CN113385821B - 一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丝‑粉协同+激光‑电弧复合的增材制造装置及方法，包括丝‑粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置和激光分光镜组；丝‑粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置包括超声波振动枪体和螺旋搅拌组件，超声波振动枪体包括变幅杆和换能器，变幅杆下端呈内凹球形曲面状，变幅杆的侧部设有送粉与送气联合通道，螺旋搅拌组件包括螺旋搅拌杆以及螺旋叶片，螺旋搅拌杆内设有主送丝与送气联合通道，螺旋搅拌杆底部连接有空心钨极；激光分光镜组包括分光反射镜、反射镜组和凸透镜。本发明能实现场‑力‑热结合与分配的多种模式增材制造，具有增材方式多样化、增材效率高、成形质量好、材料利用率高、组合性强以及可以灵活调节合金成分的优点。

Description

一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于一种增材制造技术领域，特别是涉及一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术因其具有快速成形大尺寸一体化复杂构件的优势，现阶段已被广泛应用于航空航天、能源化工、船舶制造等领域。而对于目前的金属增材制造技术通常所采用的原材料为金属粉末或者金属丝，根据原材料的送给方式可以将其分为同轴送粉、预先铺粉和直接送丝的增材制造工艺；根据热源不同，又可分为激光束，电子束和电弧增材制造技术。而在实际激光增材制造中基于金属粉末材料如铝镁铜等合金具有高导热率、低电离能，并对激光的高反射率和粉末利用率低等特性，以及电弧送丝增材制造技术中，原材料金属焊丝成分的单一性，可组合性差，限制了激光与电弧增材制造技术发展和应用以及新材料的开发。

发明内容

为了克服现有增材制造技术的应用与原材料的供给限制，本发明的目的在于提供一种用于开发并制备新材料的丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，本发明能实现场-力-热结合与分配的多种模式增材制造，其具有增材方式多样化、增材效率高、成形质量好、材料利用率高、组合性强以及可以灵活调节合金成分的优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，包括能产生电弧热源的丝-粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置和用于辅助处理激光热源的激光分光镜组；

所述丝-粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置包括超声波振动枪体以及螺旋搅拌组件，所述超声波振动枪体包括呈中空并且两端开口的变幅杆以及设置在变幅杆内的换能器，所述变幅杆下端呈内凹球形曲面状，并且变幅杆下端连接有滚压轮组件，所述变幅杆的侧部设有与变幅杆内腔相连通的送粉与送气联合通道，所述螺旋搅拌组件设置在变幅杆内，所述螺旋搅拌组件包括螺旋搅拌杆以及设置在螺旋搅拌杆外周的螺旋叶片，所述螺旋搅拌杆内设有主送丝与送气联合通道，所述主送丝与送气联合通道内靠近变幅杆上部开口的部位设有一对送丝轮，所述螺旋搅拌杆的底部连接有空心钨极，并且空心钨极通过上固定销和下固定销分别与螺旋搅拌杆以及变幅杆相连接，空心钨极上设有与主送丝与送气联合通道相连通的第一通道以及与变幅杆内腔相连通的第二通道；

所述激光分光镜组包括分光反射镜、反射镜组以及凸透镜，所述反射镜组转动设置在变幅杆上方，并且反射镜组设置于分光反射镜外周，所述凸透镜沿轴向滑动设置在变幅杆外周。

通过采用上述技术方案，通过螺旋搅拌组件引导多股金属丝绞制成电缆式焊丝，同时利用螺旋搅拌组件均匀搅拌混合送进到变幅杆内腔中的金属粉末，利用超声波振动枪体上的换能器产生的超声振动，提高金属粉末混合的均匀性，解决金属粉末在送进送粉与送气联合通道中的堵塞问题，提升传送效率，并且电缆式焊丝与金属粉末同轴顺畅送进空心钨极，吸收热量实现预热，去除材料中的水分，提高增材质量。其中，空心钨极通过调整上固定销和下固定销的开闭状态，实现旋转电弧增材制造与常规电弧增材制造之间的切换模式。超声波振动枪体中的变幅杆末端设置成内凹球形曲面状，形成超声场，末端侧部设置的滚压轮机构，用于对增材过程中的金属构件进行超声振动滚压，提高构件成形质量。同时在增材制造中，辅助激光处理，上下调节凸透镜配合旋转调节反光镜组，以调节光丝距和两对称焦点的相对于基材的位置，实现同轴激光-电弧复合增材制造，电弧增材制造-激光焊前焊后热处理和激光加强电弧增材制造等多种增材制造模式。

