CN111545870A - 一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统与方法，所述功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，包括由六轴机器人、工作台、基板、焊机、送丝机、数字信号处理器、丝材、高速摄影仪、显示器、工控机、双丝焊枪、导气管、气瓶组成。所述功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法，通过实时调整两种金属丝材的送丝速度来精确调控熔池内部液态金属的化学成分，每层扫描完成之后更换一次工艺参数，从而实现构件化学成分的平滑过渡。所述系统和方法可以实现从毫米级别到米级别的零件制造，具有效率高和成本低等优势，易于实现自动化控制。

Description

一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统与方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统与方法。
背景技术
功能梯度材料通过连续地改变材料的化学成分从而导致材料的结构和性能逐渐变化，通常应用于压强、温度和腐蚀性等工作环境随位置变化的极端工况，诸如航空航天、核电和海洋工程等领域。功能梯度材料的常见制备工艺包括粉末冶金、等离子喷涂和增材制造，其中增材制造是被认为生产功能梯度材料最有前景方法之一。目前常见的功能梯度材料增材制造工艺有激光直接能量沉积和选区激光熔化。这两种制备工艺都采用金属粉末做原材料，沉积效率相对较低，制造周期较长，制造成本也相对较高，因此不适宜制造大型功能梯度材料构件。
针对目前功能梯度材料制造成本较高和周期较长等问题，本发明提出一种功能梯度材料双丝双电弧高效增材制造新型系统和方法。该方法采用两个电弧做热源，采用两种不同化学成分的金属丝做原材料不断熔化并且过渡到熔池。该方法通过不断调整两种金属丝的送丝速度来逐渐地调控熔池内部液态金属的化学成分，从而实现构件化学成分的平滑过渡。功能梯度材料双丝双电弧增材制造，与激光直接能量沉积和选区激光熔化相比，该方法具有效率高和成本低等优势；与双丝单电弧增材制造相比，该工艺具有熔滴过渡可控和成形精确等优势。
发明内容
本发明提供一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统与方法，目的在于克服现有技术存在的问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，包括由六轴机器人、工作台、基板、焊机、送丝机、数字信号处理器、丝材、高速摄影仪、显示器、工控机、双丝焊枪、导气管、气瓶组成，所述方法采用双丝双电弧增材制造制备功能梯度材料。其中，工控机、高速摄影仪和显示器组成在线监控系统。制造过程中高速摄影仪可以拍摄金属熔滴过渡图片，并且把图像实时传递到工控机，最后在显示器上面显示。
本发明中，两台焊机尺寸和额定功率完全相同，两台焊机通过数字信号处理器实现协同控制，两台焊机均可以输出脉冲电流，实际增材制造过程中两台焊机的输出电流波形是相互独立的。
本发明中，两台送丝机的尺寸和最大送丝速度完全相同，两台送丝机均可以兼容1.0mm、1.2mm、1.6mm直径的丝材，两台送丝机的送丝速度可以线性调节，实际增材制造过程中两台送丝机的送丝速度是相互独立的。
本发明中，两种焊丝为金属丝材，两种焊丝的直径完全相同，两种焊丝的直径可以是1.0mm、1.2mm、1.6mm。两种焊丝的化学成分不同，可以是不锈钢、钛合金、镍基合金。
本发明中，气瓶的流量可以调节，气瓶的气体可以是氩气后者氦气，气瓶通过导气管把保护气送入双丝焊枪。两种焊丝接在一个双丝焊枪上，双丝焊枪装在六轴机器人上。
一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法，通过不断调整两种金属丝材的送丝速度来逐渐地调控熔池内部液态金属的化学成分，从而实现功能梯度材料制备。
一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法，其特征在于所述方法步骤如下：焊前先对基板喷砂打磨，然后用酒精清洗；使用夹具把基板固定在工作台上，将金属丝材放入送丝机内；开启六轴机器人、工控机、高速摄影仪；打开气瓶，开启焊机，开启送丝机，六轴机器人夹持双丝焊枪逐道扫描，每层扫描完成之后更换一次工艺参数，实现构件的化学成分平滑过渡；关闭送丝机、焊机、气瓶；关闭六轴机器人、工控机、高速摄影仪；待构件冷却之后卸掉夹具，对焊缝表面做喷砂打磨处理。
