CN112743195B - 一种电弧增材制造装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电弧熔丝增材技术领域，更具体地，涉及一种电弧增材制造装置及控制方法，包括用于将若干沉积层生成待加工工件的电弧增材焊接设备以及用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置，所述保护气体装置与电弧增材焊接设备连接。本发明通过实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置的设置，可在不改变任何焊接工艺的情况下，仅通过对调节保护气体的混合比例就实现了电弧增材焊接设备的热输出量调节，避免了为了减少热输出量或待加工工件的沉积层热输入量而改变工艺，避免了由于改变工艺导致待加工工件的外形和壁厚的变化，降低废品率，且提高生产效率，大大降低了生产成本。

Description

一种电弧增材制造装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材技术领域，更具体地，涉及一种电弧增材制造装置及控制方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期，尤其适于低成本小批量产品制造，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著，在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，能够显著缩短研发周期和研发成本。

金属增材制造技术按热源类型可分为3类：激光、电子束和电弧。其中电弧增材制造技术(Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM)以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工，相比激光、电子束增材制造，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。

WAAM是一个数字化连续堆焊成形过程，其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。因为GMAW(gas metal arc welding,即熔化极气体保护焊)焊接电源特别是高端脉冲电源具有熔滴过渡方式可控，送丝、焊枪和行走机构同轴，具备送丝和自动化装置通讯接口等优势，已经成为WAAM系统热源的主要选择。机器人具有速度快、位置重复精度高、运动稳定性好等优点，在成型高精度复杂零件方面具有较大优势。

其中，WAAM中，电弧是唯一热源也是熔滴过渡过程中重要的驱动力。现有增材制造方法，在产品生长的过程中，为了产品壁厚的一致性，通常采用恒定电弧工艺并且运行在稳定的行走速度之下，其中电弧工艺包括电压、电流、脉冲波形、送丝速度和干伸长度等。而这种常用的方法会造成在增材制造的起始阶段产品本体温度较低，而随后在电弧加热作用之下其温度会逐渐提高。而恒定不变的电弧工艺会造成在加工的中后段热输入量过大，从而产生合金元素烧损、热裂纹甚至再次熔化造成产品变形或者坍塌。

现有的调节技术通常使用降低电弧输出或改变波形等方法降低电弧总的热输入量，或者提高行走速度降低单位长度的热输入量，以改善工件层间温度提高的问题。各种工艺也比较多，如中国专利公开号为CN110977172A的一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法，还有CN106312273A的一种用于电弧熔丝增材制造的气氛保护装置等等。但是任何工艺上的调整都会造成产品外形和壁厚的变化，容易形成废品。

发明内容

本发明提供一种电弧增材制造装置及控制方法。本发明在不改变任何焊接工艺的情况下，避免了为了减少热输出量或待加工工件的热输入量而改变工艺，避免了由于改变了工艺而导致待加工工件的外形和壁厚的变化，降低废品率，且提高生产效率，降低生产成本。

在本技术方案中，提供了一种电弧增材制造装置，包括用于将若干沉积层生成待加工工件的电弧增材焊接设备以及用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置，所述保护气体装置与电弧增材焊接设备连接。

本发明通过用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置的设置，可在不改变任何焊接工艺的情况下，仅通过对调节保护气体的混合比例就实现了电弧增材焊接设备的热输出量调节，避免了为了减少热输出量或待加工工件的沉积层热输入量改变工艺的情况出现，从而避免了由于改变工艺导致待加工工件的外形和壁厚的变化，由此降低了废品率，提高了生产效率和合格率，大大降低了生产成本。需要说明的是，一般情况下都是用使用惰性气作为保护气和等离子气体。