本发明进一步设置为，所述变幅杆的顶端螺纹连接有固定端头，固定端头上设有多个分送丝与送气联合通道，并且多个分送丝与送气联合通道与所述主送丝与送气联合通道相连通。

本发明进一步设置为，所述空心钨极包括单空心部和双空心部，所述螺旋搅拌杆的底部设有嵌槽，所述单空心部嵌设在嵌槽中，所述双空心部的外壁与变幅杆下端开口的内壁紧密贴合。

本发明进一步设置为，所述变幅杆下端开设有冷却腔、供冷却液进入冷却腔的进口以及供冷却液排出的出口，所述冷却腔包覆在空心钨极的双空心部外周，所述空心钨极的外壁上还套设有绝缘套。

本发明进一步设置为，所述滚压轮组件包括连接座、滚压轮以及压缩弹簧，所述变幅杆下端还开设有滑槽以及与滑槽相连通的弹簧槽，所述连接座滑动设置在滑槽内，所述压缩弹簧设置于弹簧槽中并且压缩弹簧的两端分别与弹簧槽内端以及连接座内端相抵，所述滚压轮转动设置在连接座上。

本发明进一步设置为，所述变幅杆的上端开口处安装有轴承，所述螺旋搅拌杆的上端插设在轴承上，所述螺旋搅拌杆上位于换能器上方的位置联动设置有齿轮，所述变幅杆侧部开设有供外部传动件伸入并与所述齿轮相配合的侧缺口。

本发明还提供了一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造方法，所述制造方法包括以下方式中的任意一种：

a、激光热源开启电弧热源关闭，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并在空心钨极的双空心部中进行预热，调节激光分光镜组，金属粉末经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光同轴送粉增材制造；

b、激光热源开启电弧热源关闭，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中进行预热，调节激光分光镜组，电缆式焊丝经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光同轴送丝增材制造；

c、激光热源关闭电弧热源开启，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并被输送至空心钨极的双空心部中进行预热后受电弧作用熔化形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现电弧同轴送粉增材制造；

d、激光热源关闭电弧热源开启，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，电缆式焊丝在空心钨极中进行预热后受电弧作用熔化形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现电弧同轴送丝增材制造；

e、同时开启激光热源和电弧热源，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并且金属粉末被输送至空心钨极的双空心部进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送粉增材制造；

f、同时开启激光热源和电弧热源，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并且电缆式焊丝被输送至空心钨极进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送丝增材制造；

g、同时开启激光热源和电弧热源，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，与此同时，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，与电缆式焊丝同轴传送至空心钨极进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末和电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现丝-粉协同+激光-电弧复合增材制造。

本发明进一步设置为，所述的调节激光分光镜组是通过旋转调节反光镜组或上下滑移调节凸透镜或二者联合连续调节，实现双焦点激光与电弧多热源复合，所述双焦点激光与电弧复合的形式可实现以下几种丝-粉协同+激光-电弧复合模式：

（1）、在反光镜组与凸透镜静态调节的情况下：

I、电弧居于双焦点激光之间且当热源的排布方向与增材行进方向一致时，若调控的光丝距大于标准设定值，实现电弧增材制造-激光焊前焊后热处理；若调控的光丝距小于标准设定值，实现激光-电弧复合增材制造和激光加强电弧增材制造；

II、热源排布方向与增材行进方向成一定角度或垂直分布时，调节热源能量输入，实现电弧加强激光增材制造；

（2）、在反光镜组与凸透镜动态调节的情况下，在光丝距小于标准设定值时，实现激光辅助电弧增材制造；增材过程中，双焦点激光成动态运动，搅动熔池，保证气体充分溢出，提升金属构件性能。

本发明进一步设置为，所述空心钨极具有旋转和非旋转两种运动状态：

运动状态：紧固上固定销，打开下固定销，空心钨极随螺旋搅拌杆同步转动，形成旋转电弧，改变金属液滴熔化滴落状态，扰动熔池；

非运动状态：打开上固定销，紧固下固定销，实现常规增材制造。

本发明进一步设置为，利用空心钨极对金属粉末和电缆式焊丝中的至少一种材料进行预热时，利用冷却腔中的冷却液冷却空心钨极，带走温度，并用绝缘套隔绝空心钨极，保证操作人员的安全。

