CN109317793A - 一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法，通过监控过程将温度值转换为电信号实时反馈给控制系统，控制系统将设定温度与实时温度比对，当实时温度低于工件调节目标值时，等离子电弧移动至低温区域进行加热，可有效降低由于大型构件温度打印过程中温度分布不均造成的打印件变形和开裂问题；本发明方法设备利用率高、灵活性强，减少了辅助部件的设置；本方法工艺操作简单、可实施性强，以金属丝材为原材料，热源熔融金属丝材持续形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成构造过程，这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接及增材制造领域，具体涉及一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造技术被广泛用在模具制造、工业设计等领域，现正逐渐用于一些产品的直接制造，特别是一些高价值的应用(比如髋关节或牙齿和一些飞机零部件)。金属零部件增材制造方法主要有激光选区熔化(SLM)、激光同轴送粉直接制造、电子束熔丝成形(EBAM)、电子束选区熔化成形(EBM)等方法。这几种方法都不同程度存在着局限性，例如激光选区熔化、电子束选区熔化成型技术由于原材料粉末成本较高，且受成型仓尺寸限制只能制造一些小尺度零件。电子束/激光熔丝增材成型技术受技术门槛和设备造价的限制，也很难得到广泛的应用。因此电弧熔丝增材成型技术因其成熟的、已商业化的热源设备，较低的技术门槛，制造产品尺寸不受限，较高的成型效率等优势近几年受到极大关注，成为制造低成本、大尺度构件的突破口。其中等离子电弧由于自身压缩电弧优势所具有高的能量密度，可熔融制造各种难熔金属材料。在航空航天、原子能零部件制造中有广阔的应用空间。
虽然等离子电弧熔丝成型技术在成型速度快、工艺较简单方面较其他几种存在优势。但等离子电弧熔丝制造过程中由于为热源逐点熔融丝材，靠近熔融点温度高远离熔融点温度低，这样导致构件温度分布不均匀，从而造成各处的膨胀和收缩变形差异大。在进行焊接或增材制造时，构件由于上述原因产生的极大应力，会导致构件的变形甚至开裂。
为避免以上提及的温度极度不均问题，工程应用中通常所用的方法为焊前预热及焊后缓冷方式。即在工件底部增设加热装置，补充未焊接熔融点或已完成焊接但远离熔融点位置温度过低的问题。这种方式可降低温度分布不均匀的问题，但存在加热装置通常尺寸受限且灵活性不足，不适合大型构件的制造。以金属丝材为原材料，热源熔融金属丝材持续形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成构造过程。这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法，以克服现有技术的不足，本发明利用率高、灵活性强，减少了辅助部件的设置，进一步提高等离子弧熔丝增材制造技术的自动化程度和过程控制精度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种等离子电弧熔丝增材制造装置，包括控制系统以及与控制系统连接的运动执行机构、测温装置、焊枪、送丝机构、工作平台和等离子弧发生器；焊枪固定于运动执行机构端部，测温装置固定于工作平台待成型区一侧，焊枪连接于等离子弧发生器，送丝机构安装于运动执行机构上，送丝机构的出丝嘴位于焊枪热源下端，控制系统用于控制等离子弧发生器为焊接提供电流、电压及控制运动执行机构运动路径。
进一步的，所述运动执行机构采用机械臂或机床，用于携带送丝机构和焊枪根据设置的规划路径运动。
进一步的，所述送丝机构包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴，所述出丝嘴位于用于熔融金属丝材的热源下方。
进一步的，所述测温装置用于测量工件多点位置温度，所述测温装置为非接触式测温装置，均匀分布在温度均匀且能代表成型件温度的区域。
进一步的，所述焊枪为一台或两台，分别或同时作为熔融金属丝材的电弧装置和工件加热装置。
