CN113352012A - 旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法，涉及电弧增材制造技术领域，以解决现有技术中电弧增材制造过程中熔覆效率低及梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性差的问题。该装置包括等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊枪、基板、送丝机构、填丝送丝机构、监控装置及电流与送丝速度协同控制系统，等离子弧焊接电源负极与钨极相连，正极与基板连接，非熔化极气体保护焊电源负极与钨极相连，正极与送丝机构内的丝材相连；监控装置与电流与送丝速度协同控制装置连接，等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、送丝机构和填丝送丝机构均与电流与送丝速度协同控制装置相连。

Description

旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法

技术领域

本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其是涉及一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法。

背景技术

增材制造是基于“离散-堆积”原理制造实体零件的快速成形技术，作为战略性的新兴产业，正在快速改变传统的制造方式。金属增材制造技术可按照不同的热源形式(激光、电子束、电弧)和不同的原料供给形式(铺粉、送粉、送丝)进行分类。以激光、电子束为热源的粉基增材制造技术受到广大科研工作者重视，但存在粉末浪费严重、熔敷效率低、设备成本高、零件尺寸受限等问题，目前多用于小体积、高价值构件的制造；以电弧为热源、以丝材为供给原料的电弧增材制造技术，在成本、效率、成形体积、环境依赖度等方面具有明显优势，逐渐成为科研工作者关注焦点。

现有的WAAM技术多是由传统电弧焊接向增材制造的简单移植，主要包括熔化极气体保护焊增材制造和钨极氩弧焊增材制造等，两者比较，前者电弧稳定性差、热输入高、成形质量差，但是效率较高，后者电弧稳定、热输入较低、成形质量较好，但效率较低。究其本质，传统电弧热源具有的传质和传热深度耦合性，使其难以动态地、自由地配比以适应WAAM中“复杂轨迹、动态热扩散、弱拘束熔池”等扰动条件，实现高效、高稳定、高精度的电弧增材制造。同时，随着工业及国防科技应用领域对梯度材料-结构-功能一体化集成制造要求的不断提高，利用电弧增材制造技术实现此种金属构件的制造逐渐成为研究热点，这就对增材制造过程中的电弧热源传热、传质提出了更高的要求，以实现梯度材料构件连续、高效的电弧增材制造。

因此，迫切需要提出一种新的高效电弧增材制造方法，通过对电弧增材制造过程中传热、传质的解耦控制，解决热输入高与熔覆效率低间的矛盾，同时达到构件成分连续变化的目的，实现均质及梯度材料构件的连续、高效、稳定的电弧增材制造。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法，以解决现有技术中电弧增材制造过程中熔覆效率低及梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，包括等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊枪、基板、送丝机构、填丝送丝机构、监控装置以及电流与送丝速度协同控制系统，其中，所述等离子弧焊接电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述等离子弧焊接电源正极与所述基板连接，所述非熔化极气体保护焊电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述非熔化极气体保护焊电源正极与所述送丝机构内的丝材相连，构建旁路热丝和辅助填丝两种送丝熔化模式；所述监控装置能实时监控增材制造过程且所述监控装置与所述电流与送丝速度协同控制装置连接，所述等离子弧焊枪安装于基板上方，所述等离子弧焊接电源、所述非熔化极气体保护焊电源、所述送丝机构和所述填丝送丝机构均与所述电流与送丝速度协同控制装置相连。

可选地，所述送丝机构设置在所述丝材的顶端，所述丝材的另一端插入第一导电嘴中，所述填丝送丝机构设置在填丝的顶端，所述填丝的另一端插入第二导电嘴中，所述第一导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30～90°，所述第一导电嘴与所述第二导电嘴之间的夹角为15～180°。

可选地，所述第一导电嘴和所述第二导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的水平最短距离均为8～17mm。

可选地，所述第二导电嘴与所述基板的夹角为15～30°，所述第二导电嘴的最下端与所述基板的上表面的距离为0～3mm。

可选地，所述监控装置包括高速摄像机、热像仪和监控控制器，所述高速摄像机和所述热像仪均与所述监控控制器连接，所述监控控制器与所述电流与送丝速度协同控制装置连接。

可选地，所述等离子弧焊枪垂直于基板上方且通过连接装置与所述第一导电嘴、所述第二导电嘴固定连接。

可选地，所述丝材和所述填丝均为金属丝，所述丝材和所述填丝为相同或不同的材质。

一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造方法，包括以下步骤：

步骤S1：对基板表面进行熔覆前的预处理，打磨、清洗后，将其固定于工作台上，进行上述旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置的连接；