本发明的有益效果：

1、本发明将送粉与送丝相结合进行激光-电弧复合增材制造，根据原材料的输送方式和热源的调节情况，结合实际工况，实现场-力-热结合与分配的多种模式增材制造，其中包括：同轴激光-电弧复合增材制造，电弧增材制造-激光焊前焊后热处理和激光加强电弧增材制造等。

2、相较于常规的增材制造技术而言，本发明通过空心钨极实现热丝或热粉或热丝和热粉同时进行，以及多种主元元素形成的缆式焊丝的引入，可以有效地在线调配金属成分，以获得新性能的金属构件，拓展了新材料的开发（高熵合金，梯度材料，材料合金化等），解决现有技术存在的成本高，粉末利用率低，合金成分调节不方便，化学成分和组织不均匀，易产生气孔、裂纹、夹渣及缩孔等缺陷等问题。

3、空心钨极的旋转设置和电缆式焊丝的采用，使金属熔滴在过渡过程中发生了旋转，这有利于熔池中发生充分的冶金反应以及气泡的溢出，减少了构件的成形缺陷，从而提高构件的综合性能。

4、制备构件中，超声场的生成和超声振动滚压轮的滚压，进一步细化构件晶粒，提高构件综合性能。

5、与传统的制造方法相比，本发明提出的丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造方法具有制备工艺简单，生产周期短等优点。

附图说明

图1为本发明整体的剖视图；

图2为本发明固定端头的结构示意图；

图3为本发明固定端头的俯视图；

图4为本发明图1的变幅杆末端的结构示意图；

图5为本发明滚压轮组件的结构示意图。

图中：1、超声波振动枪体；2、螺旋搅拌组件；3、变幅杆；4、换能器；5、滚压轮组件；6、送粉与送气联合通道；7、螺旋搅拌杆；8、螺旋叶片；9、主送丝与送气联合通道；10、送丝轮；11、空心钨极；12、上固定销；13、下固定销；14、第一通道；15、第二通道；16、分光反射镜；17、反射镜组；18、凸透镜；19、固定端头；20、分送丝与送气联合通道；21、单空心部；22、双空心部；23、嵌槽；24、冷却腔；25、进口；26、出口；27、绝缘套；28、连接座；29、滚压轮；30、压缩弹簧；31、滑槽；32、弹簧槽；33、轴承；34、齿轮；35、侧缺口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：本发明提供了一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，如附图1～5所示，包括能产生电弧热源的丝-粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置和用于辅助处理激光热源的激光分光镜组；

所述丝-粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置包括超声波振动枪体1以及螺旋搅拌组件2，所述超声波振动枪体1包括呈中空并且两端开口的变幅杆3以及设置在变幅杆3内的换能器4，所述变幅杆3下端呈内凹球形曲面状，形成超声场，利于调节振动频率和超声场强度，并且变幅杆3下端连接有滚压轮组件5，所述变幅杆3的侧部设有与变幅杆3内腔相连通的送粉与送气联合通道6，所述螺旋搅拌组件2设置在变幅杆3内，所述螺旋搅拌组件2包括螺旋搅拌杆7以及设置在螺旋搅拌杆7外周的螺旋叶片8，所述螺旋搅拌杆7内设有主送丝与送气联合通道9，所述主送丝与送气联合通道9内靠近变幅杆3上部开口的部位设有一对送丝轮10，送丝轮10可以调节松紧度以保证传送不同直径的金属丝，所述螺旋搅拌杆7的底部连接有空心钨极11，并且空心钨极11通过上固定销12和下固定销13分别与螺旋搅拌杆7以及变幅杆3相连接，空心钨极11上设有与主送丝与送气联合通道9相连通的第一通道14以及与变幅杆3内腔相连通的第二通道15；

