CN110340498A - 中空环形钨极gta阵列填丝增材制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法及装置,包括中空环形钨极,中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0‑4.0mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,倒角之间的钨极表面形成圆台,倒角用于限制钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,圆柱孔用于金属丝的送入;本发明中空环状钨极可有效降低电弧压力,在承载更大的堆积电流时,继续保持较低的电弧压力,从而维持熔池的稳定性,同时,环状钨极内通入阵列多丝,增强了GTA热源与丝材的同轴性,进一步增大了金属丝的堆积效率,可有效解决大电流增材时熔池的稳定性差与堆积效率低的难题。
Description
技术领域
本发明属于电弧填丝增材制造技术领域,具体涉及一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法及装置。
背景技术
钨极氩弧(Gas Tungsten Arc,GTA)填丝增材制造以GTA电弧作为热源,金属丝材为填充材料,逐层堆积成形金属构件,与其他电弧填丝增材制造方法相比,该技术具有设备成本低、电弧稳定性好、电流与送丝可独立调节等优点,因而广泛应用于钛合金、镍基高温合金、高强钢等金属构件的直接成形。
但是传统的GTA填丝增材制造存在制造效率低的显著缺点,如果采用大的堆积电流配合大送丝速度进行堆积成形,则会导致熔池形态不稳,并出现明显的成形恶化,这种现象在堆积薄壁金属构件时表现得尤为突出。研究表明,大电流堆积时,导致成形熔池稳定性差的根本原因是电弧压力过大,对堆积层金属的挖掘力大,并将液态金属迅速排向熔池尾部更远的位置。因此,为进一步提高GTA填丝增材制造的制造效率与成形精度,亟需提出一种新方法以保证大电流增材时熔池的稳定性与堆积效率。
中国专利申请号201810643321.1名为“一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法”及中国专利申请号201710482559.6名为“不锈钢构件双GTA辅助GMA增材制造方法及系统”均提供了一种可以减小电弧压力的复合热源,但是这两个专利中复合热源涉及的试验装置系统过于复杂,不利于实际的工程化应用。中国专利申请号201610018268.7名为“一种空心阴极环状负压电弧焊接方法”通过负压使电压产生拘束,从而形成高能量密度的拘束电弧,具有较强的电弧压力和熔透能力,对堆积层损伤大,因此该方法难以用于维持电弧增材制造过程的熔池稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有GTA填丝增材制造大电流堆积时电弧压力过大引起的熔池稳定性差与堆积效率低的难题,提供一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法及装置。
为实现上述发明目的,本发明技术方案如下:
一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法,使用中空环形钨极,所述中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0-4.0mm,圆环状钨极外径D为3-10mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,α的取值范围为30-60°,所述倒角之间的钨极表面形成圆台,圆台用于限制中空环形钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在所述圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,N的取值范围为2-8,所述圆柱孔用于金属丝的送入,金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热对金属丝材进行预热;
壁厚d设定为1.0-4.0mm是因为:如果壁厚d设定过小,则难以在壁厚上设置圆柱孔,并用于金属丝的送入,如果壁厚d设定过大,则会增大圆台底部电子发射的范围。
钨极外径D设定为3-10mm是因为:如果钨极外径D设定过小,不利于增大电弧上端体面积,如果钨极外径D设定过大,电弧上端体面积过大,导致电弧能量过于分散。
圆台倒角α的取值范围设定为30-60°是因为:如果α的设定值过小,则圆台底部面积过小,容易出现圆台底部钨极的烧损,倘若α的设定值过大,则圆台底部不能很好地限制钨极发射电子的范围。
圆柱孔个数N的取值范围设定为2-8是因为:如果N设定过小,则会显著降低金属丝的熔化效率和金属构件的制造效率,如果N设定过大,则壁厚上的圆柱孔分布过于密集,同时难以保证金属丝的完全熔化。
增材制造步骤为:将中空环形钨极装入内径为3-10mm的钨极夹内,金属丝送入圆柱孔内,开启GTA增材制造电源,设定堆积工艺参数,待电弧稳定0.5-3s后,开启金属丝材送丝系统,进行逐层堆积,直至达到设定的金属构件尺寸为止。
钨极夹的内径设定为3-10mm是因为:钨极夹的直径与中空环形钨极的外壁是同轴配合的,因此其内径的设定与中空环形钨极的外径D保持一致。
电弧稳定时间设定为0.5-3s是因为:如果电弧稳定时间设定过短,电弧形态没有完全稳定,不利于金属丝的熔化,如果电弧稳定时间设定过长,由于金属丝一直没有送入电弧,难以在电弧起弧端起到增材的效果。
作为优选方式,堆积工艺参数为:堆积电流为200-320A,填丝速度0.2-3.8m/min,行走速度2-9mm/s。
作为优选方式,圆柱孔的直径为0.5-1.8mm。圆柱孔的直径设定为0.5-1.8mm是因为:常用金属丝的直径变化范围为0.4-1.6之间,因此圆柱孔的直径设定在0.5-1.8之间可以保证不同直径的金属丝的顺畅送入。
作为优选方式,圆柱孔内的金属丝为同种金属丝材,或异种金属丝材。
为实现上述发明目的,本发明还提供一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造装置,
包括GTA电源1,金属丝2,电极夹3,中空环形钨极4,电弧5,堆积层6,基板7,所述GTA电源1的正极与基板7连接,GTA电源1的负极与电极夹3连接,中空环形钨极4的外表面与电极夹3配合,电弧5建立在中空环形钨极4与堆积层之间;
所述中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0-4.0mm,圆环状钨极外径D为3-10mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,α的取值范围为30-60°,所述倒角之间的钨极表面形成圆台,圆台用于限制中空环形钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在所述圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,N的取值范围为2-8,所述圆柱孔用于金属丝的送入,金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热可对金属丝材进行预热。
本发明的基本原理与有益效果:
