CN112139635A - 钨极可调的双向填丝gtaw拘束电弧增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法，旨在解决现有技术中存在的增材成形质量差、填丝效率低、焊炬灵活性差且熔化速度低的技术问题。一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，包括焊炬、强制循环冷源、保护气体、伸缩机构、钨极、电源、基板以及两个送丝机；焊炬外设有冷却层，冷却层与焊炬外壁之间形成冷却腔；强制循环冷源的输入端和输出端分别与冷却腔上端两侧连通；保护气体与焊炬内部连通；伸缩机构安装于焊炬内，其工作端连接钨极；钨极设置于焊炬内并回缩于喷嘴内；两个送丝机分别设置于冷却层外部两侧；焊炬的喷嘴两侧对称设置导丝嘴；电源一端连接钨极，另一端连接基板。

Description

钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法

技术领域

本发明涉及GTAW拘束电弧增材装置，具体涉及一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法。

背景技术

增材制造是利用离散-堆积思想进行零件加工的新方法，与传统的减材或增材加工方式相比，具有材料利用率高、可加工零件复杂、制造成本低等特点，是一种具有显著优势的新型加工制造技术。

目前增材制造多采用激光和电子束作为加工热源，成形精度很高，但逐层熔化金属粉末的方式使其成形效率较低，而电子束增材对加工环境有真空的要求，难以适用于大型金属构件的加工制造。然而，利用电弧作为热源熔化焊丝进行增材制造，可有效改善成形效率低下的问题，非常适用于大型结构件的增材加工。

在电弧热源中，钨极氩弧焊(GTAW)一直是高品质的代名词，以其作为增材热源能够获得良好的成形质量与精度。然而，囿于钨极的载流能力，GTAW的熔丝效率较低，而且传统的旁轴填丝方式要求焊丝与焊炬之间保持较大的角度，导致焊炬运动的灵活性受制，对大型复杂金属构件的增材加工会产生不利影响。另外，利用GTAW热源进行增材制造的过程中，往往会出现热量持续积累导致的基板和成形件热变形，引起电弧电压发生变化，改变成形件的热量输入，进而导致堆覆稀释率改变，最终影响到增材构件的成形精度和性能。

目前，关于改善GTAW焊接效率的技术比较典型的有双钨极GTAW，小孔GTAW等。中国专利(CN202010294516.7)提出了一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，采用高速双钨极GTAW焊接薄板不锈钢，可有效避免焊缝驼峰缺陷，然该技术主要针对自熔GTAW，没有涉及填丝堆覆的问题。中国专利(CN201610103536.5)提出了一种阴极强制冷却与磁控压缩联合作用式小孔GTAW装置，该技术旨在解决厚板一次深熔焊接的问题，更多地关注如何提高GTAW的焊接熔深，不适用于对金属堆覆量要求更高的增材制造。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的增材成形质量差、填丝效率低、焊炬灵活性差且熔化速度低的技术问题，而提供一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特殊之处在于：包括焊炬、强制循环冷源、保护气体、伸缩机构、钨极、电源、基板以及两个送丝机；