所述激光分光镜组包括分光反射镜16、反射镜组17以及凸透镜18，所述反射镜组17转动设置在变幅杆3上方，并且反射镜组17设置于分光反射镜16外周，所述凸透镜18沿轴向滑动设置在变幅杆3外周。入射激光经过分光反射镜16分成两束激光，再经过反射镜与凸透镜18，聚焦成束在基材上形成两个对称焦点。而激光分光镜组中的反光镜可旋转，调节两对称激光焦点相对于基材的相对位置，凸透镜18可沿变幅杆3上下滑移调节两对称激光焦点与焊丝间的光丝距。

丝-粉协同+激光-电弧复合增材制造过程中，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道20，进入主送丝与送气联合通道9，由送丝轮10进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆7旋转绞制成电缆式焊丝，以此同时，金属粉末由送粉与送气联合通道6通入变幅杆3内腔中，在螺旋搅拌杆7的超声振动搅拌下充分均匀混合，与电缆式焊丝同轴传送至空心钨极11的双空心部22进行预热，并调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源有效复合。金属粉末和电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆3内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压轮组件5的滚压作用下，实现丝-粉协同+激光-电弧复合增材制造。

如附图1～3所示，所述变幅杆3的顶端螺纹连接有固定端头19，固定端头19上设有多个分送丝与送气联合通道20，分送丝与送气联合通道20设置在固定端头19内部中心及环中心对称位置，并且多个分送丝与送气联合通道20与所述主送丝与送气联合通道9相连通，可根据所含与所需送丝管道的数目与分布对固定端头19进行替换。上述的分送丝与送气联合通道20、主送丝与送气联合通道9和送粉与送气联合通道6与保护气管道相通。固定端头19，可利用多孔分送丝与送气联合通道20的中心通道传送单股金属丝，也可以利用多个通道传送单质或合金金属丝或绞制电缆式金属丝。变幅杆3上的多个对称送粉与送气联合通道6，可传送单质粉，合金粉及其组合。

其中，金属丝与金属粉末同轴送进，材料送进方式为金属丝单独送进，金属粉末单独送进和金属丝与金属粉末同时送进。所述的金属丝可为单质焊丝，合金焊丝，药芯焊丝，电缆式焊丝及其组合，金属粉末可为单质粉和合金粉。金属丝可不送进，单股送进或多股送进。单股金属丝直径，数目，类型，送丝速度以及金属粉末类型及其组合和送粉速率均可调节，而多股金属丝经过固定端头19旋转缠绕并在送丝轮10的传送下形成电缆式焊丝。

如附图4所示，所述空心钨极11包括位于上部的单空心部21和位于下部的双空心部22，单空心部21为第一通道14，双空心部22为第一通道14以及第二通道15的组合，电缆式焊丝由第一通道14穿过，金属粉末由第二通道15穿过，所述螺旋搅拌杆7的底部设有嵌槽23，所述单空心部21嵌设在嵌槽23中，所述双空心部22的外壁与变幅杆3下端开口的内壁紧密贴合。所述空心钨极11单-双空心结构的过渡，保证丝-粉顺利预热，同轴送进。空心钨极11的旋转和非旋转运动，通过上固定销12和下固定销13的开闭状态进行控制。通过紧固上固定销12，打开下固定销13，实现空心钨极11旋转，形成旋转电弧，改变金属液滴熔化滴落状态，扰动熔池；打开上固定销12，紧固下固定销13，实现常规增材制造。同时，调节螺旋搅拌杆7的旋转速度，改变电弧形态。

如附图4所示，所述变幅杆3下端开设有冷却腔24、供冷却液进入冷却腔24的进口25以及供冷却液排出的出口26，所述冷却腔24包覆在空心钨极11的双空心部22外周，所述空心钨极11的外壁上还套设有绝缘套27。利用冷却腔24中的冷却液冷却空心钨极11，带走温度，并用绝缘套27隔绝空心钨极11，保证操作人员安全。

如附图5所示，所述滚压轮组件5包括连接座28、滚压轮29以及压缩弹簧30，所述变幅杆3下端还开设有滑槽31以及与滑槽31相连通的弹簧槽32，所述连接座28滑动设置在滑槽31内，所述压缩弹簧30设置于弹簧槽32中并且压缩弹簧30的两端分别与弹簧槽32内端以及连接座28内端相抵，所述滚压轮29转动设置在连接座28上。超声振动滚压构件过程中，压缩弹簧30被压缩，形成弹性滚压，防止刚性挤压，破坏成形件与滚压轮29。