步骤S2：根据待加工零件的几何结构和材料成分分布，选择合适的金属丝，根据待加工零件的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据熔覆层成分梯度变化情况计算熔覆过程中所需的旁路丝材和填丝的熔化量，制定相应的送丝速度和电流(流经基板的电流I1、流经旁路丝材的电流I2，流经等离子焊枪电流I＝I1+I2)匹配方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置中；

步骤S3：将等离子弧焊枪移动到熔覆层起始点，在钨极与基板间、钨极与丝材间分别引燃电弧，开启送丝机构、填丝送丝机构以及电流与送丝速度协同控制装置，送进焊丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；

步骤S4：当等离子弧焊枪移动至熔覆层结束点，先停止送丝再衰减电流并熄弧，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；

步骤S5：待熔覆层冷却40～90s，通过监控装置监测达到层间温度后，将等离子弧焊枪移动到下一层熔覆层起始点，开始熔覆下一层；

步骤S6：重复步骤S3～步骤S5，直至按要求增材制造完成整个零件。

本发明提供的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其等离子弧焊接电源负极与等离子弧焊枪中的钨极相连，正极与基板相连，产生主弧等离子弧，熔化基板并形成熔池；非熔化极气体保护焊电源负极与等离子弧焊枪中的钨极相连，正极与丝材相连，产生旁路电弧，向丝材提供热量，调节其热输入，自主控制熔化量；高速摄像机和热像仪均与监控控制器相连，实时监控增材制造过程稳定性和熔覆层、熔池温度，并发送信号给电流与送丝速度协同控制装置，实现基板、丝材间热输入的实时动态调节，辅以填丝送丝速度的调节，保证系统稳定性；电流与送丝速度协同控制装置与离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、送丝机构和填丝送丝机构相连，通过对主弧电流和旁弧电流的实时动态匹配调节，辅以对丝材和填丝送丝速度的独立调控，实现对基板、丝材和填丝热输入和熔化量的动态调节，不仅实现了梯度材料的连续高效电弧增材制造，而且提高了制造精度和稳定性，极大增强能量利用率和电弧增材效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置的工作示意图。

附图标记：1、等离子弧焊接电源；2、非熔化极气体保护焊电源；3、钨极；4、压缩喷嘴；5、监控控制器；6、电流与送丝速度协同控制装置；7、基板；8、丝材；9、第一导电嘴；10、送丝机构；11、填丝；12、第二导电嘴；13、热像仪；14、填丝送丝机构；15、高速摄像机；16、等离子弧焊枪；17、保护气罩。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明提供的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，包括等离子弧焊接电源1、非熔化极气体保护焊电源2、等离子弧焊枪16、基板7、送丝机构10、填丝送丝机构14、监控装置以及电流与送丝速度协同控制系统，其中，等离子弧焊接电源1负极与等离子弧焊枪16的钨极3相连，等离子弧焊接电源1正极与基板7连接，产生主弧等离子弧，熔化基板7并形成熔池；非熔化极气体保护焊电源2负极与等离子弧焊枪16的钨极3相连，非熔化极气体保护焊电源2正极与送丝机构10内的丝材8相连，产生旁路电弧，向丝材8提供热量，调节其热输入，自主控制熔化量；送丝机构10设置在丝材8的顶端，丝材8的另一端插入第一导电嘴9中，填丝送丝机构14设置在填丝11的顶端，填丝11的另一端插入第二导电嘴12中；监控装置能实时监控增材制造过程中的稳定性、熔池温度等且监控装置与电流与送丝速度协同控制装置6连接，等离子弧焊接电源1、非熔化极气体保护焊电源2、送丝机构10和填丝送丝机构14均与电流与送丝速度协同控制装置6相连，实现系统稳定性、基板和丝材间热输入以及双丝熔化量的实时动态调节。通过对主弧电流和旁弧电流的实时动态匹配调节，辅以对丝材8和填丝11送丝速度的独立调控，实现对基板7、丝材8和填丝11热输入和熔化量的动态调节。等离子弧焊枪16垂直于基板7上方且通过连接装置与第一导电嘴9、第二导电嘴12固定连接，实现同步运动。