所述焊炬外设有冷却层，冷却层与焊炬外壁之间形成冷却腔；

所述强制循环冷源的输入端和输出端分别与冷却腔上端两侧连通；

所述保护气体与焊炬内部连通；

所述伸缩机构安装于焊炬内，其工作端连接钨极，用于驱动钨极伸缩；

所述钨极设置于焊炬内，其下端指向焊炬的喷嘴处，并回缩于喷嘴内，回缩深度为1-6mm；

两个所述送丝机分别设置于冷却层外部两侧；

所述焊炬的喷嘴两侧对称设置导丝嘴，导丝嘴紧贴喷嘴两侧冷却层外壁固定设置；

所述电源一端连接钨极，另一端连接基板。

进一步地，所述伸缩机构包括伺服电机、螺母、钨极夹以及支架；

所述伺服电机安装于焊炬内部；

所述螺母上端连接于伺服电机的输出端，下端与圆筒状钨极夹的上端外壁螺纹连接；

所述钨极夹的下端安装在支架上，钨极夹内部安装钨极；

所述焊炬内壁设有至少两个滑槽，所述滑槽沿焊炬轴向设置；

所述支架两侧设置于滑槽内，且与其间隙配合。

进一步地，还包括连接于电源两端的电弧能量监控系统，用于传感和采集增材过程中的能量变化。

进一步地，还包括钨极伸缩控制系统，其一端连接伺服电机，另一端连接电弧能量监控系统，用于接收电弧能量监控系统的指令并控制伺服电机。

进一步地，所述喷嘴和导丝嘴的下端面均为平面且导丝嘴下端面与喷嘴下端齐平。

进一步地，所述钨极直径为1.6-8mm，喷嘴内口直径为2-3mm。

进一步地，所述保护气体采用氩气或氦气，流速为10-20L/min；所述滑槽内涂覆耐高温润滑油。

进一步地，所述导丝嘴的导丝方向与焊炬的轴线夹角为20°。

本发明还提供了一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、采用化学清理或机械清理的方式清理基板表面，直至露出金属光泽；

步骤2、通过填入焊丝在清理后的基板表面进行增材堆覆实验，构建电弧能量与钨极伸缩程度的数学关系模型；

步骤3、将实验堆覆的材料去除；

步骤4、向去除后的基板表面进行增材堆覆，通过电弧能量监测系统实时测量电弧能量的变化量ΔE，并将变化量ΔE与电弧能量监测系统内设置的的变化阈值E_threshold进行比较；

步骤5、若|ΔE|＞E_threshold，则向钨极伸缩控制系统发出指令，钨极伸缩控制系统根据步骤1建立的数学关系模型控制钨极伸出或回缩尺寸后，继续堆覆直至完成增材；

若|ΔE|≤E_threshold，则持续堆覆直至完成增材。

进一步地，步骤4中每层堆覆完成后，根据焊丝材料的不同选用自然冷却或强制冷却的方式控制层间温度。

本发明的有益效果是：

(1)增材成形质量良好。

在所有电弧增材方法中，GTAW增材属于品质较高的一种，本发明提出的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法是一种基于传统GTAW增材的高效化改进，保持了GTAW高质量的一贯优势。

(2)电弧能量密度提升。

通过强制液体冷却、气体冷却以及机械压缩三重效应的协同作用，显著缩小电弧直径，获得了高拘束电弧，电弧能量密度提高，大幅提升了GTAW热源的堆覆能力。

(3)能量控制效果良好。

当电弧能量由于增材件热变形而发生波动时，钨极伸缩控制系统可根据电弧能量-钨极伸缩的数学关系模型对钨极伸缩尺寸进行实时调节，直至达到能量预设值，确保稳定的堆覆稀释率和成形质量。

(4)焊炬的灵活性提高。

本发明将导丝嘴紧贴焊炬喷嘴两侧边缘固定，并将焊丝与钨极的夹角缩减至20°。相比传统GTAW增材中焊丝与钨极夹角较大的填丝方式，减小了焊炬进行空间移动时与成形件的相互干涉，提高了焊炬运动的灵活性。

(5)焊丝熔化速度增加。

与传统GTAW增材相比，本发明将焊丝直接填入电弧中热量最高的弧柱部位，大大增加了焊丝熔化速度，且有效避免了增材成形件变形导致的“顶丝”或“粘丝”现象。

(6)填丝效率大幅提高。

通过增加一路填丝构成双向填丝模式，极大提高了堆覆效率。同时，两路填丝采用对称设置可有效避免焊丝同侧填入时相互干扰。

附图说明

图1是本发明一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置实施例的结构示意图；

图2为一种筒形金属增材薄壁结构件示意图。

图3为一种波浪形金属增材薄壁结构件示意图。

附图说明：

1-电弧能量监控系统，2-钨极伸缩控制系统，3-电源，4-强制循环冷源，5-钨极，6-导丝嘴，7-支架，8-钨极夹，9-螺母，10-送丝机，11-焊炬，111-滑槽，12-伺服电机，13-保护气体，14-送丝机，15-导丝嘴，16-喷嘴，17-基板。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

本发明一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，如图1所示，包括电弧能量监控系统1、钨极伸缩控制系统2、焊炬11、强制循环冷源4、保护气体13、伸缩机构、钨极5、电源3、基板17以及两个送丝机10/14；

焊炬11外设有冷却层，冷却层与焊炬11外壁之间形成冷却腔；该冷却层包裹焊炬整体，以确保冷却流体可直达焊炬11的喷嘴16部位，利用喷嘴16部位强制冷却的方式实现增材电弧直径的一重压缩；冷却腔上端设有入水口和出水口；强制循环冷源4的输入端和输出端分别连接冷却腔上端的入水口和出水口；保护气体13连接焊炬11的进气口，穿过喷嘴16部位的高速气流对电弧直径产生二重压缩；保护气体采用氩气或氦气，流速为10-20L/min。

