CN110625225B - Tig压轮旋转式旁轴送丝电弧3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，包括基板、TIG焊枪组件、旁轴送丝机构以及熔覆层压轮系统；熔覆层压轮系统具有第一工装、第二工装、旋转组件、压力调节器以及压轮机构，第一工装与第二工装连接、在竖直方向可相互移动和复位；第二工装可围绕旋转组件转动；熔覆层压轮系统的压轮机构与TIG焊枪组件共线设置，压轮机构被设置成随着第二工装围绕旋转组件的转动而保持与TIG焊枪组件焊接方向一致并位于移动轨迹的后方，使压轮机构接触工件表面的熔覆层，对熔覆层表面进行加工。本发明可使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制，通过调节不同压力和转动角度，控制熔覆层表面成形，提高打印质量和打印过程中的稳定性。

Description

TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体而言涉及一种TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置。

背景技术

电弧增材制造（WAAM）是以电弧作为热源，焊丝作为增材材料，快速成型出致密度高、力学性能好的金属复杂几何构件，缩短产品的生产周期，极大提高材料的利用率及生产效率。WAAM实际上是将气体保护电弧焊方法应用到了增材制造领域，主要分为熔化极和不熔化极。熔化极包含长弧和短弧两种工艺，前者为熔滴自由过渡MIG（metal inert-gas）电弧，后者为熔滴短路过渡的冷金属过渡（Cold Metal Transfer CMT）电弧。不熔化极为TIG电弧，焊丝侧向送进，熔滴过渡采用搭桥过渡。

TIG电弧增材制造是指非熔化极惰性气体保护堆焊是通过非熔化钨极在惰性气体保护下与工件产生电弧作为热源，熔化母材和连续等速送进可熔化的丝材，形成熔池。其优点是具有广泛的适应性，气密性较好，可降低熔覆层的气孔率，成形较为稳定。

查阅国内外现有的电弧3D打印装置的相关文献，目前，TIG电弧增材制造方法包括：普通旁轴送丝TIG电弧打印、旁轴多丝TIG电弧打印，同轴空芯钨极TIG电弧打印，未发现单丝TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，旁轴多丝TIG电弧打印虽然丝材利用率较高，成形较快，但其打印稳定性较差，多丝TIG钨极热源热输入过大，所产生的热应力变形较大。同轴空芯钨极TIG电弧打印暂无试验结果。

发明内容

本发明目的在于针对现有TIG焊枪打印角度调节受限问题，提供一种TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制，实现了多方向性打印，可对3D打印的熔覆层进行实时辊压作用，通过调节不同压力和转动角度，控制熔覆层表面成形，提高打印质量和打印过程中的稳定性。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，包括基板、TIG焊枪组件、旁轴送丝机构以及熔覆层压轮系统；

所述TIG焊枪组件位于基板上方，TIG焊枪组件下方的钨极与工件表面产生电弧，旁轴送丝机构将焊丝送至钨极下方，即由电弧热量以熔滴过渡形式形成熔池，在工件表面形成熔覆层；

所述熔覆层压轮系统具有第一工装、第二工装、旋转组件、压力调节器以及压轮机构，第一工装与第二工装水平连接并且二者之间在竖直方向可相互移动和复位；所述旋转组件设置在第一工装上，第二工装可围绕所述旋转组件转动；所述压力调节器设置在第二工装上；

所述熔覆层压轮系统的压轮机构与所述TIG焊枪组件共线设置，压轮机构被设置成随着所述第二工装围绕旋转组件的转动而保持与TIG焊枪组件焊接方向一致并且一直位于TIG焊枪组件移动轨迹的后方，使压轮机构通过底部的压轮接触工件表面的熔覆层，对熔覆层表面进行加工；

所述熔覆层压轮系统的压力调节器被设置成根据设定的压力输出，通过压轮施加到工件表面的熔覆层上。

进一步地，所述旁轴送丝机构、TIG焊枪组件与压轮共线设置，旁轴送丝机构熔覆层压轮系统固定于TIG焊枪组件的两侧。

进一步地，所述第一工装和第二工装的边缘均设置有旋转把手，如此当机器人的机械臂带动焊枪运动到位进行180转向继续进行3D打印时，可通过旋转转手进行转向，使得熔覆层压轮系统一直保持位于TIG焊枪组件移动轨迹的后方，使压轮机构通过底部的压轮接触工件表面的熔覆层，对熔覆层表面进行加工，提高打印质量和打印过程中的稳定性，同时，使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制。