优选地，所述保护气体装置包括He气存储模块、Ar气存储模块、用于将He气和Ar气混合的可控智能混配器，所述He气存储模块、Ar气存储模块均通过气管与可控智能混配器连接，所述可控智能混配器通过气管与电弧增材焊接设备连接。通过所述He气存储模块、Ar气存储模块均通过气管与可控智能混配器连接，所述可控智能混配器通过气管与电弧增材焊接设备连接的设置，He气存储模块、Ar气存储模块将存储的He气和Ar气通过气管输送至可控智能混配器中进行混合，通过可控智能混配器对He气和Ar气的混合的比例进行实时调节，输出调整后的He气和Ar气的混合气体至电弧增材焊接设备中，来实时调节堆积生成的待加工工件的沉积层之间的输入热量，避免由于温度过高导致合金元素烧损、热裂纹甚至再次熔化造成产品变形或者坍塌的情况出现。需要说明的是，保护气体装置选用He气和Ar气是优选，其他能够实现此功能也是可行的，He的电离能为24.6eV，而Ar的电离能为15.8eV。因此使用Ar-He混合气作为保护气的时候，含有更高的He会大幅提高电弧电压U2。而电弧输入热量为PW＝U2*I2，U2的变化会使热量随之变化，即提高He的含量会使热输入量增加，反之则减少。因为He本身导热率和传热系数都比Ar高出很多，更高的热量也会更快的加热母材。且所述可控智能混配器通过气管与电弧增材焊接设备连接的设置是优选，只要可控智能混配器输出的混合保护气体能够全面覆盖电弧增材焊接设备的焊接区域即可。

优选地，所述电弧增材焊接设备设有提供加热焊接气体的焊接头、高度或角度可调的智能机械主体、用于给焊接头送丝的送丝机、用于存储混合保护气体的存储模块以及第一控制器，所述焊接头均安装于智能机械主体上，所述第一控制器与智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头均电连接。这样设置是为了通过高度或角度可调的智能机械主体的高度或角度的调整实现焊接头的位置调整，从而更好地焊接堆积待加工工件。所述第一控制器与智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头均电连接的设置是为了可根据需要对智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头的进行调节，提高智能化。。

优选地，所述装置还设有用于在其上将若干沉积层形成待加工工件的基板，所述基板设于智能机械主体邻近位置处且与焊接头的焊接气体出口相对。这样设置是为了提供焊接待加工工件的基础。基板的设置是优选，一般情况下，通过电弧增材焊接设备在基板的基础上进行堆积焊接待加工的工件。当然有的时候也可以不设置基板，这里不做具体的限定，可根据需要选择。优选地，所述存储模块设有出气口，所述出气口靠近焊接头的焊接气体出口位置处。存储模块可对从可控智能混配器输出的混合保护气体进行暂存，当焊接头在工作的过程中，通过存储模块的出气口持续的输出混合后的保护气体。所述出气口靠近焊接头的焊接气体出口位置处的设置是便于快速地对待加工工件的热输入量进行调节，避免出现过热的情况，减少温度过高导致合金元素烧损、热裂纹甚至再次熔化造成产品变形或者坍塌的情况出现，提高调节温度的效果和效率。当然这种位置设定是优选，并不是限制性的规定，其他的能够实现此效果的位置设定也是可行的。

优选地，所述装置还设有与可控智能混配器电连接的若干传感器，若干传感器包括感应若干沉积层的层间温度的第一红外温度传感器、用于感应焊接的若干沉积层焊缝宽度的焊缝宽度传感器以及用于感应焊接后温度的第二红外温度传感器，所述第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器均安装于焊接头临近位置处。需要说明的是，焊缝宽度是指焊接每一层沉积层的宽度简称为焊缝宽度。这样设置是为了通过第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器的设定，能够全面地对各个影响成品率的因素进行实时检测，并将感应检测的数据传输给可控智能混配器，可控智能混配器实时调节He气和Ar气的混合比例，并将调节后的混合保护气体输送给存储模块，实时输出所需比例的混合保护气。一般情况下，为了提高感应检测的准确度可将第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器均安装于焊接头临近位置处，这只是优选，并不是限制性的规定。优选地，第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器通过传感器固定支架固定于焊接头上，当然固定的方式可根据需要选择，选择固定连接一体成型的连接方式或可拆卸的连接方式，这些不做具体的规定，可根据需要进行选择。

