CN110303225A - 一种多电弧枪增材制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧增材制造领域，并具体公开了一种多电弧枪增材制造系统及方法，该系统包括快拆法兰、往复运动单元、转动单元和弧焊枪单元，往复运动单元安装在快拆法兰下端，其包括三个滚珠丝杠滑台，转动单元包括多个转动旋转台，弧焊枪单元包括两把轮廓弧焊枪和数把填充弧焊枪，其通过转动单元安装在往复运动单元上，并在往复运动单元的带动下往复直线运动；成形时，通过轮廓弧焊枪打印出构件的外形轮廓，然后通过填充弧焊枪对此外形轮廓进行填充。本发明解决了电弧增材制造大型金属构件时尺寸精度低、残余应力和变形较大以及效率低的问题，实现高效率形性一体化电弧增材制造。

Description

一种多电弧枪增材制造系统及方法

技术领域

本发明属于电弧增材制造领域，更具体地，涉及一种多电弧枪增材制造系统及方法。

背景技术

随着我国航空航天以及国防工业的发展，快速制造大型复杂结构件的需求日益迫切，增材制造技术以其快速成形复杂形状构件的特点引起广泛关注，现今已经成为研究热点。目前，金属构件的增材制造有激光增材制造、电子束增材制造及电弧增材制造三种方式，其中激光增材制造和电子束增材制造的成形效率较低，并且因激光和电子束的能量集中，导致温度分布不均，残余应力大；而电弧增材制造技术是利用电弧作为热源使金属丝材熔化，并按照预设的路径逐层堆积的快速增材制造技术，成形效率较高，电弧增材制造熔敷效率为3-5Kg/h(钢铁材料)，多电弧协同增材制造的熔敷效率可进一步提高，目前已经有一些多电弧协同制造的应用，但仍存在成形构件尺寸精度低、残余应力和变形较大的问题，影响成形构件的质量。

例如，专利CN107138829A公开了一种多电弧协同增材制造方法，其采用多把弧焊枪，实现了共熔池、部分共熔池、不共熔池三种工作模式，改变成形构件的温度场，调控构件的组织和性能，但是该方法没有考虑如何在增材制造过程中降低残余应力和变形，提高构件成形精度的问题；专利CN106624261A公开了一种适用于金属板材的多电弧协同焊接方法，布置三把功能不同的独立焊枪，通过调节焊枪之间的距离形成大熔池，使得大厚板焊接一次成形，避免多道多层焊接，保证焊缝成形质量和避免夹渣，但在这一多电弧协同方法只适合焊接，并不适用于大型金属零件增材制造。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种多电弧枪增材制造系统及方法，其通过两把轮廓弧焊枪打印出构件的外形轮廓，然后数把填充弧焊枪对此外形轮廓进行填充，并且根据待成形构件的轮廓，改变轮廓弧焊枪和填充弧焊枪的相对距离，解决了电弧增材制造时构件尺寸精度低、残余应力和变形较大的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种多电弧枪增材制造系统，其包括快拆法兰、往复运动单元、转动单元和弧焊枪单元，其中：所述快拆法兰用于连接外部运动机构，该外部运动机构带动整个多电弧枪增材制造系统运动；所述往复运动单元安装在所述快拆法兰下端，其包括滚珠丝杠滑台一、滚珠丝杠滑台二和滚珠丝杠滑台三；所述转动单元包括转动旋转台一、转动旋转台二和数个转动旋转台三；所述弧焊枪单元包括两把轮廓弧焊枪以及与所述转动旋转台三相同数量的填充弧焊枪，其中一把所述轮廓弧焊枪通过所述转动旋转台一安装在所述滚珠丝杠滑台一上，并在该滚珠丝杠滑台一的带动下往复直线运动，另一把所述轮廓弧焊枪通过所述转动旋转台二安装在所述滚珠丝杠滑台二上，并在该滚珠丝杠滑台二的带动下往复直线运动，每把所述填充弧焊枪分别通过一个所述转动旋转台三安装在所述滚珠丝杠滑台三上，且均在该滚珠丝杠滑台三的带动下往复直线运动。

作为进一步优选的，所述滚珠丝杠滑台一、滚珠丝杠滑台二和滚珠丝杠滑台三的结构相同，其均包括外壳、丝杠、滑块和导轨，所述丝杠安装在所述外壳内部，并连接有步进电机；所述滑块通过所述导轨活动安装在所述丝杠上；工作时，所述步进电机驱动所述丝杠转动，然后所述丝杠通过所述导轨带动所述滑块往复直线运动。

