CN111168263B - 旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法，包括MIG焊接电源、旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、IGBT分流控制器、工件、电流传感器及电流控制器组成；所述MIG焊接电源与旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、工件和电流传感器构成闭合电路，所述MIG焊接电源与旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、工件、IGBT分流控制器和电流控制器构成闭合电路；本发明本质上是对传统电弧焊的高效化改进而成，其热输入可控以及焊接电弧拘束度高，具备电弧增材制造的成本低、高效率、高稳定等特点。

Description

旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造的装置与方法，尤其涉及一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法，属于高效电弧增材制造技术领域。

背景技术

梯度材料是指由一种或几种成分具有差异的组分组成的一体的新型材料，其单一或综合的结构、物理参数和物理、化学、生物性能都呈连续变化，以适应不同环境需求，实现某一特定功能。梯度材料有许多的传统制造方式，如气相沉积法、粒子排列法和电沉积法等。但因为传统的梯度材料只能获得薄膜或者块体等胚料，不能实现近净成形，随着增材制造技术的进步与发展，一些学者开始采用电子束、激光、超声以及电弧增材制造的方式制备梯度材料。目前，对于梯度材料的增材制造方式，研究主要还是集中在以激光熔敷粉末沉积为主，但存在熔敷效率低、粉末浪费严重、设备成本高等缺点。采用具有低成本、高效率、成型件力学性能优良等特点的电弧增材制造方式制备梯度材料，虽然可解决上述问题，但以传统焊接电弧为成型热源，存在如下问题：熔化极气体保护电弧焊(Gas metal arc,MIG)增材制造电弧稳定性差、热输入高、成形精度差，而钨极氩弧焊(Gas tungsten arc,GTA)增材制造虽然相比MIG具有更加稳定的电弧、较低的能量热输入，成型精度较好，但效率较低，传统电弧双丝增材制造尚不能同时满足制备梯度材料时高效率、高精度的需求。

复合热源的出现为电弧增材制造解决上述问题提供了新的途径。熔化极等离子弧焊通过等离子弧与MIG电弧复合，利用复合热源使发散的电弧形成竖直向下的高拘束度电弧，减小了电弧加热范围，提高了熔敷效率，使熔滴过渡更加稳定，有利于几何成型的精确性。但是该工艺在具有较高的熔敷效率的同时不可避免地带来了热输入较大等问题，导致热积累严重从而影响力学性能。不仅如此，熔化极等离子弧焊与MIG增材制造工艺类似，受到焊丝材料种类的限制，无法实现熔敷成分的连续调节，限制了熔化极等离子弧焊在梯度材料增材制造上的应用。

因此，迫切需要提出一种新的高效等离子熔化极增材制造工艺，在利用等离子熔化极弧高效率、高稳定性优势的同时，解决热输入过高、熔敷成分连续调节等问题，实现梯度材料的增材制造。

发明内容

本发明的目的是为了解决熔化极等离子弧焊在增材制造过程中热输入过大使材料的力学性能和成型精度难以控制的问题，以及只能通过更换焊丝来改变熔敷焊道成分，无法实现成分连续调节的问题而提供一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置，包括MIG焊接电源、旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、IGBT分流控制器、工件、电流传感器及电流控制器组成；所述MIG焊接电源与旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、工件和电流传感器构成闭合电路，所述MIG焊接电源与旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、工件、IGBT分流控制器和电流控制器构成闭合电路；

所述旁路热丝熔化极等离子弧焊枪包括：填充焊丝、包裹在填充焊丝外的环形等离子电极、包裹子在环形等离子电极外的绝缘保护瓷套、包裹在绝缘保护瓷套外的水冷铜套、设置在填充焊丝尾段的MIG导电嘴、设置在MIG导电嘴外的等离子拘束喷嘴、设置在等离子拘束喷嘴外的保护气罩，还包括导丝嘴、所述导丝嘴设置在保护气罩的外侧，所述导丝嘴和保护气罩的中间还设置有辅助焊丝，还设置有送丝机构和辅助送丝机构，所述送丝机构设置在填充焊丝的顶端，所述辅助送丝机构设置在辅助焊丝的顶端。