(1)传统GTA增材制造的电弧形态呈现圆锥状,其电弧压力与电流大小、圆锥体底部直径与上部直径的比值有很大关系,如果能够有效增大电弧上端体的面积,则可有效降低这一比值。因此,本发明设计了一种中空环状钨极的GTA电弧,中空环状钨极具有较大的直径,电子发射区域沿中空环形钨极端部呈圆周分布,可有效增大电弧上端体面积,在电弧增材制造过程中降低电弧压力,在承载更大的堆积电流时,可继续保持较低的电弧压力,从而维持熔池的稳定性;
(2)本发明在环状钨极内通入阵列多丝,增强了GTA热源与丝材的同轴性,当阵列圆柱孔内送入同种材质的金属丝时,可显著提高丝材的堆积效率;当阵列圆柱孔内送入异种材质的金属丝时,可用于异种金属构件、金属间化合物的制造;
(3)本发明中金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热可对金属丝材进行一定的预热。
附图说明
图1为本发明的中空环形钨极GTA填丝增材制造装置示意图;
图2为中空环形钨极剖面图;
图3为中空环形钨极阵列圆柱孔示意图;
图4为中空环形钨极的整体结构示意图。
1为GTA电源,2为金属丝,3为电极夹,4为中空环形钨极,5为电弧,6为堆积层,7为基板,8为圆台,9为圆柱孔。
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。基板尺寸为300mm×200mm×6mm。
一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法,使用中空环形钨极,所述中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0-4.0mm,圆环状钨极外径D为3-10mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,α的取值范围为30-60°,所述倒角之间的钨极表面形成圆台,圆台用于限制中空环形钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在所述圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,N的取值范围为2-8,所述圆柱孔用于金属丝的送入,金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热对金属丝材进行预热;
增材制造步骤为:将中空环形钨极装入内径为3-10mm的钨极夹内,金属丝送入圆柱孔内,开启GTA增材制造电源,设定堆积工艺参数,待电弧稳定0.5-3s后,开启金属丝材送丝系统,进行逐层堆积,直至达到设定的金属构件尺寸为止。
堆积工艺参数为:堆积电流为200-320A,填丝速度0.2-3.8m/min,行走速度2-9mm/s。
圆柱孔的直径为0.5-1.8mm。
圆柱孔内的金属丝为同种金属丝材,或异种金属丝材。
实施例2
本实施例提供一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造装置,
包括GTA电源1,金属丝2,电极夹3,中空环形钨极4,电弧5,堆积层6,基板7,所述GTA电源1的正极与基板7连接,GTA电源1的负极与电极夹3连接,中空环形钨极4的外表面与电极夹3配合,电弧5建立在中空环形钨极4与堆积层之间;
所述中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0-4.0mm,圆环状钨极外径D为3-10mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,α的取值范围为30-60°,所述倒角之间的钨极表面形成圆台,圆台用于限制中空环形钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在所述圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,N的取值范围为2-8,所述圆柱孔用于金属丝的送入,金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热可对金属丝材进行预热。
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 (5)
1.一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法,其特征在于:使用中空环形钨极,所述中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0-4.0mm,圆环状钨极外径D为3-10mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,α的取值范围为30-60°,所述倒角之间的钨极表面形成圆台,圆台用于限制中空环形钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在所述圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,N的取值范围为2-8,所述圆柱孔用于金属丝的送入,金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热对金属丝材进行预热;
增材制造步骤为:将中空环形钨极装入内径为3-10mm的钨极夹内,金属丝送入圆柱孔内,开启GTA增材制造电源,设定堆积工艺参数,待电弧稳定0.5-3s后,开启金属丝材送丝系统,进行逐层堆积,直至达到设定的金属构件尺寸为止。
2.根据权利要求1所述的一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法,其特征在于:堆积工艺参数为:堆积电流为200-320A,填丝速度0.2-3.8m/min,行走速度2-9mm/s。
3.根据权利要求1所述的一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法,其特征在于:圆柱孔的直径为0.5-1.8mm。
4.根据权利要求1所述的一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造方法,其特征在于:圆柱孔内的金属丝为同种金属丝材或异种金属丝材。
5.一种中空环形钨极GTA阵列填丝增材制造装置,其特征在于:包括GTA电源(1),金属丝(2),电极夹(3),中空环形钨极(4),电弧(5),堆积层(6),基板(7),所述GTA电源(1)的正极与基板(7)连接,GTA电源(1)的负极与电极夹(3)连接,中空环形钨极(4)的外表面与电极夹(3)配合,电弧(5)建立在中空环形钨极(4)与堆积层之间;
所述中空环形钨极的外表面和内表面之间的壁厚d为1.0-4.0mm,圆环状钨极外径D为3-10mm,圆环状钨极外表面和内表面底部均设有倒角α,α的取值范围为30-60°,所述倒角之间的钨极表面形成圆台,圆台用于限制中空环形钨极发射电子的范围,N个圆柱孔在所述圆环状钨极圆周方向均匀分布,且每个圆柱孔上下贯穿整个圆环状钨极,N的取值范围为2-8,所述圆柱孔用于金属丝的送入,金属丝与圆柱孔内壁接触,流经金属丝的电流产生的电阻热可对金属丝材进行预热。
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