如附图1所示，所述变幅杆3的上端开口处安装有轴承33，所述螺旋搅拌杆7的上端插设在轴承33上，所述螺旋搅拌杆7上位于换能器4上方的位置联动设置有齿轮34，所述变幅杆3侧部开设有供外部传动件伸入并与所述齿轮34相配合的侧缺口35，外部传动件可为伺服电机加驱动轮的组合，伺服电机带动驱动轮转动，驱动轮伸入侧缺口35与齿轮34相啮合进而带动齿轮34转动，从而实现齿轮34带动螺旋搅拌杆7转动的效果。

本发明还提供了一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造方法，所述制造方法包括以下方式中的任意一种：

a、激光热源开启电弧热源关闭，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并在空心钨极的双空心部中进行预热，调节激光分光镜组，金属粉末经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光同轴送粉增材制造；

b、激光热源开启电弧热源关闭，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中进行预热，调节激光分光镜组，电缆式焊丝经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光同轴送丝增材制造；

c、激光热源关闭电弧热源开启，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并被输送至空心钨极的双空心部中进行预热后受电弧作用熔化形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现电弧同轴送粉增材制造；

d、激光热源关闭电弧热源开启，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，电缆式焊丝在空心钨极中进行预热后受电弧作用熔化形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现电弧同轴送丝增材制造；

e、同时开启激光热源和电弧热源，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并且金属粉末被输送至空心钨极的双空心部进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送粉增材制造；

f、同时开启激光热源和电弧热源，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并且电缆式焊丝被输送至空心钨极进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送丝增材制造；

g、同时开启激光热源和电弧热源，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，与此同时，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，与电缆式焊丝同轴传送至空心钨极进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末和电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现丝-粉协同+激光-电弧复合增材制造，实现梯度材料，高熵合金，材料合金化等材料的制备与工艺处理。

即该装置可实现激光热源开闭电弧热源开启，激光热源开启电弧热源关闭，激光与电弧热源同时开启，只送进金属丝，只送进金属粉末，同时输送金属丝与粉末以及热源与原材料启用的组合模式。

所述的调节激光分光镜组是通过旋转调节反光镜组或上下滑移调节凸透镜或二者联合连续调节，实现双焦点激光与电弧多热源复合，所述双焦点激光与电弧复合的形式可实现以下几种丝-粉协同+激光-电弧复合模式：

（1）、在反光镜组与凸透镜静态调节的情况下：

I、电弧居于双焦点激光之间且当热源的排布方向与增材行进方向一致时，若调控的光丝距大于标准设定值，实现电弧增材制造-激光焊前焊后热处理；若调控的光丝距小于标准设定值，实现激光-电弧复合增材制造和激光加强电弧增材制造；

II、热源排布方向与增材行进方向成一定角度或垂直分布时，调节热源能量输入，实现电弧加强激光增材制造；

（2）、在反光镜组与凸透镜动态调节的情况下，在光丝距小于标准设定值时，实现激光辅助电弧增材制造；增材过程中，双焦点激光成动态运动，搅动熔池，保证气体充分溢出，提升金属构件性能。

所述空心钨极具有旋转和非旋转两种运动状态：

运动状态：紧固上固定销，打开下固定销，空心钨极随螺旋搅拌杆同步转动，形成旋转电弧，改变金属液滴熔化滴落状态，扰动熔池；

非运动状态：打开上固定销，紧固下固定销，实现常规增材制造。

利用空心钨极对金属粉末和电缆式焊丝中的至少一种材料进行预热时，利用冷却腔中的冷却液冷却空心钨极，带走温度，并用绝缘套隔绝空心钨极，保证操作人员的安全。

Claims (9)

1.一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，其特征在于：包括能产生电弧热源的丝-粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置和用于辅助处理激光热源的激光分光镜组；

