CN113245666A - 一种利用tig堆焊的金属复合材料生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，TIG堆焊领域，金属复合材料生产装置包括用于生成固气混合物的固气混合器及用于进行TIG堆焊的TIG焊嘴，所述TIG焊嘴包括气保壳体及电极，所述电极位于所述气保壳体内；所述气保壳体与所述电极之间具有环形流体腔，所述固气混合器与所述环形流体腔相连通，所述TIG焊嘴的末端的形状配置为中空圆台状，所述电极与所述TIG焊嘴的末端之间的间隙配置为喷口。本发明提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，不仅能在流体腔内形成紊流且充分混合，而且能够灵活调整添加金属粉末的比例生成高品质金属复合材料。

Description

一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置及方法

技术领域

本发明涉及TIG堆焊领域，尤其涉及一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置以及用于上述装置的利用TIG堆焊的金属复合材料生产方法。

背景技术

金属复合材料是指利用复合技术或多种、化学、力学性能不同的金属在界面上实现冶金结合而形成的复合材料，传统的金属复合材料是通过冶炼、铸造、锻造、挤压、轧制工艺制成基础材料(如型材或板材等)，再经过热处理、焊接等方法制得，采用传统方法制造的金属复合材料在液态金属结晶以及进行热处理时金属内各部分的温度性能很难满足一致性要求，金属复合材料的内部晶格之间会存在热应力，使得制得的金属复合材料很难达到高级别性能要求。

中国专利文献公开号CN210080922U公开了本发明公开了一种基于TIG电弧的钛合金增材制造装置包括：工作平台，用于放置待加工的钛合金基板；送丝机构，用于向增材制造过程提供所需的焊丝；非熔化极气体保护电弧TIG焊机，用于形成等离子电弧；氮气瓶和氩气瓶，分别通过管道与所述TIG焊机连通，用于向所述TIG焊机提供氮气和氩气；向TIG焊机传输的氮气在TIG焊枪作用下电离，形成等离子电弧，焊丝在等离子电弧的作用下融化，电离的氮气与熔融态的钛合金原位反应，在待加工的钛合金基板表面堆垛形成具有氮化钛增强相的增材结构件。这种基于TIG电弧的钛合金增材制造装置，这种结构通过气体配比器控制氮气和氩气比例，控制形成的氮化钛在钛合金材料中所占的比例，得到具有不同强化效果的增材结构件。但由于其无法实现实现固粉末和气体的位置分离，无法形成充分混合，也无法灵活调整添加金属粉末的比例。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，不仅能在流体腔内形成紊流且充分混合，而且能够灵活调整添加金属粉末的比例生成高品质金属复合材料。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，包括固气混合器，用于生成具有预设背压的固气混合物；TIG焊嘴，用于进行TIG堆焊，所述TIG焊嘴包括气保壳体及电极，所述电极位于所述气保壳体内；所述气保壳体与所述电极之间具有环形流体腔，所述固气混合器与所述环形流体腔相连通，所述TIG焊嘴的末端的形状配置为中空圆台状，所述电极与所述TIG焊嘴的末端之间的间隙配置为喷口，具有预设背压的所述固气混合物沿所述环形流体腔落下时发生分离，所述固气混合物中的固体粉末在中空圆台状的所述TIG焊嘴的末端内壁的导向作用下朝起弧区域内的抛射点运动，气体则沿所述固气混合物中的气体则包裹所述起弧区域形成气流保护罩。

本发明的进一步的技术特征在于，所述固气混合器包括定量盘及料斗，所述料斗通过第一管道与所述定量盘的入料口相连通，所述定量盘的出料口通过第二管道与所述环形流体腔相连通，从所述料斗流出所述固气混合物通过所述定量盘定量后在流入至所述环形流体腔内。