优选地，所述可控智能混配器设有第二控制器和混合模块，所述第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器、混合模块均与第二控制器电连接。这样设置是为了通过第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器传输回来的检测信号给第二控制器，第二控制器根据信号或数据进行分析设定出混合模块中的He气和Ar气的混合比例，从而对混合模块进行智能调节，提高其智能化和调节的精确性。当然这里面的第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器的设置只是优选，还可以选定其他数据参考，以便准确地判定焊接的待加工工件若干沉积层的变化情况。比如在焊接头邻近位置处设置与第二控制器电连接的摄像装置，通过拍摄图片并将相应的图片信息发送给第二控制器，第二控制器除了若干传感器感应的温度同时结合若干沉积层表面的图像变化，可准确快速地对混合模块中的混合保护气的混合比例进行调节。当然需要说明的是，优选地，若干传感器与摄像装置不仅要和第二控制器进行电连接，同时也要与第一控制器进行电连接，这样不仅通过调节混合保护气的混合比例，还可通过改变智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头中的焊接参数从而更好地调节若干沉积层间的输入热量。优选地，可控智能混配器为电子混配器，当然这只是优选，并不是限制性的规定。

优选地，所述混合模块包括第一支路、第二支路、混合器主体、缓冲器、第一流量阀，所述第一支路、第二支路一端均与混合器主体、缓冲器、第一流量阀通过气管顺次连接，所述第一支路、第二支路另一端分别与He气存储模块、Ar气存储模块通过气管连接；所述第一支路、第二支路均包括顺次连接的减压阀、电控流量阀，所述第二控制器与电控流量阀电连接。需要说明的是，第二控制器控制整个混合模块的各个阀体，并不是单独只控制电控流量阀。另外，这只是提供一种能够对He气和Ar气的混合比例实时调节的混合模块结构，这里只是优选，并不是限制性的规定，其他的混合结构也是可行的。优选地，He气存储模块与第一支路、Ar气存储模块与第二支路连接，且He气存储模块与第一支路、Ar气存储模块与第二支路连接之间均设有用于限制输入速度或防止逆流的单向阀，当然可以设置电动的减压阀。所述第一支路、第二支路设置的减压阀是二级减压阀，当然这也只是优选。

本发明还提供一种根据上述的电弧增材制造装置的控制方法，步骤如下：

(1)进行参数初始设定，通过第一控制器和第二控制器根据待加工工件的几何形状进行堆积路径和工艺参数进行设定，参数包括智能机械主体的高度或角度、送丝机的送丝速度、焊接头的焊接速度、存储模块的输出保护气体的速度以及混合模块输出He气和Ar气的混合比例；

(2)启动电弧增材焊接设备、保护气体装置；焊接头在基板上进行堆积形成若干沉积层，同时存储模块连续输出保护气体且覆盖整个焊接头输出电弧的整个区域；

(3)第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器对若干沉积层间的温度进行测定，并将相应的数据传送给第二控制器，第二控制器根据相应的数据实时调节可控智能混配器中的混合模块输出He气和Ar气的混合比例，对若干沉积层间的热输入量进行调节；

(4)沉积层焊接完成待加工工件的加工，关闭电弧增材焊接设备、保护气体装置。

本发明的电弧增材制造装置的控制方法，通过第一控制器和第二控制器根据待加工工件的几何形状进行堆积路径和工艺参数进行设定，可将所需焊接堆积的待加工工件的参数准确设定；然后在焊接头在基板上堆积形成若干沉积层的过程中，存储模块连续输出混合比例可变的保护混合气体，对若干沉积层间的温度进行调节；设有若干传感器可准确快速的反应焊接的若干沉积层的温度并将信息输送给第二控制器，通过第二控制器实时调节混合保护其他的比例；从而提供了一种有效快速地电弧增材制造装置的控制方法，可保证在不改变任何焊接工艺的情况下，仅通过对调节保护气体的混合比例就实现了电弧增材焊接设备的热输出量，避免了为了减少热输出量或待加工工件的热输入量改变工艺的情况出现，提高成品率。