等离子弧焊枪16安装于基板7上方，第一导电嘴9与等离子弧焊枪16的钨极3之间的夹角为30～90°，第一导电嘴9与第二导电嘴12之间的夹角为15～180°。第一导电嘴9和第二导电嘴12与等离子弧焊枪16的钨极3之间的水平最短距离均为8～17mm。第二导电嘴12与基板7的夹角为15～30°，第二导电嘴12的最下端与基板7的上表面的距离为0～3mm。

等离子弧焊枪16包括钨极3，压缩喷嘴4和保护气罩17，工作时，等离子弧焊枪16垂直于基板7之上，距离熔覆层4～10mm，外部气瓶向等离子弧焊枪16提供保护气和离子气，所用气体均为普通氩气，保护气流量为8～15L/min，离子气流量为1～4L/min；等离子弧焊枪16通过连接装置将第一导电嘴9和第二导电嘴12固定在一起，从而实现同步运动，具体的是通过3D打印的方式用转接板将第一导电嘴9和第二导电嘴12连接，且连接装置实现了等离子焊枪、第一导电嘴9和第二导电嘴12间的彼此绝缘，同时实现了第一导电嘴9和第二导电嘴12在角度、三维方向距离的微调。

本实施例中的监控装置包括高速摄像机15、热像仪13和监控控制器5，高速摄像机15和热像仪13均与监控控制器5连接，监控控制器5与电流与送丝速度协同控制装置6连接。高速摄像机15和热像仪13均与监控控制器5相连实时监控增材制造过程稳定性和熔覆层、熔池温度，并发送信号给电流与送丝速度协同控制装置6，实现基板7、丝材8间热输入的实时动态调节，辅以填丝11送丝速度的调节，保证系统稳定性。

作为本发明优选地实施方式，的等离子弧焊接电源1和非熔化极气体保护焊电源2均为恒流源，根据增材制造需求全部输出直流或脉冲电流，或者一台电源输出直流另一台电源输出脉冲电流。

本发明中的旁路丝材8送丝速度与填丝11速度是相互独立的，且旁路电流与旁路丝材8送丝速度相互独立，旁路送丝个数、填丝11个数均可大于1。另外，丝材8、填丝11的材质均为金属丝，直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，材质可以是但不限于铜合金、钛合金、不锈钢或者镍基合金，两者的材质可以相同，也可以完全不同。

本发明提供的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，旁路丝材8在主弧和旁路电弧的共同热作用下熔化，通过对旁路电弧电流的调控实现丝材8熔化量控制，填丝11在主弧热作用下熔化，通过主弧能量和填丝11位置的调控实现填丝11熔化量控制；当选择不同材质的金属丝作为填充材料时，调节主弧电流和旁路电流以及两丝的送进比例，实现异质丝材8熔化量的独立控制以及熔覆层热输入控制，按照分层切片、路径规划、参数匹配的结果逐层逐道堆积熔覆层，形成梯度材料零件，极大增强了梯度材料和异质合金原位制造的可控性；当选择同质金属丝作为填充材料时，调节主弧电流和旁路电流以及两丝的送进比例，实现熔覆层热输入控制以及系统稳定控制，按照分层切片、路径规划、参数匹配的结果逐层逐道堆积熔覆层，形成均值材料零件，极大增强能量利用率和电弧增材效率。

本发明中主弧建立在钨极3与基板7之间，为等离子弧，旁弧建立在钨极3与一个丝材8之间，利用等离子弧的强指向性、高稳定性等优质特性，合理匹配并充分利用电弧能量，调整主弧电流实现对基板7热输入的调控，同时辅以填丝11位置、角度等调控实现对填丝11熔化量和熔滴过渡的主动控制，实时动态调节旁路电弧电流实现对丝材8熔化量和熔滴过渡的主动实时控制，不仅实现了梯度材料的连续高效电弧增材制造，而且提高了制造精度和稳定性。主弧等离子弧的高能量密度提高了熔池温度，使熔池表面张力对流增强且降低冷却速度，使得熔池中的异质组分可以充分混合，进而使熔覆层的成分分布更加均匀；另外，本发明设置了多个送丝模式，通过送丝模式的选择，可以灵活地实现均质、两种以上金属构件的高效、连续电弧增材制造；不仅可以实现同一熔覆层成形路径方向上的梯度材料零件制造，而且可以实现不同熔覆层间的梯度材料零件制造，同时可以实现均质零件的高效电弧增材制造。

此外，本发明还提供了一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对基板7表面进行熔覆前的预处理，将其固定于工作台上，进行上述旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置的连接；

