂，激光熔覆或堆焊熔深可熔化冷喷层7厚度。冷喷层7厚度为0.2mm～0.8mm，熔覆层6或堆焊层厚度0.5mm～1mm，激光熔覆或堆焊的熔深大于冷喷层7厚度，激光熔覆或堆焊与冷喷涂交替进行。激光熔覆头或焊枪增材时的熔深大于冷喷层的厚度0.2mm～0.8mm，即实现冷喷层在激光或电弧作用下熔化再凝固。
熔覆装置2为激光熔覆头时的工作过程和工作原理：首先激光熔覆头在基体零件5上打印一层熔覆层6，然后第二机械臂4携带冷喷涂喷嘴3在熔覆层6喷涂上一层冷喷层7，然后通过第一机械臂1带动熔覆装置2再在冷喷层7上继续进行激光熔覆。在冷喷层7上熔覆时，由于激光热量输入冷喷层7，冷喷层7熔化形成熔池，金属粉末进入熔池熔化凝固又形成新的熔覆层6；相比于原来冷喷层金属的机械结合或不致密的冶金结合，本发明的冷喷层的金属转变成冶金结合，可提高结合强度；熔覆层6和冷喷层7交替反复进行，逐渐形成零件，在提高制造效率的同时，可同时提高增材制造金属零件的性能。
熔覆装置2为焊枪时的工作过程和工作原理：首先焊枪在基体零件5上打印一层堆焊层，然后第二机械臂4携带冷喷涂喷嘴3在堆焊层喷涂上一层冷喷层7，然后再在冷喷层7上继续进行堆焊。在冷喷层7上堆焊时，由于电弧放电形成热量输入冷喷层7熔化，同时焊丝熔化形成金属液滴落在熔池中，随着焊枪在第一机械臂1的带动下移动，熔池凝固形成新的焊道，由焊道形成堆焊面，也把冷冷喷层7机械结合或不致密的冶金结合的金属材料转变成致密的冶金结合，可提高堆焊增材制造的效率，也能提高结合强度，如此交替进行，逐渐形成零件，可提高零件的制造效率和性能。
请参阅图2，本发明的一种金属材料增材制造装置，包括：第一三轴直线装置、熔覆装置2、冷喷涂喷嘴3和第二三轴直线装置；第一三轴直线装置和第二三轴直线装置相对布置；第一三轴直线装置的输出端安装有熔覆装置2，第二三轴直线装置的输出端安装有冷喷涂喷嘴3。熔覆装置2和冷喷涂喷嘴3在三轴直线装置的带动下，均能到达工作区域的所有位置。
第一三轴直线装置包括：第一基座8、第一X轴水平部9、第一Y轴水平部10和第一Z轴竖直部11；第一基座8作为支撑；第一X轴水平部9固定设置在第一基座8上，第一Y轴水平部10可移动的设置在第一X轴水平部9，第一Y轴水平部10可在第一X轴水平部9上沿X轴进行水平移动；第一Z轴竖直部11可移动的设置在第一Y轴水平部10，第一Z轴竖直部11在第一Y轴水平部10上沿Y轴进行水平移动，且能沿Z轴进行竖直方向的运动，熔覆装置2设置在第一Z轴竖直部11的下端部。具体的，熔覆装置2为激光熔覆头或焊枪。
第二三轴直线装置包括：第二基座17、第二X轴水平部16、第二Y轴水平部15和第二Z轴竖直部14；第二基座17作为支撑；第二X轴水平部16固定设置在第二基座17上，第二Y轴水平部15可移动的设置在第二X轴水平部16，第二Y轴水平部15可在第二X轴水平部16上沿X轴进行水平移动；第二Z轴竖直部14可移动的设置在第二Y轴水平部15，第二Z轴竖直部14能够在第二Y轴水平部15上沿Y轴进行水平移动，且能沿Z轴进行竖直方向的运动，冷喷涂喷嘴3设置在第二Z轴竖直部14的下端部。
本发明的实施例采用两套三轴系统对称布置，其中一套三轴系统Z轴上安装激光熔覆头，另一套三轴系统Z轴上安装冷喷涂喷嘴；激光熔覆头在三轴系统带动下可进行打印，冷喷涂喷嘴在三轴系统带动下也可进行喷涂涂层；在进行增材打印时，激光熔覆头在三轴系统带动下在基体零件上熔覆一层金属材料熔覆层，然后在熔覆层上进行冷喷涂，喷涂上一层冷喷层，然后再在冷喷层上进行激光熔覆形成新的熔覆层，交替进行，可极大提高激光增材制造效率及增材制造零件性能。当采用焊枪时，可极大提电弧增材制造效率及增材制造零件性能。
本发明的提高金属材料增材制造效率及性能的工艺方法，其核心思想是采用增材制造与冷喷涂相互叠加的方法，增加金属材料沉积量来提高打印的效率和质量，具体步骤包括：采用一层打印一层冷喷涂相互叠加的方式进行制造。其原理为：进行下一层打印时，由于热量输入，在冷喷层上形成熔池，又把冷喷层机械结合或不致密的冶金结合的金属融化掉形成熔池，凝固后冷喷层金属材料机械结合转变成冶金结合；同时在进行冷喷层喷涂时，由于粉末的高速冲击，又使前一层打印层得到了强化，并细化了晶粒，减小或降低了内部拉应力增加打印层致密性，在提高打印效率的同时，打印质量也得到提高。