优选地，在步骤(3)中，混合模块输出的He气和Ar气的混合比例，随着He气的占比增加，对若干沉积层间的热输入量也会增加；反之则减少。He的电离能为24.6eV，而Ar的电离能为15.8eV。因此使用Ar-He混合气作为保护气的时候，含有更高的He会大幅提高电弧电压U2。而电弧输入热量为PW＝U2*I2，U2的变化会使热量随之变化，即提高He的含量会使热输入量增加，反之则减少。另外，因为He本身导热率和传热系数都比Ar高出很多，更高的热量也会更快的加热母材。

优选地，在步骤(3)中，可控智能混配器将He气和Ar气经过单向阀进入两级或多级压力平衡装置,平衡其输入压差,使得混合前组分气体和稀释气体的压力相同,然后通过第二控制器调节电控流量阀,对He气和Ar气的混合比例进行调节。将Ar和He和其他需要混合的气体经过单向阀进入两级或多级压力平衡装置,平衡其输入压差,从而保证了混合前组分气体和稀释气体的压力绝对相同,然后调节电控流量阀,可将各种气体的流量依据希望达到的混气比例进行调定。本发明的电子流量控制器，在标定和校准之后精确控制各个阀体开度，从而控制流量以及各个组分气体的比例。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明通过用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置的设置，可在不改变任何焊接工艺的情况下，仅通过对调节保护气体的混合比例就实现了电弧增材焊接设备的热输出量调节，避免了为了减少热输出量或待加工工件的沉积层热输入量而改变工艺，避免了由于改变工艺导致待加工工件的外形和壁厚的变化，降低废品率，且提高生产效率，大大降低了生产成本。需要说明的是，一般情况下都是用使用惰性气作为保护气和等离子气体。电弧增材制造装置的控制方法，通过第一控制器和第二控制器根据待加工工件的几何形状进行堆积路径和工艺参数进行设定，可将所需焊接堆积的待加工工件的参数准确设定；然后在焊接头在基板上堆积形成若干沉积层的过程中，存储模块连续输出混合比例可变的保护混合气体，对若干沉积层间的温度进行调节；设有若干传感器可准确快速的反应焊接的若干沉积层的温度并将信息输送给第二控制器，通过第二控制器实时调节混合保护其他的比例；从而提供了一种有效快速地电弧增材制造装置的控制方法，可保证在不改变任何焊接工艺的情况下，仅通过对调节保护气体的混合比例就实现了电弧增材焊接设备的热输出量，避免了为了减少热输出量或待加工工件的热输入量改变工艺的情况出现，提高成品率。

附图说明

图1为本发明电弧增材制造装置焊接堆积待加工工件的结构示意图；

图2为图1的A-A剖面的放大示意图；

图3为本发明电弧增材制造装置在基板上焊接堆积待加工工件的结构示意图；

图4为本发明电弧增材制造装置的原理框图；

图5为第二控制器调节保护气体的混合比例的原理框图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例

如图1至图5为本发明一种电弧增材制造装置的实施例，包括用于将若干沉积层生成待加工工件的电弧增材焊接设备2以及用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备2的热输出量的保护气体装置3，保护气体装置3与电弧增材焊接设备2连接。