本发明的优点在于：
1、本发明中双丝焊枪、导丝嘴、导气管均集成在六轴机器人系统上，制造的最大尺寸接近于六轴机器人的最大行程。因此可以实现从毫米级别到米级别的零件制造。
2、与激光直接能量沉积和选区激光熔化相比，该方法具有效率高和成本低等优势；与双丝单电弧增材制造相比，该工艺具有熔滴过渡可控和成形精确等优势。
3、易于实现自动化控制。
附图说明
图1是本发明所涉及的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统示意图。
图中：1-六轴机器人；2-工作台；3-基板；4-焊机A；5-焊机B；6-送丝机B；7-数字信号处理器；8-送丝机A；9-丝材A；10-丝材B；11-高速摄影仪；12-显示器；13-工控机；14-双丝焊枪；15-导气管；16-气瓶。
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，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本实施例提供的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统由六轴机器人1、工作台2、基板3、焊机A4、焊机B5、送丝机B6、数字信号处理器7、送丝机A8、丝材A9、丝材B10、高速摄影仪11、显示器12、工控机13、双丝焊枪14、导气管15、气瓶16组成。
具体地，焊机A4和焊机B5的尺寸和额定功率完全相同，焊机A4和焊机B5通过数字信号处理器7实现协同控制。焊机A4和焊机B5均可以输出脉冲电流，实际增材制造过程中焊机A4和焊机B5的输出电流波形是相互独立的。
具体地，送丝机A8和送丝机B6的尺寸和最大送丝速度完全相同，送丝机A8和送丝机B6均可以兼容1.0mm、1.2mm、1.6mm直径的丝材，送丝机A8和送丝机B6的送丝速度可以线性调节，实际增材制造过程中送丝机A8和送丝机B6的送丝速度是相互独立的。
具体地，丝材A9和丝材B10均为金属丝材，丝材A9和丝材B10的直径完全相同，丝材A9和丝材B10的材质不同。
可选地，丝材A9和丝材B10的直径可以是1.0mm、1.2mm、1.6mm，丝材A9和丝材B10的材质可以是不锈钢、钛合金、镍基合金。
具体地，气瓶16的流量可以调节，气瓶16通过导气管15把保护气送入双丝焊枪14。丝材A9和丝材B10接在一个双丝焊枪14上面，双丝焊枪14装在六轴机器人1的第六轴上面。
可选地，气瓶16的气体可以是氩气后者氦气。
具体地，工控机13、高速摄影仪11和显示器12组成在线监控系统。制造过程中高速摄影仪12可以拍摄增材制造过程中金属熔滴过渡图片，并且把图像实时传递到工控机10，最后在显示器9上面显示。
具体地，通过不断调整两种金属丝材的送丝速度来逐渐地调控熔池内部液态金属的化学成分，从而实现功能梯度材料制备。在沉积第一层时，焊机A4的输出电流和送丝机A8的送丝速度较大，焊机B5的输出电流和送机B6的送丝速度较小，因此该层的化学成分与丝材A9接近；在沉积最后一层时，焊机A4的输出电流和送丝机A8的送丝速度较小，焊机B5的输出电流和送机B6的送丝速度较大，因此该层的化学成分与丝材B10接近。通过逐渐改变焊接电流和送丝速度，实现构件的化学成分从丝材A9到丝材B10的平滑过渡。
具体地，功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法步骤如下：
1、焊前先对基板喷砂打磨，然后用酒精清洗；
2、使用夹具把基板固定在工作台上，将金属丝材放入送丝机内；
3、开启六轴机器人、工控机、高速摄影仪；
4、打开气瓶，开启焊机，开启送丝机，六轴机器人夹持双丝焊枪逐道扫描，每层扫描完成之后更换一次工艺参数，实现构件的化学成分平滑过渡；
5、关闭送丝机、焊机、气瓶；
6、关闭六轴机器人、工控机、高速摄影仪；
7、待构件冷却之后卸掉夹具，对焊缝表面做喷砂打磨处理。
优选地，六轴机器人1的第六轴移动速度范围为0.2～8.0m/min，焊机A4和焊机B5的输出电流为20～400A，送丝机A8和送丝机B6的送丝速度范围为0.2～8.0m/min，气瓶16的输出气体流量范围为15～40L/min。