进一步地，在第一工装与第二工装结合的位置，在第一工装上形成有朝上的第一台阶面，在第二工装上形成朝下的第二台阶面，第二台阶面压在第一台阶面上并在二者之间设置有第一弹簧；压轮机构与旋转工装之间设置有第二弹簧。通过将第二弹簧设置成第二弹簧为高压力弹簧，第一弹簧为低压力弹簧，使得主要依靠这一弹簧工装实现对压力的施加以及复位，既可以在不同的压力下辊压熔覆层，也可以进行回弹复位然后利于进行转位，进行下一轨迹的滚压，并保持在焊枪的轨迹后方。

进一步地，为了保证熔覆层压轮系统的可靠转动，所述第二工装的至少一部分压在第一工装上。

进一步地，所述TIG焊枪组件固定在第一工装的旋转组件内，TIG焊枪组件还被设置成与机器人的机械臂连接，并随着机械臂的移动而按照预定的轨迹进行3D熔覆。

进一步地，所述TIG焊枪组件被设置成随着机械臂的移动进行3D熔覆并在工件表面预定位置180度转向后进行移动，其中所述熔覆层压轮系统被设置成与所述180度转向同步地围绕第一工装上的旋转组件转动180度，使其一直保持在TIG焊枪组件移动轨迹的后方。

进一步地，所述熔覆层压轮系统还设置有限位装置，用于限制所述熔覆层压轮系统在转动过程中最大转动角度为180度。

进一步地，所述熔覆层压轮系统被设置成在复位状态下通过手动或者电动驱动方式旋转。

由以上本发明的技术方案可见，本发明的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置的显著的有益效果在于：

1、通过熔覆层压轮系统连续、实时地对熔覆层进行辊压作用，通过调节不同压力，控制熔覆层表面成形，提高打印质量和打印过程中的稳定性；使得打印件组织相较普通加工头更加细化，显著提高了打印件本身机械性能；

2、送丝系统、TIG焊枪和压轮系统共线设置，通过旋转把手或者电动机构调节打印方向，无须通过机器人轴和机床旋转控制打印方向，避免了传统TIG焊限位干涉现象，使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制，实现了多方向性打印，大大提高了打印灵活性和效率，实现TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧打印加工。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置的示意图。

图2是本发明的第一工装和第二工装的示意图。

图3是本发明的弹簧式工装的示意图。

图4A、4B和4C为本发明打印的工件表面的对比图，其中4A为打印层宏观照片，4B为普通加工头打印后微观组织，4C为采用本发明打印后的微观组织。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1-3所示，本发明提出一种TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧打印装置，TIG焊枪与送丝系统采用旁轴设计，钨极与工件表面起弧，焊丝以电弧为热源并在其表面形成熔池，同时通入保护气体，通过TIG焊枪双路保护气流道覆盖整个熔池，起到保护效果。

针对TIG焊枪打印角度调节受限问题，本发明通过在TIG焊枪外壁设置旋转组件，其旋转把手控制打印方向，旋转组件上下方各设置螺栓固定，确定打印方向后进行打印（例如按照预定程序，由机器人及机械臂驱动），使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制，实现了多方向性打印。而在TIG焊枪另一侧设置熔覆层压轮系统，提高了TIG电弧3D打印致密度与表面成形质量，降低气孔率，提高TIG电弧打印成型件力学性能。

在具体的处理过程中，TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印的工艺为：TIG焊枪钨极与工件表面产生电弧，旁轴焊丝送至钨极下方依靠电弧热量以熔滴过渡形式在工件表面形成熔池，压轮系统则在打印过程中对熔覆层进行辊压作用，旁轴送丝系统、TIG焊枪与压轮共线设置，通过TIG焊枪外壁的旋转组件调整打印方向，从而实现TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧打印加工。

下面结合图1-3所示，更加具体地描述前述方案的示例性实现。

如图1，TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，包括基板18、TIG焊枪组件、旁轴送丝机构以及熔覆层压轮系统。旁轴送丝机构、TIG焊枪组件与压轮共线设置，旁轴送丝机构熔覆层压轮系统固定于TIG焊枪组件的两侧。

