CN110340487B - 异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法及装置，步骤如下：将GTA电源的负极与钨极夹连接，电源的正极通过并联方式分为多个回路，每个回路中金属丝送丝方向围合成圆锥，电弧建立在钨极与金属丝之间；根据规划层片上的成形路径及填充的金属材质，闭合对应金属丝材所在回路的IGBT开关，并断开其余回路上的IGBT开关，开启需要填充金属丝材的送丝系统，不同金属丝材的填充可通过切换回路间的开关实现；重复以上步骤，直到成形的异种金属构件达到设定尺寸和异种金属填充区域要求为止，本发明可灵活地实现多种材质的异种金属结构件的成形，同时有效减小异种材质结构界面间金属化合物的厚度，提高异种结构件的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法。
背景技术
电弧填丝增材制造是以电弧作为热源，金属丝材为填充材料，依据设定路径逐层堆积形成全焊缝金属构件制造方法。该技术设备成本低，丝材堆积效率高，因此适合于中复杂度的大型金属构件的直接制造。目前国内外相关研究主要集中在高强钢、不锈钢、钛合金、铝合金、镍基高温合金的制造上。从目前现有文献来看，这类单一材质合金的电弧填丝增材制造技术已相对较为成熟。
随着工业及国防科技应用领域对多材质异种结构金属件的制造要求日益苛刻，如何采用电弧增材制造技术制造这种异种材质的金属结构件逐渐成为研究热点。异种金属结构件在不同层或同层内的不同区域上呈现不同的金属材质结构。通常，以电弧作为热源的增材制造技术是以大热输入作为代价来提高成形效率的，特别是对于异种结构金属件的制造，在不同层上需要填充不同的金属材质，如果热输入过大，则不可避免在界面层产生较厚的硬脆金属间化合物，致使异种金属构件力学性能差。因此，有必要提出一种热输入相对较低的电弧增材制造技术能够实现多材质异种金属结构件的制造，并提高其界面结合强度。
目前焊接领域常见的熔化极气体保护双丝焊可以实现异种金属构件的增材制造，但是同样存在热输入大的问题，且只能实现两种异种材质结构件的制造。经过检索发现中国专利申请号201711384045.3名为“双金属复合材料电弧增材制造装置及其制造方法”提供了一种双金属结构件的增材制造方法，但该方法主要用于同一层内不同道之间的两种材料结构件制造，而且同样存在电弧热输入过大的问题。
中国专利申请号为201811404193.1名为“一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材料制造方法”提供了一种铝合金与钛合金的电弧增材制造方法，但主要侧重于在钛板上堆积铝合金，采用的热源也存在较大的热输入，也不能实现多材质金属结构件的制造。中国专利申请号201710332032.5名为“多丝共熔池电弧增材制造TIG焊枪及焊接装置及增材制造方法”提供了一种多丝共熔池装置，其主要用于解决熔敷效率低，熔敷部位应力过大开裂问题，其采用的传统TIG也存在热输入大的缺点，不适合高性能异种金属构件的制造。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有异种金属结构件电弧增材制造技术可熔化金属材质类型少、热输入大、界面性能差等难题，提供一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将恒流GTA电源的负极输出端与钨极夹连接，钨极与基板平面垂直，恒流GTA电源的正极输出端通过N条电缆线并联方式分为N个回路，N的取值范围是2-8，每个回路均包括一个IGBT开关、一个导丝嘴、一种金属丝材，一条电缆线，且每个回路中的金属丝材材质是不同的；在每个回路中，IGBT开关用于控制本回路的通断，回路电缆线的一端通过IGBT开关与恒流GTA电源的正极连接，另一端与导丝嘴连接；所述N条回路中的N种金属丝材由N个送丝系统分别进行送丝，N种金属丝材的送丝方向在空间中围合成一个倒立的圆锥，N种金属丝材的末端沿其对应送丝方向的延长线交于圆锥的顶点，钨极轴线与圆锥的中轴线重合，N种金属丝材的送丝方向位于圆锥的母线上，且N条母线均匀分布在圆锥表面上，N种金属丝材的端部到钨极端部的距离为d为3-6mm；