本发明的进一步的技术特征在于，所述定量盘包括圆腔体、转盘以及驱动器，所述转盘上设置有至少一个的凹槽，至少一个的凹槽在所述转盘的外侧壁与所述圆腔体内壁的接触配合下被彼此隔离开，所述驱动器驱动所述转盘相对所述圆腔体转动，所述料斗通过第一管道与所述圆腔体的入料口相连通。

本发明的进一步的技术特征在于，所述固气混合器还包括第一背压管，其与所述料斗相连通和/或第二背压管，所述第二背压管的一端与所述圆腔体相连通；当所述转盘旋转时，任一一个凹槽均会依次经过所述定量盘的入料口、所述第二背压管与圆腔体的连通处以及所述定量盘的出料口。

本发明的进一步的技术特征在于，所述固气混合器还包括背压气源；所述第一背压管的另一端及所述第二背压管的另一端均与背压气源相连通或者所述第一背压管的另一端与所述第二背压管的另一端相连后再通过第三管道与所述背压气源相连通。

本发明的进一步的技术特征在于，所述TIG焊嘴还包括固定管；所述电极插入至所述固定管内，且与所述固定管同轴设置，所述环形流体腔配置为所述气保壳体与所述固定管之间的间隙。

本发明的进一步的技术特征在于，还包括送丝机构；所述送丝机构位于所述TIG焊嘴的一侧，所述送丝机构输送的焊丝末端延伸至所述起弧区域内。

本发明的进一步的技术特征在于，还包括三轴台床；所述固气混合器、所述TIG焊嘴以及所述送丝机构均固定在所述三轴台床的执行端，所述三轴台床按预设程序驱动所述固气混合器、所述TIG焊嘴以及所述送丝机构移动形成堆焊产品。

本发明还提供的一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产方法，用于上述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，按如下步骤实施：

S00：TIG焊嘴处于起弧状态。

S10：通过调整送丝机构的送丝速度及定量盘的转盘转速使得所述利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置具有固定的焊丝/粉末熔合比。

S20：所述固气混合器依据所述焊丝/粉末熔合比向所述TIG焊嘴提供具有预设背压的固气混合物。

S30：三轴台床驱动驱动所述TIG焊嘴移动形成堆焊产品。

本发明的进一步的技术特征在于，具有预设背压的所述固气混合物进入环形流体腔后，压力突变释放在所述环形流体腔内形成紊流且充分混合，所述固气混合物沿所述环形流体腔落下时因惯性作用下发生分离，分离成固体粉末和气体。

本发明的有益效果为：

本发明提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，设置有固气混合器，固气混合器能够生成具有背压的固气混合物，具有背压的固气混合物在环形流体腔进行压力突变释放时能够产生紊流且充分混合。还设置有定量盘，通过调节定量盘的转速能够灵活的调节添加金属粉末的比例，适用于不同成分堆焊产品。设置了环形流体腔以及中空圆台状的TIG焊嘴，能够使得固气混合物中的固体粉末运动至起弧区域内且起弧区域外围形成气流保护罩，使得本发明提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置能够生产高品质金属复合材料。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的金属复合材料生产装置的结构图；