所述保护气罩内填充有保护气，所述水冷铜套内填充有冷却水，所述绝缘保护瓷套和水冷铜套内填充有离子气；

所述导丝嘴和填充焊丝之间的夹角小于30°；

所述MIG焊接电源的负极与环形等离子电极相连，所述MIG焊接电源的正极与工件相连，IGBT分流模块通过焊丝与MIG焊接电源正极相连，电流传感器连接IGBT分流模块和工件；

所述辅助焊丝和填充焊丝材质不同。

一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据待加工梯度材料的三维模型进行分层切片，将数据转换为机器人可识别的语言，并进行路径规划；

步骤2：根据路径规划结果设置焊接工艺参数，包括主路电流和旁路电流的大小，由梯度材料成分的要求选择合适的焊丝，并计算填充焊丝和异质辅助焊丝的送丝速度；

步骤3：对工件进行熔敷前预处理，清理油污、打磨氧化层，并连接所有增材设备与装置；

步骤4：将旁路热丝熔化极等离子焊枪移动到熔敷道起点，提前通入保护气3秒，启动MIG焊接电源以及送机机构，待耦合电弧形成后，启动辅助送丝机构向熔池中填充异质辅助焊丝，按照规划的的路径进行行走；

步骤5：当旁路热丝熔化极等离子焊枪走到终点时，辅助送机构先停止送丝，然后关闭MIG焊接电源以及送丝机构，再通保护气10秒以防止熔覆层被氧化；

步骤6：等待停留60s后，防止热积累效应给增材成形带来影响，将旁路热丝熔化极等离子焊枪移动到熔敷道起点；

步骤7：重复步骤4到6，完成梯度材料的增材制造。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过旁路电弧不仅能够起到预热焊丝，提高增材熔敷效率的作用，还减小了作用于工件的焊接热输入，解决了高速增材制造时在增大焊接电流提高焊丝的熔化速度的同时对母材的热输入过高的矛盾。

2、通过IGBT分流模块的控制，不仅实现了焊丝与工件间的热量的合理分配，对微观组织和力学性能进行有效调控，而且可以通过调节流经两种焊丝的电流大小，控制两种金属的熔合比和熔化效率，实现任意比例的互溶。

3、旁路电弧的存在增强了复合电弧的稳定性，熔滴过渡频率稳定，使增材制造过程中飞溅很小或无飞溅，提高了成型精度。

4、辅助焊丝的导丝嘴与旁路热丝熔化极等离子弧焊枪呈很小的夹角，使得对复杂结构件进行增材制造时，不必考虑送丝的朝向问题，使操作更加灵活，增加成型位置的可达性。

5、辅助填丝送丝机向熔敷道熔池中填充异质焊丝，通过调整两种焊丝的送丝速度比例，不仅实现了对熔敷道成分的连续调节，而且能够充分利用耦合电弧的高热量，减小对母材的热输入，提高了能量利用率。