钨极5设置于焊炬11内，其下端指向焊炬11的喷嘴16处，并回缩于喷嘴16内，回缩深度为1-6mm；钨极直径为1.6-8mm，喷嘴内口直径为2-3mm；两个送丝机10/14分别设置于冷却层外部两侧；其所送焊丝可为同质焊丝或异质焊丝，实现同种材料或梯度材料增材。冷却层外壁两侧对称设置导丝嘴6/15；导丝嘴6/15的导丝方向与焊炬11的轴线夹角为20°；喷嘴16和导丝嘴6/15的下端面均为平面,且导丝嘴6/15下端面与喷嘴16下端齐平,细小的喷嘴口径对电弧产生机械压缩作用，形成第三重压缩；

电源3一端连接钨极5，另一端连接基板17。

电弧能量监控系统1连接于电源3两端；用于传感和采集增材过程中电弧的能量变化；钨极伸缩控制系统2连接电弧能量监控系统1和伸缩机构中的伺服电机12。

伸缩机构包括伺服电机12、螺母9、钨极夹8以及支架7；伺服电机12安装于焊炬11内；螺母9上端连接于伺服电机12的输出端，下端与圆筒状钨极夹8的上端外壁螺纹连接；圆筒状的钨极夹8外壁上加工与螺母相适配的外螺纹，与螺母9形成滚珠丝杠副，钨极夹8的下端安装在支架7上，钨极夹8内部安装钨极5；焊炬11内壁设有两个滑槽111，滑槽111沿焊炬轴向设置；所述支架7两侧设置于滑槽111内，且与其间隙配合；滑槽111内需涂覆耐高温润滑油，以确保支架7与滑槽111之间可顺畅滑动。伺服电机12驱动螺母9旋转，带动钨极夹8(相当于丝杠)和钨极5做直线伸缩运动，支架7中部与钨极夹8固定连接，外侧端置入焊炬11内壁的滑槽111内，使得支架7可在滑槽111内跟随钨极5的伸缩进行滑动，通过该装置实现电弧能量变化对钨极伸缩程度的随动调节。

在中空焊炬(包含喷嘴部分)中通入循环冷却流体，并将钨极回缩于焊炬喷嘴之内，钨极与基板之间产生的电弧自然受到充满循环流体的喷嘴的强制冷却压缩，配合适当流速的氩气，使电弧的直径大幅缩小，获得高拘束GTAW电弧，大幅提升电弧的能量密度。此外，沿着喷嘴轮廓外边缘固定双向对称的导丝嘴，大幅减小了焊丝与钨极之间角度，同时提高了堆覆效率和焊炬移动的灵活性。考虑到拘束电弧的能量密度提高，熔丝效率进一步提升，综合堆覆效率可达到原来的4-8倍。另一方面，在GTAW电弧增材过程中极易出现由于构件热变形导致的电弧能量变化，若不加控制容易造成焊丝熔化不良或母材熔化过多等问题，降低焊缝成形精度和质量。

本发明中引入电弧能量监控系统，监控电弧能量变化特征，建立电弧能量与钨极伸缩程度之间的数学关系模型，当电弧能量变化超过所设定的阈值时驱动伺服电机进行钨极伸缩尺寸的调控。

增材电流的为恒定电流、脉冲电流或交变电流，增材工艺参数为，恒定电流焊：堆覆电流为80-300A，堆覆速度为30-60cm/min，填丝速度为1.5-5m/min；脉冲电流焊：峰值电流为100-400A，基值电流为50-100A，频率为1-10Hz，占空比为20-80％，堆覆速度为30-60cm/min，填丝速度为1.5-5m/min；交变电流焊：堆覆电流为80-300A，堆覆速度为30-60cm/min，填丝速度为1.5-5m/min。采用的钨极直径为1.6-8mm，喷嘴下沿与基板的距离为3-6mm。

采用上述的钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置进行增材的方法包括以下步骤：

步骤1、采用化学清理(如有机溶剂丙酮清理)或机械清理的方式清理基板表面，直至露出金属光泽；

步骤2、通过填入焊丝进行增材堆覆实验，采用综合理论计算与实验分析结果构建电弧能量与钨极伸缩程度的数学关系模型；

步骤3、将实验堆覆的材料去除；

步骤4、向去除后的基板表面进行增材堆覆，通过电弧能量监测系统实时显示电弧能量变化曲线，由于成形件表面遭受持续的热积累产生堆覆变形，导致电弧形态和电弧电压发生改变，进一步造成电弧能量变化，电弧能量监测系统可实时测量电弧能量的变化量ΔE，并将变化量ΔE与电弧能量监测系统内设置的的变化阈值E_threshold进行比较；