进一步的，测温装置为热电偶或者红外测温仪。
一种等离子电弧熔丝增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1)、在控制系统内设定增材制造参数及工件温度调节目标值，控制系统通过测温装置实时采集测量工件基板区域内各个点处温度，测温装置将温度控制信号反馈与控制系统；
步骤2)、当设定的工件温度调节目标值低于温度控制信号反馈值时，运动系统协同等离子弧热源在低温区域加热工件；
步骤3)、焊接或增材过程中，设定的工件温度调节目标值高于温度控制信号反馈值时，运动系统协同等离子弧热源、送丝机构进行丝材熔融沉积；依次往复完成逐层控温打印过程。
进一步的，在控制系统中设定的增材制造参数包括焊接电流、加热电流、送丝速度、机械臂或机床焊接运动速度、机械臂或机床加热运动速度。
进一步的，首层熔融沉积时，当设定的工件温度调节目标值高于温度控制信号反馈值时，运动执行机构以设定的加热电流、加热运动速度快速扫描加热；当设定的工件温度调节目标值低于温度控制信号反馈值时，运动执行机构以设定的焊接电流、焊接运动速度、送丝速度进行首层丝材的沉积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种等离子电弧熔丝增材制造装置，利用控制系统以及与控制系统连接的运动执行机构、测温装置、焊枪、送丝机构、工作平台和等离子弧发生器，形成等离子加热焊接系统，将焊枪固定于运动执行机构端部，焊枪连接于等离子弧发生器，送丝机构安装于运动执行机构上，送丝机构的出丝嘴位于焊枪热源下端，利用控制系统控制等离子弧发生器为焊接提供电流、电压及控制运动执行机构运动路径，利用控制系统使焊枪与等离子弧发生器结合技能实现作为熔融丝材热源，又能实现电弧加热，同时采用固定于工作平台待成型区一侧的测温装置为控制系统反馈工件温度，通过控制系统变换焊枪温度，能够减小大型构件焊接或熔丝增材过程中由于温度梯度产生的应力，减小或避免由于应力产生的变形或开裂，本装置具有高的温度场稳态控制精度和动态响应特性。
一种等离子电弧熔丝增材制造方法，通过监控过程将温度值转换为电信号实时反馈给控制系统，控制系统将设定温度与实时温度比对，当实时温度低于工件调节目标值时，等离子电弧移动至低温区域进行加热，可有效降低由于大型构件温度打印过程中温度分布不均造成的打印件变形和开裂问题；本发明方法设备利用率高、灵活性强，减少了辅助部件的设置；本方法工艺操作简单、可实施性强，以金属丝材为原材料，热源熔融金属丝材持续形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成构造过程，这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。
附图说明
图1为本发明结构简图。
图中，1、运动执行机构；2、测温装置；3、焊枪；4、送丝机构；5、工作平台；6、等离子弧发生器；7、控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种等离子电弧熔丝增材制造装置，包括控制系统7以及与控制系统7连接的运动执行机构1、测温装置2、焊枪3、送丝机构4、工作平台5和等离子弧发生器6；焊枪3固定于运动执行机构1端部，测温装置2固定于工作平台5待成型区一侧，用于测量成型件温度，焊枪3连接于等离子弧发生器6，焊枪3与等离子弧发生器6的连线固定于运动执行机构1上随运动执行机构1一起运动，防止在增材制造过程中造成影响，送丝机构4安装于运动执行机构1上，送丝机构4的出丝嘴位于焊枪3热源下端；
所述运动执行机构1采用机械臂或机床，用于携带送丝机构4和焊枪3根据设置的规划路径运动；
所述焊枪3为执行操作装置，用于产生等离子电弧；所述焊枪为一台或两台，分别或同时作为熔融金属丝材的电弧装置和工件加热装置；加热工件的电弧用于熔融丝材前工件预热(或称热量的补给)、熔融丝材后方已凝固区工件的缓冷(或称热量的补给)。熔融丝材的电弧装置、工件加热装置所用热源均为等离子电弧。
所述等离子弧发生器6为焊接提供电流、电压，其特征在于所述等离子弧发生器可以为一台或两台，所述等离子弧发生器与焊枪电连接。