N的取值范围设定为2-8是因为最少可以保证对2种异种金属丝材进行电弧增材，如果N的取值大于8，则多种金属丝材在钨极周围的空间分布上过于密集，空间位置受限。
d的取值范围设定为3-6的原因是：如果d的设定值小于3mm，则丝材与钨极端部的距离过短，丝材熔化形成的熔滴容易污染钨极端部，倘若d的设定值大于6mm，则丝材与钨极端部由于距离过大，难以起弧并建立稳定的电弧。
步骤二：根据异种金属构件的三维模型，确定三维模型高度方向，沿三维模型高度方向分层切片，进一步确定每个层片的成形路径及其对应路径上的金属材质；
步骤三：开启恒流GTA电源与保护气系统，设定堆积工艺参数，根据规划的层片上的成形路径及该路径上需要填充的金属材质，闭合对应金属丝材所在回路上的IGBT开关，同时断开其余N-1个回路上的IGBT开关，开启需要填充的金属丝材的送丝系统，GTA电弧建立在钨极与金属丝材之间，丝材熔化形成的熔滴直接作用于基板或堆积层上；如果在同一条成形路径的不同部分需要填充不同的金属材质，只需将需要填充的金属丝材所在回路上的IGBT开关闭合，同时断开其余回路上的IGBT开关；
步骤四：GTA枪提升一个层片高度，层间等待时间t设定为0-30s，继续重复步骤三，直到异种金属构件的成形达到设定尺寸和异种金属填充区域要求为止。
层间等待时间t设定为0-30s的原因是：电弧建立在丝材与钨极之间，电弧不作用于堆积层上，堆积层上积累的热量相对较小，层间等待时间设定为t＝0时，即连续堆积也不会产生较高的层间温度，如果层间温度t设定大于30s，由于层间等待时间过长，会影响金属构件的堆积效率。
作为优选方式，步骤一中金属丝材材质选自高强钢、铝合金、不锈钢、镍基高温合金、铜合金、钛合金。
作为优选方式，步骤三中堆积工艺参数为堆积电流80-200A，填丝速度0.2-2.8m/min。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造装置，包括：GTA电源1、IGBT开关2、钨极3、钨极夹4、送丝系统5、导丝嘴6、金属丝材7、电缆线8、基板9；
恒流GTA电源1的负极输出端与钨极夹4连接，钨极3与基板9平面垂直，恒流GTA电源1的正极输出端通过N条电缆线8并联方式分为N个回路，N的取值范围是2-8，每个回路均包括一个IGBT开关2、一个导丝嘴6、一种金属丝材7，一条电缆线8，且每个回路中的金属丝材材质是不同的；在每个回路中，IGBT开关用于控制本回路的通断，回路电缆线的一端通过IGBT开关2与恒流GTA电源1的正极连接，另一端与导丝嘴6连接；所述N条回路中的N种金属丝材由N个送丝系统分别进行送丝，N种金属丝材的送丝方向在空间中围合成一个倒立的圆锥，N种金属丝材的末端沿其对应送丝方向的延长线交于圆锥的顶点，钨极轴线与圆锥的中轴线重合，N种金属丝材的送丝方向位于圆锥的母线上，且N条母线均匀分布在圆锥表面上，N种金属丝材的端部到钨极端部的距离为d为3-6mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将传统的GTA增材制造回路分解为多个回路，每个回路均设有不同的送丝系统与金属丝材，产生的GTA电弧建立在钨极与金属丝材之间，当需要填充不同金属丝材时，只需方便地切换不同回路间的开关，因此本发明具有以下显著优点：
(1)本发明方法设置了多条送丝回路，通过回路开关的切换，可灵活地实现两种以上金属材质结构件的电弧增材制造；
(2)本发明中电弧建立在钨极与金属丝材之间，电弧不直接作用于堆积层或基板，而是电弧熔化的丝材形成的熔滴作用于堆积层上，因而具有较低的热输入，在堆积不同金属丝材时，可有效减少异种金属堆积层界面间金属化合物的厚度；