理论分析对比，激光熔覆制造零件其致密度一般在97％～99.5之间(因金属材料和工艺方法而异)，其零件存在复杂内应力，零件变形不可控；电弧堆焊零件虽然致密度方面较高，但其内应力复杂，变形不可控；冷喷涂制造零件时，喷涂沉积层其致密度差，空隙率高，结合强度较低；而采用本发明的激光熔覆或电弧堆焊与冷喷涂复合制造时，激光熔覆层或堆焊层在冷喷涂时高速粉末颗粒的撞击下，不但细化了晶粒，而且也使其致密度得到了提高，使组织接近100％致密，同时减小了激光熔覆层或堆焊层组织的拉应力，减小了变形倾向；激光熔覆或堆焊时因热量产生的熔深，熔透喷涂层，使喷涂层熔化再凝固，减小了原来存在喷涂层中的空隙，使其致密度接近100％致密，从复合制造效果来看，不仅能提高增材制造效率，而且可使其制造零件的性能获得较大提高。
综上，本发明的制造装置采用两套机械臂/三轴直线单元作为载体，一台机械臂/三轴直线单元上装激光熔覆头/焊枪，另一台机械臂/三轴直线单元上装冷喷涂喷嘴，两套运动机构分别带动激光熔覆头/焊枪与冷喷涂喷嘴合成交替层叠运动，两台机械臂/三轴直线单元配合实现一层熔覆一层喷涂的叠加进行。本发明的制造方法，采用金属增材制造与冷喷涂复合的增材制造方法，采用金属熔覆或金属弧焊先打印一层，然后在打印层上进行冷喷涂，在打印层上机械结合喷上一层金属，然后再次采用激光熔覆或金属弧焊在冷喷层上金属打印。在冷喷层上打印或堆焊时，在冷喷层上形成熔池，打印过程把冷喷层熔化同时又进行打印形成新的打印层，如此循环，一层打印一层冷喷，打印时激光电弧产生的熔深大于冷喷层厚度，使冷喷层融化再凝固形成致密的冶金组织，可大幅提高金属零件的增材制造效率；同时冷喷时由于粉末高速冲击在熔覆层或堆焊层，可使熔覆层或堆焊层得到强化，能够减小或消除内部拉应力增加熔覆层或堆焊层致密性。冷冷喷层(机械结合层或不致密冶金结合层)结合在熔覆层(堆焊层)上的金属材料又在下一层激光熔覆(或堆焊)过程中熔化使冷冷喷层(机械结合层或不致密冶金结合层)变成致密的冶金结合，因此本发明具备了金属熔覆(或堆焊)和冷喷涂的双重优点，形成了自身超高效特征，不仅打印效率快，还可细化组织晶粒，增加组织致密性，大幅度提高了金属增材制造的效率和零件的力学性能，对金属增材制造具有颠覆性意义。

Claims (3)

1.一种金属材料增材制造装置，其特征在于，包括：两套运动机构、冷喷涂喷嘴(3)以及热熔装置；
冷喷涂喷嘴(3)安装在一套运动机构的运动输出端，冷喷涂喷嘴(3)用于形成冷喷层(7)；
热熔装置安装在另一套运动机构的运动输出端；热熔装置为熔覆装置(2)或堆焊装置，用于形成熔覆层或堆焊层；
其中，两套运动机构能够分别带动冷喷涂喷嘴(3)及热熔装置合成交替层叠运动；热熔装置的熔深能够熔化预设冷喷层(7)厚度；
两套运动机构包括：第一三轴直线装置和第二三轴直线装置；
第一三轴直线装置包括：第一基座(8)、第一X轴水平部(9)、第一Y轴水平部(10)和第一Z轴竖直部(11)；第一基座(8)用于支撑；第一X轴水平部(9)固定设置在第一基座(8)上，第一Y轴水平部(10)可移动的设置在第一X轴水平部(9)，第一Y轴水平部(10)能够在第一X轴水平部(9)上沿X轴进行水平移动；第一Z轴竖直部(11)可移动的设置在第一Y轴水平部(10)，第一Z轴竖直部(11)能够在第一Y轴水平部(10)上沿Y轴进行水平移动，且能够沿Z轴进行竖直方向的运动，热熔装置设置在第一Z轴竖直部(11)的下端部；
第二三轴直线装置包括：第二基座(17)、第二X轴水平部(16)、第二Y轴水平部(15)和第二Z轴竖直部(14)；第二基座(17)用于支撑；第二X轴水平部(16)固定设置在第二基座(17)上，第二Y轴水平部(15)可移动的设置在第二X轴水平部(16)，第二Y轴水平部(15)能够在第二X轴水平部(16)上沿X轴进行水平移动；第二Z轴竖直部(14)可移动的设置在第二Y轴水平部(15)，第二Z轴竖直部(14)能够在第二Y轴水平部(15)上沿Y轴进行水平移动，且能沿Z轴进行竖直方向的运动，冷喷涂喷嘴(3)设置在第二Z轴竖直部(14)的下端部；
冷喷层(7)厚度范围为0.2mm～0.8mm；
熔覆层或堆焊层厚度范围为0.5mm～1mm。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料增材制造装置，其特征在于，熔覆装置(2)为激光熔覆头，堆焊装置为焊枪。
3.一种金属材料增材制造方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的金属材料增材制造装置，具体步骤包括：
步骤1，控制热熔装置在基体零件(5)上生成熔覆层(6)或堆焊层；
步骤2，控制冷喷涂喷嘴(3)在步骤1获得的熔覆层(6)或堆焊层上生成冷喷层(7)；
步骤3，控制热熔装置在步骤2获得的冷喷层(7)上生成熔覆层(6)或堆焊层；热熔装置的熔深大于冷喷层(7)厚度；
步骤4，依次重复实施步骤2和步骤3，获得金属材料增材制品。
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