图2是本发明具体实施方式中提供的固气混合器的结构图；

图3是本发明具体实施方式中提供的TIG焊嘴的结构图；

图4是本发明具体实施方式中提供的金属复合材料生产装置的局部图；

图5是本发明具体实施方式中提供的金属复合材料生产装置的控制示意图。

图中：

2、TIG焊嘴；21、气保壳体；22、电极；23、环形流体腔；24、喷口；A起弧区域；B、抛射点；C、气流保护罩；11、定量盘；12、料斗；111、圆腔体；112、转盘；121、凹槽；13、第一管道；14、第二管道；15、第一背压管；16、第二背压管；17、背压气源；25、固定管；3、送丝机构；4、PLC控制柜；5、人机交互器；6、三轴台床；7、数控控制器；8、TIG电源。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1至图5所示，本实施例中提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置包括固气混合器及TIG焊嘴2，其中，固气混合器用于生成具有预设背压的固气混合物，TIG焊嘴2用于进行TIG堆焊，TIG焊嘴2包括气保壳体21及电极22，电极22位于气保壳体21内，气保壳体21与电极22之间具有环形流体腔23，固气混合器与环形流体腔23相连通，TIG焊嘴2的末端的形状配置为中空圆台状，电极22与TIG焊嘴2的末端之间的间隙配置为喷口24，具有预设背压的固气混合物沿环形流体腔23落下时发生分离，固气混合物中的固体粉末在中空圆台状的TIG焊嘴2的末端内壁的导向作用下朝起弧区域A内的抛射点B运动，气体则沿固气混合物中的气体则包裹起弧区域A形成气流保护罩C。优选地，固气混合物中的气体配置为氩气、氮气中的一种或者多种，固气混合物中的固体粉末通常是指金属粉末，例如：纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。具体使用时，由固气混合器生成具有预设背压的固气混合物，从将生成的背压的固气混合物导入至环形流体腔23内，当背压的固气混合物刚流入环形流体腔23内，由于其压力突变释放会在环形流体腔23内形成紊流且充分混合，紊流也能加速固体粉末和气体的充分混合。环形流体腔23具有一定的高度，具有预设背压的固气混合物沿环形流体腔23落下时由于惯性的作用会发生分离，固体粉末在中空圆台状的TIG焊嘴2的末端内壁的导向作用下朝起弧区域A内的抛射点B运动，气体则沿固气混合物中的气体则包裹起弧区域A形成气流保护罩C。气流保护罩C对起弧区域A及其下方熔池隔离保护使得本发明提供的利用金属复合材料生产装置能够生产高品质金属复合材料。

为了形成定量的固气混合物，进一步地，固气混合器包括定量盘11及料斗12，料斗12通过第一管道13与定量盘11的入料口相连通，定量盘11的出料口通过第二管道14与环形流体腔23相连通，从料斗12流出固气混合物通过定量盘11定量后在流入至环形流体腔23内。料斗12存储的固体粉末通过第一管道13流入至定量盘11，定量盘11对流入其内部的固气混合物进行定量后，再旋转至定量盘11的出料口，进入至环形流体腔23内，故通过定量盘11即能产生定量的固气混合物。进一步优选地，为了实现定量盘11的定量操作，定量盘11包括圆腔体111、转盘112以及驱动器(图中未示出)，转盘112上设置有至少一个的凹槽121，至少一个的凹槽121在转盘112的外侧壁与圆腔体111内壁的接触配合下被彼此隔离开，驱动器驱动转盘112相对圆腔体111转动，料斗12通过第一管道13与圆腔体111的入料口相连通，入料口位于圆腔体111的顶部，由于转盘112上设置有至少一个的凹槽121，当凹槽121运动到第一管道13与圆腔体111的顶部连接处时，背压的固气混合物会在压力及重力的作用下会流入至凹槽121内，当凹槽121被充料满后，转盘112继续旋转，运动至圆腔体111的出料口与第二管道14的连接处，圆腔体111的出料口也即定量盘11的出料口，出料口位于圆腔体111的底部，此时固气混合物会在压力及重力的作用下会流入至环形流体腔23内。进一步优选地，转盘112上设置有三个凹槽121，三个凹槽121分别与定量盘11的入料口、第二背压管16与圆腔体111的连通处以及定量盘11的出料口相对应。