6、该增材制造成形热源本质上是对传统电弧焊的高效化改进而成，其热输入可控以及焊接电弧拘束度高，具备电弧增材制造的成本低、高效率、高稳定等特点。

附图说明

图1是旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明涉及一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法，主要由接电源MIG焊与送丝机、旁路热丝熔化极等离子弧焊枪、IGBT分流控制器、导丝嘴、辅助填丝送丝机、电流传感器及其控制系统组成。MIG焊接电源的负极与环形等离子电极相连，正极与工件相连，IGBT分流模块通过焊丝与MIG焊接电源正极相连，电流传感器连接IGBT分流模块和工件，辅助填丝送丝机用以输送与旁路热丝熔化极等离子焊枪内焊丝成分相异的异质填充焊丝，其送丝软管与所述的导丝嘴连接，导丝嘴与旁路热丝熔化极等离子弧焊枪呈很小的夹角(小于30°)，以使对复杂结构件进行增材制造时，不必考虑送丝的朝向问题，使操作更加灵活，增加成型位置的可达性。在增材制造时，启动MIG焊接电源，在环形等离子电极与工件间引燃主路电弧，同时启动IGBT分流模块，在焊丝与环形等离子弧之间形成旁路电弧，旁路电弧对焊丝具有预热作用，并与主路电弧相互作用形成耦合电弧。通过焊丝进行旁路分流，使流经环形等离子电极的主路电流分为两部分：一部分为通过旁路电弧流向IGBT分流模块，另一部分经由工件流向MIG焊接电源的正极。在增材制造过程中，利用电流传感器检测流经母材的电流大小，再通过控制系统调节IGBT分流模块的阻值，不仅可对流经旁路焊丝和母材的电流进行控制，从而对焊丝与工件间的热量进行合理地分配，在减小工件热输入的同时提高了焊丝的融化效率，而且还能通过调节流经两种焊丝的电流对熔化焊丝的热量进行分配，实现两种焊丝任意比例的互溶。同时，辅助焊丝的送进能够有效利用耦合电弧和熔池高热量，提高了能量利用率，在一定程度上也能够减小工件的热输入。该方法通过对传统熔化极等离子弧焊进行改进创新，有效利用了其高效率、高稳定性优势的同时，利用旁路分流技术降低了热输入，以及通过辅助填丝实现了梯度材料增材制造时熔敷道成分连续可调。

图1是旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造方法实施的原理图，该增材制造装置主要由MIG焊接电源1、送丝机构4、IGBT分流模块10、控制器12、电流传感器16、辅助送丝机构8、导丝嘴11、工件20、一把旁路热丝的熔化极等离子弧焊枪2等组成。旁路热丝的熔化极等离子弧焊枪2主要由MIG导电嘴17、绝缘保护瓷套6、水冷铜套7、环形等离子电极3、等离子拘束喷嘴18、保护气罩19以及填充焊丝5等组成，辅助焊丝9的导丝嘴11与填充焊丝5之间的夹角很小(小于30°)，使主路电弧15和辅助焊丝9具有近同轴性，增材成形位置的可达性大大提高，同时这种特殊设计的送丝方式将辅助焊丝9近垂直地送到耦合电弧14的中心位置，更能有效利用耦合电弧14的高能量，提高了焊丝的融化效率。MIG焊接电源1的正负极分别与工件20和环形等离子电极3相连，IGBT分流模块10通过填充焊丝5与MIG焊接电源1的正极相连。增材制造时，打开MIG焊接电源1并启动送丝机构5，在环形等离子电极3与工件20间引燃主路电弧15，同时启动IGBT分流模块10，并启动辅助填丝送丝机构8，辅助焊丝9与主路电弧15接触形成旁路电弧13，两者形成耦合电弧14，耦合电弧14的形成使电弧更加稳定，熔滴过渡频率均匀，有效减小了飞溅或无飞溅。增材制造过程中，通过辅助填丝送丝机构8用以输送与旁路热丝熔化极等离子焊枪内填充焊丝5成分相异的异质辅助焊丝9实现熔覆层成分的连续调节，通过IGBT分流模块10可以调控流入工件20的电流大小，从而合理地分配焊丝和工件20之间的能量，避免了母材热输入过高的问题，使成型件的力学性能和成型精度得到有效调控，同时流经填充焊丝5和异质辅助焊丝9的电流大小也得到调控，从而控制了两种金属的熔合比和熔化效率，有利于实现两种金属的任意比例互溶。

基于旁路热丝的熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法具体实施步骤如下：

步骤1：根据待加工梯度材料的三维模型进行分层切片，将数据转换为机器人可识别的语言，并进行路径规划。

步骤2：根据路径规划结果设置焊接工艺参数，包括主路电流和旁路电流的大小，由梯度材料成分的要求选择合适的焊丝，并计算填充焊丝5和异质辅助焊丝9的送丝速度。

步骤3：对工件20进行熔敷前预处理，如清理油污、打磨氧化层等，并按照图1所示方法连接所有增材设备与装置。

步骤4：将旁路热丝熔化极等离子焊枪2移动到熔敷道起点，提前通入保护气3秒，启动MIG焊接电源1以及主路焊丝送机机构4，待耦合电弧14形成后，启动辅助填丝送丝机构3向熔池中填充异质辅助焊丝9，按照规划的的路径进行行走。