其中，保护气体装置3包括He气存储模块31、Ar气存储模块32、用于将He气和Ar气混合的可控智能混配器33，He气存储模块31、Ar气存储模块32均通过气管与可控智能混配器33连接，可控智能混配器33通过气管与电弧增材焊接设备2连接。通过所述He气存储模块、Ar气存储模块均通过气管与可控智能混配器连接，所述可控智能混配器通过气管与电弧增材焊接设备连接的设置，He气存储模块、Ar气存储模块将存储的He气和Ar气通过气管输送至可控智能混配器中进行混合，通过可控智能混配器对He气和Ar气的混合的比例进行实时调节，输出调整后的He气和Ar气的混合气体至电弧增材焊接设备中，来实时调节堆积生成的待加工工件的沉积层之间的输入热量，避免由于温度过高导致合金元素烧损、热裂纹甚至再次熔化造成产品变形或者坍塌的情况出现。需要说明的是，保护气体装置选用He气和Ar气是优选，其他能够实现此功能也是可行的，He的电离能为24.6eV，而Ar的电离能为15.8eV。因此使用Ar-He混合气作为保护气的时候，含有更高的He会大幅提高电弧电压U2。而电弧输入热量为PW＝U2*I2，U2的变化会使热量随之变化，即提高He的含量会使热输入量增加，反之则减少。因为He本身导热率和传热系数都比Ar高出很多，更高的热量也会更快的加热母材。且所述可控智能混配器通过气管与电弧增材焊接设备连接的设置是优选，只要可控智能混配器输出的混合保护气体能够全面覆盖电弧增材焊接设备的焊接区域即可。

另外，电弧增材焊接设备2设有提供加热焊接气体的焊接头21、高度或角度可调的智能机械主体22、用于给焊接头21送丝的送丝机23、用于存储混合保护气体的存储模块24以及第一控制器，焊接头21安装于智能机械主体22上，第一控制器与智能机械主体22、送丝机23、存储模块24、焊接头21均电连接。这样设置是为了通过高度或角度可调的智能机械主体的高度或角度的调整实现焊接头的位置调整，从而更好地焊接堆积待加工工件。所述第一控制器与智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头均电连接的设置是为了可根据需要对智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头的进行调节，提高智能化。本实施例中，送丝机23、存储模块24、焊接头21均与智能机械主体22连接集成成为整体，当然这只是一种优选的情况，并不做限制性的规定。另外需要说明的是，智能机械主体22包括底座、若干机械臂，若干机械臂与底座活动连接，若干机械臂之间通过转动且可折叠结构连接，或若干机械臂本身为伸缩臂且相互之间转动连接，这样通过若干机械臂之间的上下调节以及相互转动实现智能机械主体22的高度或角度变化以及可调。当然若干机械臂与底座的活动连接比如转动或滑动连接也可以辅助实现智能机械主体22的高度或角度的变化以及高度或角度可调。

另外，所述装置还设有用于在其上将若干沉积层形成待加工工件的基板1，基板1设于智能机械主体22邻近位置处且与焊接头21的焊接气体出口211相对。这样设置是为了提供焊接待加工工件的基础。基板的设置是优选，一般情况下，通过电弧增材焊接设备在基板的基础上进行焊接待加工的工件。当然有的时候也可以不设置基板，这里不做具体的限定，可根据需要选择。

其中，存储模块24设有出气口241，出气口241靠近焊接头21的焊接气体出口211位置处。存储模块可对从可控智能混配器输出的混合保护气体进行暂存，当焊接头在工作的过程中，通过存储模块的出气口持续的输出混合后的保护气体。所述出气口靠近焊接头的焊接气体出口位置处的设置是便于快速地对待加工工件的热输入量进行调节，避免出现过热的情况，减少温度过高导致合金元素烧损、热裂纹甚至再次熔化造成产品变形或者坍塌的情况出现，提高调节温度的效果和效率。当然这种位置设定是优选，并不是限制性的规定，其他的能够实现此效果的位置设定也是可行的。