为了便于产生具有预设背压的定量固气混合物，固气混合器还包括第一背压管15和/或第二背压管16，第一背压管15与料斗12的顶部空腔相连通，第二背压管16，第二背压管16的一端与圆腔体111的侧壁相连通，当转盘112旋转时，任一一个凹槽121均会依次经过定量盘11的入料口、第二背压管16与圆腔体111的连通处以及定量盘11的出料口。当凹槽121经过定量盘11的入料口时进行充料操作，同时会有少量背压气体进入到凹槽121内；当凹槽121经过第二背压管16与圆腔体111的连通处时，会使得凹槽121的背压与第二背压管16的背压压力几乎一致，产生具有预设背压的定量固气混合物；最后，当凹槽121经过定量盘11的出料口时，具有预设背压的定量固气混合物其压力突变释放会在环形流体腔23内形成紊流且充分混合。进一步优选地，为了提供稳定的背压气体，固气混合器还包括背压气源17，第一背压管15的另一端及第二背压管16的另一端均与背压气源17相连通或者第一背压管15的另一端与第二背压管16的另一端相连后再通过第三管道与背压气源17相连通。背压气源17也可配置为负压泵等负压装置，能够通过第一背压管15及第二背压管16分别为料斗12及定量盘11提供稳定的背压，形成具有预设背压的定量固气混合物。

为了便于电极22的固定，进一步地，TIG焊嘴2还包括固定管25，电极22插入至固定管25内，且与固定管25同轴设置，环形流体腔23配置为气保壳体21与固定管25之间的间隙。电极22优选为钨电极，通过固定管25可实现钨电极的固定，此时，气保壳体21与固定管25之间的间隙即为上文中提及的环形流体腔23。

为了便于形成固定的焊丝/粉末熔合比，进一步地，本实施例中提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置还包括送丝机构3，送丝机构3位于TIG焊嘴2的一侧，送丝机构3输送的焊丝末端延伸至起弧区域A内。送丝机构3及定量盘11的驱动器与金属复合材料生产装置的控制柜电连接，通过控制柜可以调节送丝机构3的送丝速度以及定量盘11的旋转速度，形成固定的焊丝/粉末熔合比。优选地，控制柜配置为PLC控制柜4，送丝机构3及定量盘11的驱动器与PLC控制柜4电连接，PLC控制柜4可选择性的与人机交互器5进行电连接，人机交互器5可配置为触控屏、电脑设备等。此外，本实施例中提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置由TIG电源8供电。

为了驱动金属复合材料生产装置进行X、Y、Z三轴运动，进一步地，本实施例中提供的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置还包括三轴台床6，固气混合器、TIG焊嘴2以及送丝机构3均固定在三轴台床6的执行端，三轴台床6按预设程序驱动固气混合器、TIG焊嘴2以及送丝机构3移动形成堆焊产品。三轴台床6受控于数控控制器7，PLC控制柜4与数控控制器7电连接，受控于PLC控制柜4，通过三轴台床6可以驱动固气混合器、TIG焊嘴2以及送丝机构3等进行X、Y、Z三轴运动。

实施例二

本实施例中提供的一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产方法，用于上述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，按如下步骤实施：

步骤S00：TIG电源8供电后，TIG焊嘴2处于起弧状态。在步骤S00之前还可执行堆焊产品路径设置步骤，通过金属复合材料生产装置的控制柜控制三轴台床6、固气混合器、以及送丝机构3进行协同工作，完成堆焊产品路径。

步骤S10：通过金属复合材料生产装置的控制柜调整送丝机构3的送丝速度及定量盘11的转盘112转速使得利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置具有固定的焊丝/粉末熔合比，固定的焊丝/粉末熔合比利于形成一致性良好的堆焊产品。

步骤S20：固气混合器依据焊丝/粉末熔合比向TIG焊嘴2提供具有预设背压的固气混合物，并将固气混合物送入至环形流体腔23内。此时具有预设背压的固气混合物进入环形流体腔23后，压力突变释放在环形流体腔23内形成紊流且充分混合，固气混合物沿所述环形流体腔23落下时因惯性作用下发生分离，分离成固体粉末和气体。固气混合物中的固体粉末在中空圆台状的TIG焊嘴2的末端内壁的导向作用下朝起弧区域A内的抛射点B运动，气体则沿固气混合物中的气体则包裹起弧区域A形成气流保护罩C。