作为进一步优选的，所述轮廓弧焊枪为单电源双丝间接电弧弧焊枪，所述填充弧焊枪为单电源单丝弧焊枪。

作为进一步优选的，所有所述填充弧焊枪的中心线相交于一点，使其喷头作用于该点。

作为进一步优选的，所述轮廓弧焊枪为单电源双丝间接电弧弧焊枪，所述快拆法兰与所述往复运动单元间安装有防撞器。

作为进一步优选的，填充弧焊枪的数量优选为三把，相应的转动旋转台三的数量优选为三个。

按照本发明的另一方面，提供了一种多电弧枪增材制造方法，包括如下步骤：

S1通过快拆法兰将如前所述的任意一种系统固定在外部运动机构上；

S2根据待成形构件的三维模型，通过滚珠丝杠滑台一和滚珠丝杠滑台二调整轮廓弧焊枪的初始位置，通过滚珠丝杠滑台三调整填充弧焊枪的初始位置；通过转动旋转台一和转动旋转台二调整轮廓弧焊枪的工作角度，通过转动旋转台三调整填充弧焊枪的工作角度；并预设轮廓成形轨迹和填充成形轨迹；

S3两把轮廓弧焊枪在滚珠丝杠滑台一、滚珠丝杠滑台二和外部运动机构的共同作用下沿预设的轮廓成形轨迹共同打印构件的外形轮廓；

S4数把填充弧焊枪在滚珠丝杠滑台三和外部运动机构的共同作用下沿预设的填充成形轨迹共同对S3中形成的外形轮廓进行填充；

S5重复S3和S4，逐层打印直至完成构件的成形制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过两把轮廓弧焊枪打印出构件的外形轮廓，然后数把填充弧焊枪对此外形轮廓进行填充，并且根据待成形构件的轮廓，调整轮廓弧焊枪和填充弧焊枪的相对距离，使热源分布较为分散，则构件成形时，不同位置的电弧热能传递给构件已成形部分，使得构件上的温度分布趋近于均匀化，从而降低构件内部的残余应力和变形，同时可控制构件已成形部分的冷却速度，以获得平衡组织，细化晶粒，使得成形构件有优良的力学性能。

2.本发明的轮廓弧焊枪均采用电源双丝间接电弧弧焊枪，其产生的熔滴受力趋于平衡状态，故其产生的电弧十分稳定，熔池尺寸波动较小，使得轮廓弧焊枪逐层打印时每一层的尺寸稳定，进而使得构件的尺寸精度较高。

3.本发明采用多电弧协同增材制造能增加单位时间的熔敷量，熔敷效率可达到15Kg/h(钢铁材料)，从而提高成形构件的效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多电弧枪增材制造系统正视图；

图2是本发明实施例提供的一种多电弧枪增材制造系统后视图；

图3是本发明实施例快拆法兰的结构示意图；

图4是本发明实施例防撞器的结构示意图；

图5是本发明实施例转动旋转台的结构示意图；

图6是本发明实施例滚珠丝杠滑台的结构示意图；

图7是本发明实施例增材制造的大型舰船艉轴架构件模型图；

图8是本发明所述单电弧增材制造时温度分布图示意图；

图9是本发明所述多电弧增材制造时温度分布图示意图；

图10是本发明所述单电源双丝间接电弧弧焊枪工作过程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-快拆法兰，2-防撞器，3-滚珠丝杠滑台三，4-步进电机，5-填充弧焊枪，6-滚珠丝杠滑台二，7-轮廓弧焊枪，8-转动旋转台二，9-滚珠丝杠滑台一，10-转接板，11-转动旋转台一，12-转动旋转台三，13-滑块，14-导轨，15-丝杠，16-外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种多电弧枪增材制造系统，该系统包括快拆法兰1、往复运动单元、转动单元和弧焊枪单元，其中，如图3所示，快拆法兰1用于整个系统的快速拆装与固定，其通过螺栓固定在外部运动机构上，该外部运动机构带动整个多电弧枪增材制造系统运动；往复运动单元通过转接板10安装在快拆法兰1下端，用于实现弧焊枪单元的往复运动，其包括三个滚珠丝杠滑台，分别为滚珠丝杠滑台一9、滚珠丝杠滑台二6和滚珠丝杠滑台三3，具体的，如图6所示，每个滚珠丝杠滑台的结构相同，其均包括外壳16、丝杠15、滑块13和导轨14，所述丝杠15安装在所述外壳16内部，并连接有步进电机4，所述滑块13通过所述导轨14活动安装在所述丝杠15上，工作时，所述步进电机4驱动所述丝杠15转动，然后所述丝杠15通过所述导轨14带动所述滑块13往复直线运动；如图5所示，转动单元用于调整弧焊枪单元的工作角度，其包括转动旋转台一11、转动旋转台二8和数个转动旋转台三12；弧焊枪单元包括两把轮廓弧焊枪7和与转动旋转台三12相同数量的填充弧焊枪5，其中一把轮廓弧焊枪7通过转动旋转台一11安装在滚珠丝杠滑台一9的滑块上，并在该滚珠丝杠滑台一9滑块的带动下往复直线运动，另一把轮廓弧焊枪7通过转动旋转台二8安装在滚珠丝杠滑台二6的滑块上，并在该滚珠丝杠滑台二6滑块的带动下往复直线运动，每把填充弧焊枪5分别通过一个转动旋转台三12安装在滚珠丝杠滑台三3的滑块上，并在该滚珠丝杠滑台三12滑块的带动下往复直线运动。