作为可选的方式，TIG焊枪组件以及旁轴送丝机构在本实施例中采用现有的设计，例如图1实施例中，TIG焊枪内壁5固定电极芯杆1，电极芯杆1设置于焊枪中心处，保护气管2与循环水冷流道3分别设置于电极芯杆1两侧，外界保护气通过所述保护气管2进入保护气流道4并送至熔覆层16，对熔池起到良好保护效果。

外界水冷机通过循环水冷流道3进入TIG焊枪内部，降低TIG焊枪在3D打印过程中的热量，且减少钨极12损耗。

钨极夹10用于固定钨极12，钨极12在惰性气体保护下与基板18产生电弧作为热源，熔化母材和连续等速送进可熔化的焊丝6，形成熔池。

旁轴送丝系统和熔覆层压轮系统固定于TIG焊枪两侧，三者共线。

熔覆层压轮系统具有第一工装13A和第二工装13B，第一工装与第二工装水平连接形成一个旋转工装，并且两个工装13A和13B之间在竖直方向可相互移动和复位，通过弹簧式工装15实现。结合图1、2所示，旋转工装设置在TIG焊枪组件的外壁，其旋转把手8控制打印方向，旋转组件上下方各设置多个螺栓9进行固定，确定打印方向后，紧固螺栓，从而使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制。

旁轴送丝系统中的焊丝6由外界送至送丝轮7，通过送丝管11伸至钨极12前端。熔覆层压轮系统还包括压力调节器14以及压轮机构17。压力调节器14设置在第二工装13B上，该压力调节器14被设置成根据设定的压力输出，通过压轮施加到工件表面的熔覆层上。

如此，熔覆层压轮系统通过压力调节器14控制压轮机构17对熔覆层16压力，来实现对熔覆层16表面成形控制，从而提高TIG电弧3D打印致密度与表面成形质量，降低气孔率，提高TIG电弧打印成型件力学性能。

结合图1，整体上，TIG焊枪组件位于基板18上方，TIG焊枪组件下方的钨极12与工件表面产生电弧，旁轴送丝机构将焊丝6送至钨极12的下方，籍由电弧热量以熔滴过渡形式形成熔池，在工件表面形成熔覆层16。

熔覆层压轮系统还包括压力调节器以及压轮机构旋转组件13C，旋转组件设置在第一工装13A上，第二工装13B可围绕所述旋转组件转动。如此，通过压轮机构17与TIG焊枪组件共线设置，压轮机构17被设置成随着第二工装13B围绕旋转组件13C的转动而保持与TIG焊枪组件焊接方向一致并且一直位于TIG焊枪组件移动轨迹的后方，使压轮机构17通过底部的压轮接触工件表面的熔覆层，对熔覆层表面进行加工。

结合图1，第一工装和第二工装的边缘均设置有旋转把手8，如此当机器人的机械臂带动焊枪运动到位进行180转向继续进行3D打印时，可通过旋转转手进行转向，使得熔覆层压轮系统（的压轮机构17）一直保持位于TIG焊枪组件移动轨迹的后方，使压轮机构17通过底部的压轮接触工件表面的熔覆层，对熔覆层表面进行加工，提高打印质量和打印过程中的稳定性，同时，使TIG焊枪不受旁轴送丝装置限制。

结合图2、3，在第一工装13A与第二工装13B结合的位置，在第一工装13A上形成有朝上的第一台阶面，在第二工装13B上形成朝下的第二台阶面，第二台阶面压在第一台阶面上并在二者之间设置有第一弹簧19；压轮机构17与旋转工装之间设置有第二弹簧20，通过高压力弹簧连接。通过将第二弹簧设置成第二弹簧为高压力弹簧，第一弹簧为低压力弹簧，使得主要依靠这一弹簧工装实现对压力的施加以及复位，既可以在不同的压力下辊压熔覆层，也可以进行回弹复位然后利于进行转位，进行下一轨迹的滚压，并保持在焊枪的轨迹后方。

结合图1、3，转动过程中，为了保证熔覆层压轮系统的可靠转动，第二工装13B的至少一部分压在第一工装13A上，压轮机构与旋转工装之间通过高压力弹簧连接，防止在调节压轮压力过程中对TIG焊枪的影响。