步骤5：当旁路热丝熔化极等离子焊枪走到终点时，辅助填丝送机构8先停止送丝，然后关闭MIG焊接电源1以及送丝机构4，再通保护气10秒以防止熔覆层被氧化。

步骤6：等待停留60s后，防止热积累效应给增材成形带来影响，将旁路热丝熔化极等离子焊枪2移动到熔敷道起点。

步骤7：重复步骤4到6，完成梯度材料的增材制造。

Claims (1)

1.一种旁路热丝熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置，其特征是，主要由MIG焊接电源、送丝机构、IGBT分流模块、控制器、电流传感器、辅助送丝机构、导丝嘴、工件、一把旁路热丝的熔化极等离子弧焊枪组成；旁路热丝的熔化极等离子弧焊枪、主要由MIG导电嘴、绝缘保护瓷套、水冷铜套、环形等离子电极、等离子拘束喷嘴、保护气罩以及填充焊丝组成，辅助焊丝的导丝嘴与填充焊丝之间的夹角小于30°，使主路电弧和辅助焊丝具有近同轴性，增材成形位置的可达性大大提高，同时这种特殊设计的送丝方式将辅助焊丝近垂直地送到耦合电弧的中心位置，更能有效利用耦合电弧的高能量，提高了焊丝的融化效率，MIG焊接电源的正负极分别与工件和环形等离子电极相连，IGBT分流模块通过填充焊丝与MIG焊接电源的正极相连，增材制造时，打开MIG焊接电源并启动送丝机构，在环形等离子电极与工件间引燃主路电弧，同时启动IGBT分流模块，并启动辅助填丝送丝机构，辅助焊丝与主路电弧接触形成旁路电弧，两者形成耦合电弧，耦合电弧的形成使电弧更加稳定，熔滴过渡频率均匀，有效减小了飞溅或无飞溅，增材制造过程中，通过辅助填丝送丝机构用以输送与旁路热丝熔化极等离子焊枪内填充焊丝成分相异的异质辅助焊丝实现熔覆层成分的连续调节，通过IGBT分流模块可以调控流入工件的电流大小，从而合理地分配焊丝和工件之间的能量，避免了母材热输入过高的问题，使成型件的力学性能和成型精度得到有效调控，同时流经填充焊丝和异质辅助焊丝的电流大小也得到调控，从而控制了两种金属的熔合比和熔化效率，有利于实现两种金属的任意比例互溶；

基于旁路热丝的熔化极等离子弧梯度材料增材制造的装置与方法具体实施步骤如下：

步骤1：根据待加工梯度材料的三维模型进行分层切片，将数据转换为机器人可识别的语言，并进行路径规划；

步骤2：根据路径规划结果设置焊接工艺参数，包括主路电流和旁路电流的大小，由梯度材料成分的要求选择合适的焊丝，并计算填充焊丝和异质辅助焊丝的送丝速度；

步骤3：对工件进行熔敷前预处理，清理油污、打磨氧化层，并按连接所有增材设备与装置；

步骤4：将旁路热丝熔化极等离子焊枪移动到熔敷道起点，提前通入保护气3秒，启动MIG焊接电源以及主路焊丝送丝机构，待耦合电弧形成后，启动辅助填丝送丝机构向熔池中填充异质辅助焊丝，按照规划的路径进行行走；

步骤5：当旁路热丝熔化极等离子焊枪走到终点时，辅助填丝送机构先停止送丝，然后关闭MIG焊接电源以及送丝机构，再通保护气10秒以防止熔覆层被氧化；

步骤6：等待停留60s后，防止热积累效应给增材成形带来影响，将旁路热丝熔化极等离子焊枪移动到熔敷道起点；

步骤7：重复步骤4到6，完成梯度材料的增材制造。

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