进一步的，轮廓弧焊枪7为单电源双丝间接电弧弧焊枪，填充弧焊枪5为单电源单丝弧焊枪；具体的，单电源双丝间接电弧弧焊枪内有两根焊丝，工作时，如图10所示，该两根焊丝中电流I方向相同，其产生的两个熔滴在洛伦兹力F的作用下在两丝之间融合成一个熔滴，且熔滴的受力趋于平衡状态，电弧十分稳定，熔池尺寸波动较小，使得轮廓弧焊枪逐层打印时每一层的尺寸稳定，进而提高构件的尺寸精度。

进一步的，所有填充弧焊枪5的中心线相交于一点，使其喷头作用于该点。

优选的，快拆法兰1与往复运动单元间安装有如图3所示的防撞器2，如图4所示，用于减少震动和保护系统，其包括减震器和弹簧。

优选的，综合考虑成形效率和系统复杂程度及控制难度，填充弧焊枪5的数量为三把，转动旋转台三12的数量为三个。

采用上述系统增材制造金属构件，具体包括如下步骤：

S1通过快拆法兰1将整个系统固定在外部运动机构上；

S2根据待成形构件的三维模型，通过滚珠丝杠滑台一9和滚珠丝杠滑台二6调整轮廓弧焊枪7的初始位置，通过滚珠丝杠滑台三3调整填充弧焊枪5的初始位置，通过转动旋转台一11和转动旋转台二8调整轮廓弧焊枪7的工作角度，通过转动旋转台三12调整填充弧焊枪5的工作角度，使达到最佳的成形效果；并预设轮廓成形轨迹和填充成形轨迹；

S3两把轮廓弧焊枪7在滚珠丝杠滑台一9、滚珠丝杠滑台二6和外部运动机构的共同作用下沿预设的轮廓成形轨迹打印出构件的外形轮廓，两把轮廓弧焊枪7打印路径所形成的封闭轮廓即为待成形构件的外形轮廓；

S4三把填充弧焊枪5在滚珠丝杠滑台三3和外部运动机构的共同作用下沿预设的填充成形轨迹共同对S3中形成的外形轮廓进行填充；

S5重复S3和S4，逐层打印直至完成构件的成形制造。

具体的，进行S3和S4时，轮廓弧焊枪和填充弧焊枪的运动原理相同，即根据预设成形轨迹给步进电机4传输不同波形的脉冲信号，从而控制步进电机4的转速，然后步进电机4驱动滚珠丝杠滑台上的滑块13往复运动，从而带动滑块13上的转动旋转台往复运动，且此往复运动的方向垂直于外部运动机构运动的方向，弧焊枪在跟随转动旋转台往复运动的同时也跟随外部运动机构移动，弧焊枪在两个方向上的合成运动即为弧焊枪的成形轨迹。

具体的，如图8所示，单电弧增材制造时，其形成的温度场不均匀，温度梯度大；而通过多电弧枪进行多电弧增材制造时，如图9所示，多电弧产生了分布在不同位置的多个热源，从而形成分布较为均匀的温度场，温度梯度较小，使得待成形构件上的温度分布趋近于均匀化，从而降低构件内部的残余应力和变形；优选的，轮廓弧焊枪7和填充弧焊枪5间的距离范围为50～300mm，使成形时构件上任两点间的温度差在200℃以内，多电弧共同作用形成的温度场更加均匀。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

采用如图1所示的系统，待成形构件为大型舰船艉轴架构件，原材料为直径1.2mm的金属型药芯丝材，具体包括以下步骤：

S1多电弧枪系统固定在库卡KR60-3机器人机械臂上，水平面上放置Q235B基板；

S2调整滚珠丝杠滑台使三把填充弧焊枪共点的喷头与两把轮廓弧焊枪喷头在水平面的距离均为70mm，调整转动旋转台使两把轮廓弧焊枪垂直于水平面，三把填充弧焊枪与水平面的夹角为60°，以达到最佳的成形效果；