(3)本发明方法不仅可以实现不同层间的异种金属构件的制造，同时也可实现同层内不同路径或同路径上异种金属构件的制造。
附图说明
图1低热输入异种多丝电弧增材制造装置示意图
图2GTA钨极与丝材空间位置分布示意图
1为GTA电源，2为IGBT开关，3为钨极，4为钨极夹，5为送丝系统，6为导丝嘴，7为金属丝材，8为电缆线，9为基板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例的试验平台如下：GTA填丝增材制造电源为Fronius MW300，送丝机型号均为KD4010，运动执行机构为MOTOMAN机器人，GTA枪通过夹具固定在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人控制GTA的运动。基板材质为Q235B低碳钢，基板尺寸为300mm×200mm×6mm。
一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将恒流GTA电源的负极输出端与钨极夹连接，钨极与基板平面垂直，恒流GTA电源的正极输出端通过N条电缆线并联方式分为N个回路，N的取值范围是2-8，每个回路均包括一个IGBT开关、一个导丝嘴、一种金属丝材，一条电缆线，且每个回路中的金属丝材材质是不同的；在每个回路中，IGBT开关用于控制本回路的通断，回路电缆线的一端通过IGBT开关与恒流GTA电源的正极连接，另一端与导丝嘴连接；所述N条回路中的N种金属丝材由N个送丝系统分别进行送丝，N种金属丝材的送丝方向在空间中围合成一个倒立的圆锥，N种金属丝材的末端沿其对应送丝方向的延长线交于圆锥的顶点，钨极轴线与圆锥的中轴线重合，N种金属丝材的送丝方向位于圆锥的母线上，且N条母线均匀分布在圆锥表面上，N种金属丝材的端部到钨极端部的距离为d为3-6mm；
步骤二：根据异种金属构件的三维模型，确定三维模型高度方向，沿三维模型高度方向分层切片，进一步确定每个层片的成形路径及其对应路径上的金属材质；
步骤三：开启恒流GTA电源与保护气系统，设定堆积工艺参数，根据规划的层片上的成形路径及该路径上需要填充的金属材质，闭合对应金属丝材所在回路上的IGBT开关，同时断开其余N-1个回路上的IGBT开关，开启需要填充的金属丝材的送丝系统，GTA电弧建立在钨极与金属丝材之间，丝材熔化形成的熔滴直接作用于基板或堆积层上；如果在同一条成形路径的不同部分需要填充不同的金属材质，只需将需要填充的金属丝材所在回路上的IGBT开关闭合，同时断开其余回路上的IGBT开关；
步骤四：GTA枪提升一个层片高度，层间等待时间t设定为0-30s，继续重复步骤三，直到异种金属构件的成形达到设定尺寸和异种金属填充区域要求为止。
步骤一中金属丝材材质选自高强钢、铝合金、不锈钢、镍基高温合金、铜合金、钛合金。
步骤三中堆积工艺参数为堆积电流80-200A，填丝速度0.2-2.8m/min。
实施例2
本实施例提供一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造装置，包括：GTA电源1、IGBT开关2、钨极3、钨极夹4、送丝系统5、导丝嘴6、金属丝材7、电缆线8、基板9；