步骤5、若|ΔE|＞E_threshold，则向钨极伸缩控制系统发出指令，钨极伸缩控制系统根据步骤1建立的数学关系模型控制钨极伸出或回缩尺寸后，继续堆覆直至完成增材；若|ΔE|≤E_threshold，则持续堆覆直至完成增材。每层堆覆完成后，根据焊丝材料的不同选用自然冷却或强制冷却的方式控制层间温度。

本发明提出的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法，采用循环流体、高速气流与机械压缩方式获得高拘束GTAW电弧，具体是指在GTAW焊炬中引入通体强制循环冷源，配合高速流动的气体压缩电弧，并将钨极回缩至喷嘴之内以机械压缩的方式进一步获得高拘束度的GTAW电弧，大大缩减了电弧直径，提高了能量密度。同时，采用电弧能量监测系统获取电弧能量的实时变化曲线，根据增材过程中检测到的电弧能量数据对钨极伸缩程度进行自适应调节，实现增材热输入的间接控制。另外，在传统GTAW采用单向填丝的基础上增加一路填丝，实现双向对称填丝，进一步提高GTAW电弧的堆覆效率。本发明保持了传统GTAW的高质量优势，弥补了其堆覆效率低的不足，本技术可用于厚板的多层多道焊、构件表面堆焊以及补焊修复等，尤其在电弧增材制造领域具有独到的优势，可大幅提高金属增材制造件的成形精度和质量。

下面采用传统的增材设备以及本发明的增材设备及方法进行增材并对比：

实验一：

采用传统GTAW增材制造如图2的薄壁结构件，材质为304不锈钢。不锈钢基板规格为300×300×20mm，筒体外径为100mm，壁厚为8mm，高度为300mm。

首先采用有机溶剂丙酮清理不锈钢基板表面油污，再采用角磨机打磨不锈钢基板表面，直至露出金属光泽，选择ER304焊丝进行增材，采用机器人等运动机构进行逐层堆覆，控制层间温度在150℃以下，直至完成整个成形件的制造。

典型堆覆参数为：堆覆电流为恒定直流，电流大小为180A，堆覆速度为20cm/min，填丝速度为1.5m/min，钨极直径为3.2mm，喷嘴下沿与基板的距离为4mm。

结果显示，采用传统GTAW增材成形过程中出现了由于堆覆层热变形导致母材熔化过多的现象，其堆覆效率约为120g/h。

实验二：

采用本发明的GTAW拘束电弧增材装置及方法加工如图2所示的波浪形金属增材薄壁结构件，材质为304不锈钢。增材基板规格为300×300×20mm，筒体外径为100mm，壁厚为8mm，高度为300mm。

首先采用有机溶剂丙酮清理不锈钢基板表面油污，再采用角磨机打磨不锈钢基板表面，直至露出金属光泽，选择ER304焊丝进行增材，采用机器人等运动机构进行逐层堆覆，控制层间温度在150℃以下，直至完成整个成形件的制造。

堆覆参数为：堆覆电流为恒定直流，电流大小为240A，堆覆速度为40cm/min，双向填丝速度均为3m/min，钨极直径为5mm，喷嘴下沿与基板的距离为4mm，钨极回缩深度为3mm。

结果显示，采用本发明的钨极伸缩自适应调控的双向对称填丝GTAW拘束电弧增材方法，增材成形一致性良好，堆覆效率可达到约500g/h，为传统GTAW增材的4倍以上。

实验三：

采用本发明的GTAW拘束电弧增材装置及方法加工如图3所示的波浪形直壁体结构，材质为5083铝合金。铝合金基板规格为300×300×20mm，直壁体壁厚为8mm，高度为300mm。

首先采用有机溶剂丙酮清理铝合金基板表面油污，再采用不锈钢丝刷打磨基板表面，直至露出金属光泽，选择ER5183铝合金焊丝进行增材，采用机器人等运动机构进行逐层堆覆，控制层间温度不超过80℃，直至完成整个成形件的制造。