S3根据艉轴架构件的外形轮廓，将相应的脉冲信号传输给步进电机，控制弧焊枪的往复运动，使弧焊枪跟随机械臂移动的同时沿垂直于机械臂运动方向进行往复运动，两把轮廓弧焊枪在基板上打印出构件的外形轮廓，三把填充弧焊枪对两把轮廓弧焊枪打印的轮廓进行填充；

S4重复S3，逐层打印直至完成构件的成形加工。

最终制造出如图7所示的长1000mm、宽600mm、高1000mm、壁厚150mm的艉轴架构件，用三维扫描装置扫描最终成形的构件，经和构件原始模型进行比对，检测结果显示成形尺寸和模型相符，表明系统打印的构件成形精度较高，同时此艉轴架构件的抗拉强度796MPa，-20℃时冲击韧性为53J，满足使用要求，并且电弧增材制造过程中的熔覆效率达到15Kg/h，大大提高了电弧增材制造过程中的效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多电弧枪增材制造系统，其特征在于，包括快拆法兰(1)、往复运动单元、转动单元和弧焊枪单元，其中：所述快拆法兰(1)用于连接外部运动机构，该外部运动机构带动整个多电弧枪增材制造系统运动；所述往复运动单元安装在所述快拆法兰(1)下端，其包括滚珠丝杠滑台一(9)、滚珠丝杠滑台二(6)和滚珠丝杠滑台三(3)；所述转动单元包括转动旋转台一(11)、转动旋转台二(8)和数个转动旋转台三(12)；所述弧焊枪单元包括两把轮廓弧焊枪(7)以及与所述转动旋转台三(12)相同数量的填充弧焊枪(5)，其中一把所述轮廓弧焊枪(7)通过所述转动旋转台一(11)安装在所述滚珠丝杠滑台一(9)上，并在该滚珠丝杠滑台一(9)的带动下往复直线运动，另一把所述轮廓弧焊枪(7)通过所述转动旋转台二(8)安装在所述滚珠丝杠滑台二(6)上，并在该滚珠丝杠滑台二(6)的带动下往复直线运动，每把所述填充弧焊枪(5)分别通过一个所述转动旋转台三(12)安装在所述滚珠丝杠滑台三(3)上，且均在该滚珠丝杠滑台三(12)的带动下往复直线运动。

2.如权利要求1所述的多电弧枪增材制造系统，其特征在于，所述滚珠丝杠滑台一(9)、滚珠丝杠滑台二(6)和滚珠丝杠滑台三(3)的结构相同，其均包括外壳(16)、丝杠(15)、滑块(13)和导轨(14)，所述丝杠(15)安装在所述外壳(16)内部，并连接有步进电机(4)；所述滑块(13)通过所述导轨(14)活动安装在所述丝杠(15)上；工作时，所述步进电机(4)驱动所述丝杠(15)转动，然后所述丝杠(15)通过所述导轨(14)带动所述滑块(13)往复直线运动。

3.如权利要求1所述的多电弧枪增材制造系统，其特征在于，所述轮廓弧焊枪(7)为单电源双丝间接电弧弧焊枪，所述填充弧焊枪(5)为单电源单丝弧焊枪。

4.如权利要求1所述的多电弧枪增材制造系统，其特征在于，所有所述填充弧焊枪(5)的中心线相交于一点，使其喷头作用于该点。

5.如权利要求1所述的多电弧枪增材制造系统，其特征在于，所述快拆法兰(1)与所述往复运动单元间安装有防撞器(2)。

6.如权利要求1所述的多电弧枪增材制造系统，其特征在于，填充弧焊枪(5)的数量优选为三把，相应的转动旋转台三(12)的数量优选为三个。

7.一种多电弧枪增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1通过快拆法兰(1)将如权利要求1-6任一项所述的系统固定在外部运动机构上；

S2根据待成形构件的三维模型，通过滚珠丝杠滑台一(9)和滚珠丝杠滑台二(6)调整轮廓弧焊枪(7)的初始位置，通过滚珠丝杠滑台三(3)调整填充弧焊枪(5)的初始位置；通过转动旋转台一(11)和转动旋转台二(8)调整轮廓弧焊枪(7)的工作角度，通过转动旋转台三(12)调整填充弧焊枪(5)的工作角度；并预设轮廓成形轨迹和填充成形轨迹；

S3两把轮廓弧焊枪(7)在滚珠丝杠滑台一(9)、滚珠丝杠滑台二(6)和外部运动机构的共同作用下沿预设的轮廓成形轨迹共同打印构件的外形轮廓；

S4数把填充弧焊枪(5)在滚珠丝杠滑台三(3)和外部运动机构的共同作用下沿预设的填充成形轨迹共同对S3中形成的外形轮廓进行填充；

S5重复S3和S4，逐层打印直至完成构件的成形制造。