恒流GTA电源1的负极输出端与钨极夹4连接，钨极3与基板9平面垂直，恒流GTA电源1的正极输出端通过N条电缆线8并联方式分为N个回路，N的取值范围是2-8，每个回路均包括一个IGBT开关2、一个导丝嘴6、一种金属丝材7，一条电缆线8，且每个回路中的金属丝材材质是不同的；在每个回路中，IGBT开关用于控制本回路的通断，回路电缆线的一端通过IGBT开关2与恒流GTA电源1的正极连接，另一端与导丝嘴6连接；所述N条回路中的N种金属丝材由N个送丝系统分别进行送丝，N种金属丝材的送丝方向在空间中围合成一个倒立的圆锥，N种金属丝材的末端沿其对应送丝方向的延长线交于圆锥的顶点，钨极轴线与圆锥的中轴线重合，N种金属丝材的送丝方向位于圆锥的母线上，且N条母线均匀分布在圆锥表面上，N种金属丝材的端部到钨极端部的距离为d为3-6mm。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将恒流GTA电源的负极输出端与钨极夹连接，钨极与基板平面垂直，恒流GTA电源的正极输出端通过N条电缆线并联方式分为N个回路，N的取值范围是2-8，每个回路均包括一个IGBT开关、一个导丝嘴、一种金属丝材，一条电缆线，且每个回路中的金属丝材材质是不同的；在每个回路中，IGBT开关用于控制本回路的通断，回路电缆线的一端通过IGBT开关与恒流GTA电源的正极连接，另一端与导丝嘴连接；所述N个回路中的N种金属丝材由N个送丝系统分别进行送丝，N种金属丝材的送丝方向在空间中围合成一个倒立的圆锥，N种金属丝材的末端沿其对应送丝方向的延长线交于圆锥的顶点，钨极轴线与圆锥的中轴线重合，N种金属丝材的送丝方向位于圆锥的母线上，且N条母线均匀分布在圆锥表面上，N种金属丝材的端部到钨极端部的距离为d为3-6mm；
步骤二：根据异种金属构件的三维模型，确定三维模型高度方向，沿三维模型高度方向分层切片，进一步确定每个层片的成形路径及其对应路径上的金属材质；
步骤三：开启恒流GTA电源与保护气系统，设定堆积工艺参数，根据规划的层片上的成形路径及该路径上需要填充的金属材质，闭合对应金属丝材所在回路上的IGBT开关，同时断开其余N-1个回路上的IGBT开关，开启需要填充的金属丝材的送丝系统，GTA电弧建立在钨极与金属丝材之间，丝材熔化形成的熔滴直接作用于基板或堆积层上；如果在同一条成形路径的不同部分需要填充不同的金属材质，只需将需要填充的金属丝材所在回路上的IGBT开关闭合，同时断开其余回路上的IGBT开关；
步骤四：GTA枪提升一个层片高度，层间等待时间t设定为0-30s，继续重复步骤三，直到异种金属构件的成形达到设定尺寸和异种金属填充区域要求为止。
2.根据权利要求1所述的一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法，其特征在于：步骤一中金属丝材材质选自高强钢、铝合金、不锈钢、镍基高温合金、铜合金、钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造方法，其特征在于：步骤三中堆积工艺参数为堆积电流80-200A，填丝速度0.2-2.8m/min。
4.一种异种金属结构件低热输入多丝电弧增材制造装置，其特征在于，包括：GTA电源(1)、IGBT开关(2)、钨极(3)、钨极夹(4)、送丝系统(5)、导丝嘴(6)、金属丝材(7)、电缆线(8)、基板(9)；
恒流GTA电源(1)的负极输出端与钨极夹(4)连接，钨极(3)与基板(9)平面垂直，恒流GTA电源(1)的正极输出端通过N条电缆线(8)并联方式分为N个回路，N的取值范围是2-8，每个回路均包括一个IGBT开关(2)、一个导丝嘴(6)、一种金属丝材(7)，一条电缆线(8)，且每个回路中的金属丝材材质是不同的；在每个回路中，IGBT开关用于控制本回路的通断，回路电缆线的一端通过IGBT开关(2)与恒流GTA电源(1)的正极连接，另一端与导丝嘴(6)连接；所述N个回路中的N种金属丝材由N个送丝系统分别进行送丝，N种金属丝材的送丝方向在空间中围合成一个倒立的圆锥，N种金属丝材的末端沿其对应送丝方向的延长线交于圆锥的顶点，钨极轴线与圆锥的中轴线重合，N种金属丝材的送丝方向位于圆锥的母线上，且N条母线均匀分布在圆锥表面上，N种金属丝材的端部到钨极端部的距离为d为3-6mm。
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