另外，所装置还设有若干传感器4，若干传感器4包括用于感应感应若干沉积层层间温度的第一红外温度传感器41、用于感应焊接的若干沉积层宽度的焊缝宽度传感器42以及用于感应焊接后温度的第二红外温度传感器43，所述第一红外温度传感器41、焊缝宽度传感器42、第二红外温度传感器43均安装于焊接头21临近位置处。这样设置是为了通过第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器的设定，能够全面地对各个影响成品率的因素进行实时检测，并将感应检测的数据传输给可控智能混配器，可控智能混配器实时调节He气和Ar气的混合比例，并将调节后的混合保护气体输送给存储模块，实时输出所需比例的混合保护气。一般情况下，为了提高感应检测的准确度可将第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器均安装于焊接头临近位置处，这只是优选，并不是限制性的规定。优选地，第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器通过传感器固定支架6固定于焊接头上，当然固定的方式可根据需要选择，选择固定连接一体成型的连接方式或可拆卸的连接方式，这些不做具体的规定，可根据需要进行选择。

其中，可控智能混配器33设有第二控制器331和混合模块332，第一红外温度传感器41、焊缝宽度传感器42、第二红外温度传感器43、混合模块332均与第二控制器331电连接。这样设置是为了通过第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器传输回来的检测信号给第二控制器，第二控制器根据信号或数据进行分析设定出混合模块中的He气和Ar气的混合比例，从而对混合模块进行智能调节，提高其智能化和调节的精确性。当然这里面的第一红外温度传感器、焊缝宽度传感器、第二红外温度传感器的设置只是优选，还可以选定其他数据参考，以便准确地判定焊接的待加工工件若干沉积层的变化情况。比如在焊接头邻近位置处设置与第二控制器电连接的摄像装置，通过拍摄图片并将相应的图片信息发送给第二控制器，第二控制器除了若干传感器感应的温度同时结合若干沉积层表面的图像变化，可准确快速地对混合模块中的混合保护气的混合比例进行调节。当然需要说明的是，优选地，若干传感器与摄像装置不仅要和第二控制器进行电连接，同时也要与第一控制器进行电连接，这样不仅通过调节混合保护气的混合比例，还可通过改变智能机械主体、送丝机、存储模块、焊接头中的焊接参数从而更好地调节若干沉积层间的输入热量。优选地，可控智能混配器为电子混配器，当然这只是优选，并不是限制性的规定。

另外，混合模块332包括第一支路333、第二支路334、混合器主体335、缓冲器336、第一流量阀337，第一支路333、第二支路334一端均与混合器主体335、缓冲器336、第一流量阀337通过气管顺次连接，第一支路333、第二支路334)另一端分别与He气存储模块31、Ar气存储模块32通过气管连接；第一支路333、第二支路334均包括顺次连接的减压阀338、电控流量阀339，第二控制器331与电控流量阀339电连接。需要说明的是，第二控制器控制整个混合模块的各个阀体，并不是单独只控制电控流量阀。另外，这只是提供一种能够对He气和Ar气的混合比例实时调节的混合模块结构，这里只是优选，并不是限制性的规定，其他的混合结构也是可行的。优选地，He气存储模块与第一支路、Ar气存储模块与第二支路连接，且He气存储模块与第一支路、Ar气存储模块与第二支路连接之间均设有用于限制输入速度或防止逆流的单向阀，当然可以设置电动的减压阀。所述第一支路、第二支路设置的减压阀是二级减压阀，当然这也只是优选。另外，缓冲器336的作用主要是气体缓冲器，是为了消除在混合器主体335对He气与Ar气的过程中出现的气流脉动和波动的影响，起到稳压的效果。

另外，本实施例中的电弧增材制造装置还设有用于给装置提供电源的电源结构6。

本发明还提供一种根据权利要求7所述的电弧增材制造装置的控制方法，步骤如下：

(1)首先进行参数设定，通过第一控制器和第二控制器331根据待加工工件5的几何形状进行堆积路径和工艺参数进行设定，参数包括智能机械主体22的高度或角度、送丝机23的送丝速度、焊接头21的焊接速度、存储模块24的输出保护气体的速度以及混合模块332输出He气和Ar气的混合比例；