步骤S30：三轴台床驱动驱动TIG焊嘴移动执行堆焊产品路径形成堆焊产品。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，包括：

固气混合器，用于生成具有预设背压的固气混合物；

TIG焊嘴，用于进行TIG堆焊，所述TIG焊嘴包括气保壳体及电极，所述电极位于所述气保壳体内；

所述气保壳体与所述电极之间具有环形流体腔，所述固气混合器与所述环形流体腔相连通，所述TIG焊嘴的末端的形状配置为中空圆台状，所述电极与所述TIG焊嘴的末端之间的间隙配置为喷口，具有预设背压的所述固气混合物沿所述环形流体腔落下时发生分离，所述固气混合物中的固体粉末在中空圆台状的所述TIG焊嘴的末端内壁的导向作用下朝起弧区域内的抛射点运动，气体则沿所述固气混合物中的气体则包裹所述起弧区域形成气流保护罩。

2.根据权利要求1所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于：

所述固气混合器包括定量盘及料斗；

所述料斗通过第一管道与所述定量盘的入料口相连通，所述定量盘的出料口通过第二管道与所述环形流体腔相连通，从所述料斗流出所述固气混合物通过所述定量盘定量后在流入至所述环形流体腔内。

3.根据权利要求2所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于：

所述定量盘包括圆腔体、转盘以及驱动器；

所述转盘上设置有至少一个的凹槽，至少一个的凹槽在所述转盘的外侧壁与所述圆腔体内壁的接触配合下被彼此隔离开，所述驱动器驱动所述转盘相对所述圆腔体转动，所述料斗通过第一管道与所述圆腔体的入料口相连通。

4.根据权利要求3所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，所述固气混合器还包括：

第一背压管，其与所述料斗相连通；和/或

第二背压管，所述第二背压管的一端与所述圆腔体相连通；

当所述转盘旋转时，任一一个凹槽均会依次经过所述定量盘的入料口、所述第二背压管与圆腔体的连通处以及所述定量盘的出料口。

5.根据权利要求4所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，所述固气混合器还包括：

背压气源；所述第一背压管的另一端及所述第二背压管的另一端均与背压气源相连通或者所述第一背压管的另一端与所述第二背压管的另一端相连后再通过第三管道与所述背压气源相连通。

6.根据权利要求1至5任一项所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，所述TIG焊嘴还包括：

固定管；所述电极插入至所述固定管内，且与所述固定管同轴设置，所述环形流体腔配置为所述气保壳体与所述固定管之间的间隙。

7.根据权利要求1至5任一项所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，还包括：

送丝机构；所述送丝机构位于所述TIG焊嘴的一侧，所述送丝机构输送的焊丝末端延伸至所述起弧区域内。

8.根据权利要求7任一项所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，还包括：

三轴台床；所述固气混合器、所述TIG焊嘴以及所述送丝机构均固定在所述三轴台床的执行端，所述三轴台床按预设程序驱动所述固气混合器、所述TIG焊嘴以及所述送丝机构移动形成堆焊产品。

9.一种利用TIG堆焊的金属复合材料生产方法，用于权利要求1至8任一项所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置，其特征在于，按如下步骤实施：

S00：TIG焊嘴处于起弧状态；

S10：通过调整送丝机构的送丝速度及定量盘的转盘转速使得所述利用TIG堆焊的金属复合材料生产装置具有固定的焊丝/粉末熔合比；

S20：所述固气混合器依据所述焊丝/粉末熔合比向所述TIG焊嘴提供具有预设背压的固气混合物；

S30：三轴台床驱动驱动所述TIG焊嘴移动形成堆焊产品。

10.根据权利要求9所述的利用TIG堆焊的金属复合材料生产方法，其特征在于：具有预设背压的所述固气混合物进入环形流体腔后，压力突变释放在所述环形流体腔内形成紊流且充分混合，所述固气混合物沿所述环形流体腔落下时因惯性作用下发生分离，分离成固体粉末和气体。

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