所述送丝机构4包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴，所述出丝嘴位于用于熔融金属丝材的热源下方。
所述测温装置2用于测量工件多点位置温度，所述测温装置2为非接触式测温装置，均匀分布在温度均匀且能代表成型件温度的区域，其测量点位置恒定。测温装置2为热电偶或者红外测温仪，测温装置为在线实时温度动态监控，测温装置、等离子电弧均电连接与控制系统，组成温度场闭环控制单元，保证温度场实时精准的动态稳定性。
所述控制系统7电连接送丝电机、运动机构1的驱动系统、等离子弧发生器和测温装置，所述控制系统7用于控制送丝电机的开关及送丝量、控制机械臂或机床的运动开关、控制等离子弧发生器的开关、用于测温装置温度值的读取和反馈。
一种等离子电弧熔丝增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1)、在控制系统中输入设定焊接电流、加热电流、送丝速度、机械臂或机床焊接运动速度、机械臂或机床加热运动速度、工件温度调节目标值；
步骤2)、控制系统开启所述测温装置，测量工件基板区域内各个点处温度；
步骤3)、控制系统实时采集各测温装置的温度信号，并输入控制信号，首层熔融沉积时，当设定的工件温度调节目标值高于温度控制信号反馈值时，控制系统仅开启等离子弧加热装置、承载等离子弧加热装置的运动系统，该运动系统承载等离子弧加热装置以设定的加热电流、加热运动速度快速扫描加热；
步骤4)、当设定的工件温度调节目标值低于温度控制信号反馈值时，控制系统开启熔融金属丝材的电弧装置、承载熔融金属丝材电弧装置的运动系统，以设定的焊接电流、焊接运动速度、送丝速度进行首层丝材的沉积；
步骤5)、焊接或增材过程中，控制信号与设定的工件温度调节目标值实时比对，当设定的工件温度调节目标值高于温度控制信号时，等离子弧加热装置关闭，控制系统开启熔融金属丝材的电弧装置；当设定的工件温度调节目标值低于温度控制信号时，机械臂或机床协同等离子弧加热装置运行到该低温区并开启该加热装置。依次往复完成逐层控温打印过程。
本发明所提及的等离子弧发生器、焊枪均仅为一台时，等离子电弧既作为熔融金属丝材的电弧装置又作为工件加热装置时，以钛合金丝材熔融为例，包含以下步骤：
步骤1.在控制系统中输入设定焊接电流150A、加热电流80A、送丝速度2m/min、机械臂或机床焊接运动速度200mm/min、机械臂或机床加热运动速度1000mm/min、工件温度调节目标值100℃。
步骤2.控制系统开启所述测温装置，测量工件基板区域内各个点处温度。
步骤3.首层熔融沉积时，温度控制信号反馈值低于100℃时，控制系统仅开启等离子弧加热装置、承载等离子弧加热装置的运动系统。该运动系统承载等离子弧加热装置焊接电流80A、1000mm/min速度快速扫描加热基板。
步骤4.当温度控制信号反馈值高于100℃时，控制系统开启熔融金属丝材的电弧装置、承载熔融金属丝材电弧装置的运动系统，运动系统以200mm/min、焊接电流150A、送丝速度2m/min开始首层熔融。
步骤5.焊接过程中控制信号与设定的工件温度调节目标值实时比对，温度控制信号反馈值高于100℃时，焊接电流切换至150A、焊接速度运行至200mm/min、送丝速度运行至2m/min；当温度控制信号低于100℃时，电流切换至80A、焊接速度运行至1000mm/min、送丝系统关闭，等离子电弧在低温区快速扫描至设定温度，依次往复完成逐层控温打印过程。
本发明所提及的等离子弧发生器、焊枪均为两组时，一组作为熔融金属丝材的电弧装置，另一组作为工件加热装置时，以钛合金丝材熔融为例，包含以下步骤：
一台等离子电弧既作为熔融金属丝材的电弧装置又作为工件加热装置时，以钛合金丝材熔融为例，包含以下步骤：
步骤1.在控制系统中输入设定焊接电流150A、加热电流80A、送丝速度2m/min、机械臂或机床焊接运动速度200mm/min、机械臂或机床加热运动速度1000mm/min、工件温度调节目标值100℃。
步骤2.控制系统开启所述测温装置，测量工件基板区域内各个点处温度。