结合图1、图3，TIG焊枪组件固定在第一工装的旋转组件内，TIG焊枪组件还被设置成与机器人的机械臂连接（例如从TIG焊枪组件的上方固定），并随着机械臂的移动而按照预定的轨迹进行3D熔覆。TIG焊枪组件被设置成随着机械臂的移动进行3D熔覆并在工件表面预定位置180度转向后进行移动，其中所述熔覆层压轮系统被设置成与所述180度转向同步地围绕第一工装上的旋转组件转动180度，使其一直保持在TIG焊枪组件移动轨迹的后方。

优选地，所述熔覆层压轮系统还设置有限位装置（未标示出），用于限制所述熔覆层压轮系统在转动过程中最大转动角度为180度，如此在转动过程中定位限制在180度，进行精确的控制。

结合如1，熔覆层压轮系统被设置成在复位状态下通过手动，例如通过旋转把手8推动，或者电动驱动方式旋转。

如图4A、4B和4C为本发明打印的工件表面的对比，其中4A为打印层宏观照片，4B为普通加工头打印后微观组织，4C为采用本发明打印后的微观组织，可见通过本发明打印后的熔覆层内部组织结构明显改善，气孔率明显降低，并且组织细密、均匀。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，包括基板、TIG焊枪组件、旁轴送丝机构以及熔覆层压轮系统；

所述TIG焊枪组件位于基板上方，TIG焊枪组件下方的钨极与工件表面产生电弧，旁轴送丝机构将焊丝送至钨极下方，籍由电弧热量以熔滴过渡形式形成熔池，在工件表面形成熔覆层；

所述熔覆层压轮系统具有第一工装、第二工装、旋转组件、压力调节器以及压轮机构，第一工装与第二工装水平连接并且二者之间在竖直方向可相互移动和复位；所述旋转组件设置在第一工装上，第二工装可围绕所述旋转组件转动；所述压力调节器设置在第二工装上；

所述熔覆层压轮系统的压轮机构与所述TIG焊枪组件共线设置，压轮机构被设置成随着所述第二工装围绕旋转组件的转动而保持与TIG焊枪组件焊接方向一致并且一直位于TIG焊枪组件移动轨迹的后方，使压轮机构通过底部的压轮接触工件表面的熔覆层，对熔覆层表面进行加工；

所述熔覆层压轮系统的压力调节器被设置成根据设定的压力输出，通过压轮施加到工件表面的熔覆层上；

其中，所述的第一工装、第二工装构成旋转工装，在第一工装与第二工装结合的位置，在第一工装上形成有朝上的第一台阶面，在第二工装上形成朝下的第二台阶面，第二台阶面压在第一台阶面上并在二者之间设置有第一弹簧；压轮机构与旋转工装之间设置有第二弹簧。

2.根据权利要求1所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述旁轴送丝机构、TIG焊枪组件与压轮共线设置，旁轴送丝机构、 熔覆层压轮系统固定于TIG焊枪组件的两侧。

3.根据权利要求1所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述第一工装和第二工装的边缘均设置有旋转把手。

4.根据权利要求1所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，第二弹簧为高压力弹簧，第一弹簧为低压力弹簧。

5.根据权利要求1或者4所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述第二工装的至少一部分压在第一工装上。

6.根据权利要求1所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述TIG焊枪组件固定在第一工装的旋转组件内，TIG焊枪组件还被设置成与机器人的机械臂连接，并随着机械臂的移动而按照预定的轨迹进行3D熔覆。

7.根据权利要求6所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述TIG焊枪组件被设置成随着机械臂的移动进行3D熔覆并在工件表面预定位置180度转向后进行移动，其中所述熔覆层压轮系统被设置成与所述180度转向同步地围绕第一工装上的旋转组件转动180度，使其一直保持在TIG焊枪组件移动轨迹的后方。

8.根据权利要求7所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述熔覆层压轮系统还设置有限位装置，用于限制所述熔覆层压轮系统在转动过程中最大转动角度为180度。

9.根据权利要求7所述的TIG压轮旋转式旁轴送丝电弧3D打印装置，其特征在于，所述熔覆层压轮系统被设置成在复位状态下通过手动或者电动驱动方式旋转。

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