具体地，增材制造前先对基板3喷砂打磨，然后用酒精清洗，使用夹具把基板3固定在工作台2上；开启六轴机器人1、工控机13、高速摄影仪11，然后打开气瓶16，开启焊机A4和焊机B5，开启送丝机A8和送丝机B6，六轴机器人1夹持双丝焊枪14逐道扫描，每层扫描完成之后更换一次工艺参数，实现构件的化学成分平滑过渡。扫描完成之后，依次关闭送丝机、焊机、气瓶。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，包括由六轴机器人(1)、工作台(2)、基板(3)、焊机A(4)、焊机B(5)、送丝机B(6)、数字信号处理器(7)、送丝机A(8)、丝材A(9)、丝材B(10)、高速摄影仪(11)、显示器(12)、工控机(13)、双丝焊枪(14)、导气管(15)、气瓶(16)组成，所述方法采用双丝双电弧增材制造工艺制备功能梯度材料。
2.如权利要求1所述的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，焊机A(4)和焊机B(5)的尺寸和额定功率完全相同，焊机A(4)和焊机B(5)通过数字信号处理器(7)实现协同控制；焊机A(4)和焊机B(5)均可以输出脉冲电流，实际增材制造过程中焊机A(4)和焊机B(5)的输出电流波形是相互独立的。
3.如权利要求1所述的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，送丝机A(8)和送丝机B(6)的尺寸和最大送丝速度完全相同，送丝机A(8)和送丝机B(6)均可以兼容1.0mm、1.2mm、1.6mm直径的丝材，送丝机A(8)和送丝机B(6)的送丝速度可以实时调节，实际增材制造过程中送丝机A(8)和送丝机B(6)的送丝速度是相互独立的。
4.如权利要求1所述的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，丝材A(9)和丝材B(10)均为金属丝材，丝材A(9)和丝材B(10)的直径完全相同，丝材A(9)和丝材B(10)的直径可以是1.0mm、1.2mm、1.6mm；丝材A(9)和丝材B(10)的化学成分不同，丝材A(9)和丝材B(10)的材质可以是不锈钢、钛合金、镍基合金。
5.如权利要求1所述的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，气瓶(16)的流量可以调节，气瓶(16)的气体可以是氩气后者氦气，气瓶(16)通过导气管(15)把保护气送入双丝焊枪(14)；丝材A(9)和丝材B(10)接在一个双丝焊枪(14)上面，双丝焊枪(14)装在六轴机器人(1)的第六轴上面。
6.如权利要求1所述的功能梯度材料双丝双电弧增材制造系统，其特征在于，工控机(13)、高速摄影仪(11)和显示器(12)组成在线监控系统；制造过程中高速摄影仪(12)可以拍摄金属熔滴过渡过程，并且把图像实时传递到工控机(10)，最后在显示器(9)上面显示。
7.一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法，其特征在于，通过不断调整两种金属丝材的送丝速度来逐渐地调控熔池内部液态金属的化学成分，从而实现功能梯度材料制备；在沉积第一层时，焊机A(4)的输出电流和送丝机A(8)的送丝速度较大，焊机B(5)的输出电流和送机B(6)的送丝速度较小，因此该层的化学成分与丝材A(9)接近；在沉积最后一层时，焊机A(4)的输出电流和送丝机A(8)的送丝速度较小，焊机B(5)的输出电流和送机B(6)的送丝速度较大，因此该层的化学成分与丝材B(10)接近；通过逐渐改变焊接电流和送丝速度，实现构件化学成分从丝材A(9)到丝材B(10)平滑过渡。
8.一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法，其特征在于，先对基板(3)喷砂打磨，然后用酒精清洗，使用夹具把基板(3)固定在工作台(2)上；开启六轴机器人(1)、工控机(13)、高速摄影仪(11)，然后打开气瓶(16)，开启焊机A(4)和焊机B(5)，开启送丝机A(8)和送丝机B(6)；六轴机器人(1)夹持双丝焊枪(14)逐道扫描，每层扫描完成之后更换一次工艺参数，实现构件的化学成分平滑过渡；扫描完成之后，依次关闭送丝机、焊机、气瓶。
9.一种功能梯度材料双丝双电弧增材制造方法，其特征在于，六轴机器人(1)的第六轴移动速度范围为0.2～8.0m/min，焊机A(4)和焊机B(5)的输出电流为20～400A，送丝机A(8)和送丝机B(6)的送丝速度范围为0.2～8.0m/min，气瓶(16)的输出气体流量范围为15～40L/min。
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