(2)启动电弧增材焊接设备2、保护气体装置3；焊接头21在基板1上进行堆积形成若干沉积层，同时存储模块24连续输出保护气体且覆盖整个焊接头21输出电弧的整个区域；

(3)第一红外温度传感器41、焊缝宽度传感器42、第二红外温度传感器43对若干沉积层间的温度进行测定，并将相应的数据传送给第二控制器331，第二控制器331根据相应的数据实时调节可控智能混配器33中的混合模块332输出He气和Ar气的混合比例，对若干沉积层间的热输入量进行调节；

(4)沉积层焊接完成待加工工件5的加工，关闭电弧增材焊接设备2、保护气体装置3。

一般情况下，堆积待加工工件的过程中焊接头的堆积电流可为90A～270A；存储模块24输出的保护气体流量可为9L/min～35L/min。当然这些只是数值参考，不是限制性的规定，可根据实际的情况进行设定。优选地，第一控制器和第二控制器331通信连接，这样更便于整个装置的智能化。第一控制器和第二控制器331可选择单片机或DSP处理器或其他的控制系统，都是可行的，这里不做具体限定。

其中，在步骤(3)中，混合模块332输出的He气和Ar气的混合比例，随着He气的占比增加，对若干沉积层间的热输入量也会增加；反之则减少。He的电离能为24.6eV，而Ar的电离能为15.8eV。因此使用Ar-He混合气作为保护气的时候，含有更高的He会大幅提高电弧电压U2。而电弧输入热量为PW＝U2*I2，U2的变化会使热量随之变化，即提高He的含量会使热输入量增加，反之则减少。另外，因为He本身导热率和传热系数都比Ar高出很多，更高的热量也会更快的加热母材。

另外，在步骤(3)中，可控智能混配器33将He气和Ar气经过单向阀进入两级或多级压力平衡装置,平衡其输入压差,使得混合前组分气体和稀释气体的压力相同,然后通过第二控制器331调节电控流量阀,对He气和Ar气的混合比例进行调节。将Ar和He和其他需要混合的气体经过单向阀进入两级或多级压力平衡装置,平衡其输入压差,从而保证了混合前组分气体和稀释气体的压力绝对相同,然后调节电控流量阀,可将各种气体的流量依据希望达到的混气比例进行调定。本发明的电子流量控制器，在标定和校准之后精确控制各个阀体开度，从而控制流量以及各个组分气体的比例。

具体地：本发明供气的部分采用了31、32两个气存储装置，可以使用压缩气态存储也可以使用低温液态存储。在He和Ar两种气体经过减压进入33电子混配器之后，混配成混合气体作为焊接部分的保护气。混配器使用He为调整气，Ar为平衡气。混配的配比从100％He到100％Ar，由控制系统通过对工件的温度变化的趋势进行调整。混配后的混合气经过气管输送到WAAM系统也就是电弧增材焊接设备中作为电弧的保护气。

如图2所示，本发明在焊枪上通过支架集成了41、43两个红外温度传感器和42焊缝宽度激光传感器。在焊接头21的焊接气体出口211的保护气流覆盖整个电弧区域，使得电弧在指定的混合气体的氛围内等离子化，并随着气体配比的变化而改变对熔池和母材的热输入量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地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。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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 (7)

1.一种电弧增材制造装置，其特征在于，包括用于将若干沉积层生成待加工工件的电弧增材焊接设备(2)以及用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备(2)的热输出量的保护气体装置(3)，所述保护气体装置(3)与电弧增材焊接设备(2)连接；

所述保护气体装置(3)包括He气存储模块(31)、Ar气存储模块(32)、用于将He气和Ar气混合的可控智能混配器(33)，所述He气存储模块(31)、Ar气存储模块(32)均通过气管与可控智能混配器(33)连接，所述可控智能混配器(33)通过气管与电弧增材焊接设备(2)连接；