步骤S2：根据待加工零件的几何结构和材料成分分布，选择合适的金属丝，根据待加工零件的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据熔覆层成分梯度变化情况计算熔覆过程中所需的旁路丝材8和填丝11的熔化量，制定相应的送丝速度和电流(流经基板7的电流I₁、流经旁路丝材的电流I₂，流经等离子焊枪电流I＝I₁+I₂)匹配方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置6中；

步骤S3：将等离子弧焊枪16移动到熔覆层起始点，在钨极3与基板7间、钨极3与丝材8间分别引燃电弧，开启送丝机构10、填丝送丝机构14以及电流与送丝速度协同控制装置6，送进焊丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；

步骤S4：当等离子弧焊枪16移动至熔覆层结束点，先停止送丝再衰减电流并熄弧，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；

步骤S5：待熔覆层冷却40～90s，通过监控装置监测达到层间温度后，将等离子弧焊枪16移动到下一层熔覆层起始点，开始熔覆下一层；

步骤S6：重复步骤S3～步骤S5，直至按要求增材制造完成整个零件。

作为优选方式，当丝材8和填丝11是材质不同的金属丝时，通过调节金属丝熔化量比例来控制熔覆层成分与性能，实现同一熔覆层不同位置成分梯度变化或不同熔覆层相同位置成分梯度变化的梯度材料的电弧增材制造，所制备的梯度材料零件的成分在不更换金属丝的前提下可从一种成分连续过渡到另一种成分；当丝材8和填丝11的材质相同时，通过调节金属丝熔化量，可实现金属零件的高效、快速电弧增材制造。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，包括等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊枪、基板、送丝机构、填丝送丝机构、监控装置以及电流与送丝速度协同控制系统，其中：

所述等离子弧焊接电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述等离子弧焊接电源正极与所述基板连接，所述非熔化极气体保护焊电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述非熔化极气体保护焊电源正极与所述送丝机构内的丝材相连；所述监控装置能实时监控增材制造过程且所述监控装置与所述电流与送丝速度协同控制装置连接，所述等离子弧焊枪安装于基板上方，所述等离子弧焊接电源、所述非熔化极气体保护焊电源、所述送丝机构和所述填丝送丝机构均与所述电流与送丝速度协同控制装置相连。

2.根据权利要求1所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述送丝机构设置在所述丝材的顶端，所述丝材的另一端插入第一导电嘴中，所述填丝送丝机构设置在填丝的顶端，所述填丝的另一端插入第二导电嘴中，所述第一导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30～90°，所述第一导电嘴与所述第二导电嘴之间的夹角为15～180°。

3.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述第一导电嘴和所述第二导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的水平最短距离均为8～17mm。

4.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述第二导电嘴与所述基板的夹角为15～30°，所述第二导电嘴的最下端与所述基板的上表面的距离为0～3mm。

5.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述监控装置包括高速摄像机、热像仪和监控控制器，所述高速摄像机和所述热像仪均与所述监控控制器连接，所述监控控制器与所述电流与送丝速度协同控制装置连接。

6.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述等离子弧焊枪垂直于基板上方且通过连接装置与所述第一导电嘴、所述第二导电嘴固定绝缘连接。

7.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述丝材和所述填丝均为金属丝，所述丝材和所述填丝为相同或不同的材质。

8.一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对基板表面进行熔覆前的预处理，将其固定于工作台上，进行权利要求2～7任一项所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置的连接；

步骤S2：根据待加工零件的几何结构和材料成分分布，选择合适的金属丝，根据待加工零件的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据熔覆层成分梯度变化情况计算熔覆过程中所需的旁路丝材和填丝的熔化量，制定相应的送丝速度和电流(流经基板的电流I1、流经旁路丝材的电流I2，流经等离子焊枪电流I＝I1+I2)匹配方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置中；

步骤S3：将等离子弧焊枪移动到熔覆层起始点，在钨极与基板间、钨极与丝材间分别引燃电弧，开启送丝机构、填丝送丝机构以及电流与送丝速度协同控制装置，送进焊丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；

步骤S4：当等离子弧焊枪移动至熔覆层结束点，先停止送丝再衰减电流并熄弧，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；

步骤S5：待熔覆层冷却40～90s，通过监控装置监测达到层间温度后，将等离子弧焊枪移动到下一层熔覆层起始点，开始熔覆下一层；

步骤S6：重复步骤S3～步骤S5，直至按要求增材制造完成整个零件。

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