堆覆参数为：堆覆电流为交变电流，电流大小为270A，频率为60Hz，波形为正弦波，堆覆速度为40cm/min，双向填丝速度均为3.5m/min，钨极直径为6mm，喷嘴下沿与基板的距离为4mm，钨极回缩深度为4mm。

结果显示，采用本发明的钨极伸缩自适应调控的双向对称填丝GTAW拘束电弧增材方法，增材成形一致性良好，堆覆效率可达到约560g/h，为传统GTAW增材的近5倍。

以上三个实验表明，本发明的钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置及方法具有提高电弧能量密度、提升填丝速率、自动调节电弧能量等显著优势，扩展了GTAW的应用范围，在电弧增材制造领域具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：包括焊炬(11)、强制循环冷源(4)、保护气体(13)、伸缩机构、钨极(5)、电源(3)、基板(17)以及两个送丝机(10、14)；

所述焊炬(11)外设有冷却层，冷却层与焊炬(11)外壁之间形成冷却腔；

所述强制循环冷源(4)的输入端和输出端分别与冷却腔上端两侧连通；

所述保护气体(13)与焊炬(11)内部连通；

所述伸缩机构安装于焊炬(11)内，其工作端连接钨极(5)，用于驱动钨极(5)伸缩；

所述钨极(5)设置于焊炬(11)内，其下端指向焊炬(11)的喷嘴(16)处，并回缩于喷嘴(16)内，回缩深度为1-6mm；

两个所述送丝机(10、14)分别设置于冷却层外部两侧；

所述焊炬(11)的喷嘴(16)两侧对称设置导丝嘴(6、15)，导丝嘴(6、15)紧贴喷嘴(16)两侧冷却层外壁固定设置；

所述电源(3)一端连接钨极(5)，另一端连接基板(17)。

2.根据权利要求1所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：所述伸缩机构包括伺服电机(12)、螺母(9)、钨极夹(8)以及支架(7)；

所述伺服电机(12)安装于焊炬(11)内部；

所述螺母(9)上端连接于伺服电机(12)的输出端，下端与圆筒状钨极夹(8)的上端外壁螺纹连接；

所述钨极夹(8)的下端安装在支架(7)上，钨极夹(8)内部安装钨(5)极；

所述焊炬(11)内壁设有至少两个滑槽(111)，所述滑槽(111)沿焊炬轴向设置；

所述支架(7)两侧设置于滑槽(111)内，且与其间隙配合。

3.根据权利要求2所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：还包括连接于电源(3)两端的电弧能量监控系统(1)，用于传感和采集增材过程中的能量变化。

4.根据权利要求3所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：还包括钨极伸缩控制系统(2)，其一端连接伺服电机(12)，另一端连接电弧能量监控系统(1)，用于接收电弧能量监控系统的指令并控制伺服电机(12)。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：所述喷嘴(16)和导丝嘴(6、15)的下端面均为平面，且导丝嘴(6、15)下端面与喷嘴(16)下端齐平。

6.根据权利要求5所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：所述钨极(5)直径为1.6-8mm，喷嘴(16)内口直径为2-3mm。

7.根据权利要求6所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：所述保护气体(13)采用氩气或氦气，流速为10-20L/min；所述滑槽(111)内涂覆耐高温润滑油。

8.根据权利要求2所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材装置，其特征在于：所述导丝嘴(6、15)的导丝方向与焊炬(11)的轴线夹角为20°。

9.一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用化学清理或机械清理的方式清理基板表面，直至露出金属光泽；

步骤2、通过填入焊丝在清理后的基板表面进行增材堆覆实验，构建电弧能量与钨极伸缩程度的数学关系模型；

步骤3、将实验堆覆的材料去除；

步骤4、向去除后的基板表面进行增材堆覆，通过电弧能量监测系统实时测量电弧能量的变化量ΔE，并将变化量ΔE与电弧能量监测系统内设置的的变化阈值E_threshold进行比较；

步骤5、若|ΔE|＞E_threshold，则向钨极伸缩控制系统发出指令，钨极伸缩控制系统根据步骤1建立的数学关系模型控制钨极伸出或回缩尺寸后，继续堆覆直至完成增材；

若|ΔE|≤E_threshold，则持续堆覆直至完成增材。

10.根据权利要求9所述的一种钨极可调的双向填丝GTAW拘束电弧增材方法，其特征在于：

步骤4中每层堆覆完成后，根据焊丝材料的不同选用自然冷却或强制冷却的方式控制层间温度。

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