所述装置还设有与可控智能混配器(33)电连接的若干传感器(4)，若干传感器(4)包括感应若干沉积层层间温度的第一红外温度传感器(41)、用于感应焊接的若干沉积层宽度的焊缝宽度传感器(42)以及用于感应焊接后温度的第二红外温度传感器(43)，所述第一红外温度传感器(41)、焊缝宽度传感器(42)、第二红外温度传感器(43)均安装于焊接头(21)临近位置处。

所述电弧增材焊接设备(2)设有提供加热焊接气体的焊接头(21)、高度或角度可调的智能机械主体(22)、用于给焊接头(21)送丝的送丝机(23)、用于存储混合保护气体的存储模块(24)以及第一控制器，所述焊接头(21)安装于智能机械主体(22)上，所述第一控制器与智能机械主体(22)、送丝机(23)、存储模块(24)、焊接头(21)均电连接；

智能机械主体(22)包括底座、若干机械臂，若干机械臂与底座活动连接，若干机械臂之间通过转动且可折叠结构连接，或若干机械臂本身为伸缩臂且相互之间转动连接。

2.根据权利要求1所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述存储模块(24)设有出气口(241)，所述出气口(241)靠近焊接头(21)的焊接气体出口(211)位置处。

3.根据权利要求2所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述可控智能混配器(33)设有第二控制器(331)和混合模块(332)，所述第一红外温度传感器(41)、焊缝宽度传感器(42)、第二红外温度传感器(43)、混合模块(332)均与第二控制器(331)电连接。

4.根据权利要求3所述的电弧增材制造装置，其特征在于，所述混合模块(332)包括第一支路(333)、第二支路(334)、混合器主体(335)、缓冲器(336)、第一流量阀(337)，所述第一支路(333)、第二支路(334)一端均与混合器主体(335)、缓冲器(336)、第一流量阀(337)通过气管顺次连接，所述第一支路(333)、第二支路(334)另一端分别与He气存储模块(31)、Ar气存储模块(32)通过气管连接；所述第一支路(333)、第二支路(334)均包括顺次连接的减压阀(338)、电控流量阀(339)，所述第二控制器(331)与电控流量阀(339)电连接。

5.一种根据权利要求4所述的电弧增材制造装置的控制方法，其特征在于，步骤如下：

(1)进行参数初始设定，通过第一控制器和第二控制器(331)根据待加工工件的几何形状进行堆积路径和工艺参数进行设定，参数包括智能机械主体(22)的高度或角度、送丝机(23)的送丝速度、焊接头(21)的焊接速度、存储模块(24)的输出保护气体的速度以及混合模块(332)输出He气和Ar气的混合比例；

(2)启动电弧增材焊接设备(2)、保护气体装置(3)；焊接头(21)在基板(1)上进行堆积形成若干沉积层，同时存储模块(24)连续输出混合比例可变的保护混合气体且覆盖整个焊接头(21)输出电弧的整个区域；

(3)第一红外温度传感器(41)、焊缝宽度传感器(42)、第二红外温度传感器(43)对若干沉积层间的温度进行测定，并将相应的数据传送给第二控制器(331)，第二控制器(331)根据相应的数据实时调节可控智能混配器(33)中的混合模块(332)输出He气和Ar气的混合比例，对若干沉积层间的热输入量进行调节，调节若干沉积层间的温度；

(4)沉积层焊接完成,待加工工件加工完毕，关闭电弧增材焊接设备(2)、保护气体装置(3)。

6.根据权利要求5所述的电弧增材制造装置的控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，混合模块(332)输出的He气和Ar气的混合比例，随着He气的占比增加，对若干沉积层间的热输入量也会增加；反之则减少。

7.根据权利要求5或6所述的电弧增材制造装置的控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，可控智能混配器(33)将He气和Ar气经过单向阀进入两级或多级压力平衡装置,平衡其输入压差,使得混合前组分气体和稀释气体的压力相同,然后通过第二控制器(331)调节电控流量阀,对He气和Ar气的混合比例进行调节。

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