步骤3.首层熔融沉积时，温度控制信号反馈值低于100℃时，控制系统仅开启等离子弧加热装置、承载等离子弧加热装置的运动系统。该运动系统承载等离子弧加热装置焊接电流80A、1000mm/min速度快速扫描加热基板。
步骤4.当温度控制信号反馈值高于100℃时，控制系统开启熔融金属丝材的电弧装置、承载熔融金属丝材电弧装置的运动系统，运动系统以200mm/min、焊接电流150A、送丝速度2m/min开始首层熔融。
步骤5.焊接过程中控制信号与设定的工件温度调节目标值实时比对，温度控制信号反馈值高于100℃时，熔融金属丝材的电弧装置、承载熔融金属丝材电弧装置的运动系统开启焊接电流150A、焊接速度运行至200mm/min、送丝速度运行至2m/min；当温度控制信号低于100℃时，开启等离子弧加热装置、承载等离子弧加热装置的运动系统电流80A、焊接速度运行至1000mm/min，等离子电弧在低温区快速扫描至设定温度。同时熔融金属丝材的电弧装置、承载熔融金属丝材电弧装置的运动系统也开启焊接电流150A、焊接速度运行至200mm/min、送丝速度运行至2m/min。
依次往复完成逐层控温打印过程。
Claims (9)
1.一种等离子电弧熔丝增材制造装置，其特征在于，包括控制系统(7)以及与控制系统(7)连接的运动执行机构(1)、测温装置(2)、焊枪(3)、送丝机构(4)、工作平台(5)和等离子弧发生器(6)；焊枪(3)固定于运动执行机构(1)端部，测温装置(2)固定于工作平台(5)待成型区一侧，焊枪(3)连接于等离子弧发生器(6)，送丝机构(4)安装于运动执行机构(1)上，送丝机构(4)的出丝嘴位于焊枪(3)热源下端，控制系统(7)用于控制等离子弧发生器(6)为焊接提供电流、电压及控制运动执行机构(1)运动路径。
2.根据权利要求1所述的一种等离子电弧熔丝增材制造装置，其特征在于，所述运动执行机构(1)采用机械臂或机床，用于携带送丝机构(4)和焊枪(3)根据设置的规划路径运动。
3.根据权利要求1所述的一种等离子电弧熔丝增材制造装置，其特征在于，所述送丝机构(4)包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴，所述出丝嘴位于用于熔融金属丝材的热源下方。
4.根据权利要求1所述的一种等离子电弧熔丝增材制造装置，其特征在于，所述测温装置(2)用于测量工件多点位置温度，所述测温装置(2)为非接触式测温装置，均匀分布在温度均匀且能代表成型件温度的区域。
5.根据权利要求1所述的一种等离子电弧熔丝增材制造装置，其特征在于，所述焊枪为一台或两台，分别或同时作为熔融金属丝材的电弧装置和工件加热装置。
6.根据权利要求1所述的一种等离子电弧熔丝增材制造装置，其特征在于，测温装置(2)为热电偶或者红外测温仪。
7.一种基于权利要求1所述的一种等离子电弧熔丝增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、在控制系统内设定增材制造参数及工件温度调节目标值，控制系统通过测温装置实时采集测量工件基板区域内各个点处温度，测温装置将温度控制信号反馈与控制系统；
步骤2)、当设定的工件温度调节目标值低于温度控制信号反馈值时，运动系统协同等离子弧热源在低温区域加热工件；
步骤3)、焊接或增材过程中，设定的工件温度调节目标值高于温度控制信号反馈值时，运动系统协同等离子弧热源、送丝机构进行丝材熔融沉积；依次往复完成逐层控温打印过程。
8.根据权利要求7所述的增材制造方法，其特征在于，在控制系统中设定的增材制造参数包括焊接电流、加热电流、送丝速度、机械臂或机床焊接运动速度、机械臂或机床加热运动速度。
9.根据权利要求7所述的增材制造方法，其特征在于，首层熔融沉积时，当设定的工件温度调节目标值高于温度控制信号反馈值时，运动执行机构(1)以设定的加热电流、加热运动速度快速扫描加热；当设定的工件温度调节目标值低于温度控制信号反馈值时，运动执行机构(1)以设定的焊接电流、焊接运动速度、送丝速度进行首层丝材的沉积。
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