所述丝-粉同轴加热进料的非熔化极电弧焊枪装置包括超声波振动枪体(1)以及螺旋搅拌组件(2)，所述超声波振动枪体(1)包括呈中空并且两端开口的变幅杆(3)以及设置在变幅杆(3)内的换能器(4)，所述变幅杆(3)下端呈内凹球形曲面状，并且变幅杆(3)下端连接有滚压轮组件(5)，所述变幅杆(3)的侧部设有与变幅杆(3)内腔相连通的送粉与送气联合通道(6)，所述螺旋搅拌组件(2)设置在变幅杆(3)内，所述螺旋搅拌组件(2)包括螺旋搅拌杆(7)以及设置在螺旋搅拌杆(7)外周的螺旋叶片(8)，所述螺旋搅拌杆(7)内设有主送丝与送气联合通道(9)，所述主送丝与送气联合通道(9)内靠近变幅杆(3)上部开口的部位设有一对送丝轮(10)，所述螺旋搅拌杆(7)的底部连接有空心钨极(11)，并且空心钨极(11)通过上固定销(12)和下固定销(13)分别与螺旋搅拌杆(7)以及变幅杆(3)相连接，空心钨极(11)上设有与主送丝与送气联合通道(9)相连通的第一通道(14)以及与变幅杆(3)内腔相连通的第二通道(15)；

所述激光分光镜组包括分光反射镜(16)、反射镜组(17)以及凸透镜(18)，所述反射镜组(17)转动设置在变幅杆(3)上方，并且反射镜组(17)设置于分光反射镜(16)外周，所述凸透镜(18)沿轴向滑动设置在变幅杆(3)外周；

所述空心钨极(11)包括单空心部(21)和双空心部(22)，所述螺旋搅拌杆(7)的底部设有嵌槽(23)，所述单空心部(21)嵌设在嵌槽(23)中，所述双空心部(22)的外壁与变幅杆(3)下端开口的内壁紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，其特征在于：所述变幅杆(3)的顶端螺纹连接有固定端头(19)，固定端头(19)上设有多个分送丝与送气联合通道(20)，并且多个分送丝与送气联合通道(20)与所述主送丝与送气联合通道(9)相连通。

3.根据权利要求1所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，其特征在于：所述变幅杆(3)下端开设有冷却腔(24)、供冷却液进入冷却腔(24)的进口(25)以及供冷却液排出的出口(26)，所述冷却腔(24)包覆在空心钨极(11)的双空心部(22)外周，所述空心钨极(11)的外壁上还套设有绝缘套(27)。

4.根据权利要求1所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，其特征在于：所述滚压轮组件(5)包括连接座(28)、滚压轮(29)以及压缩弹簧(30)，所述变幅杆(3)下端还开设有滑槽(31)以及与滑槽(31)相连通的弹簧槽(32)，所述连接座(28)滑动设置在滑槽(31)内，所述压缩弹簧(30)设置于弹簧槽(32)中并且压缩弹簧(30)的两端分别与弹簧槽(32)内端以及连接座(28)内端相抵，所述滚压轮(29)转动设置在连接座(28)上。

5.根据权利要求1所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置，其特征在于：所述变幅杆(3)的上端开口处安装有轴承(33)，所述螺旋搅拌杆(7)的上端插设在轴承(33)上，所述螺旋搅拌杆(7)上位于换能器(4)上方的位置联动设置有齿轮(34)，所述变幅杆(3)侧部开设有供外部传动件伸入并与所述齿轮(34)相配合的侧缺口(35)。

6.采用权利要求1～5任一项所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置的方法，其特征在于：所述制造方法包括以下方式中的任意一种：

a、激光热源开启电弧热源关闭，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并在空心钨极的双空心部中进行预热，调节激光分光镜组，金属粉末经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光同轴送粉增材制造；

b、激光热源开启电弧热源关闭，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并在空心钨极中进行预热，调节激光分光镜组，电缆式焊丝经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光同轴送丝增材制造；

c、激光热源关闭电弧热源开启，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并被输送至空心钨极的双空心部中进行预热后受电弧作用熔化形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现电弧同轴送粉增材制造；

d、激光热源关闭电弧热源开启，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，电缆式焊丝在空心钨极中进行预热后受电弧作用熔化形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现电弧同轴送丝增材制造；

e、同时开启激光热源和电弧热源，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，并且金属粉末被输送至空心钨极的双空心部进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送粉增材制造；

f、同时开启激光热源和电弧热源，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，并且电缆式焊丝被输送至空心钨极进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送丝增材制造；

g、同时开启激光热源和电弧热源，多股金属丝通过分送丝与送气联合通道进入主送丝与送气联合通道，由送丝轮进行紧固传送，经过螺旋搅拌杆旋转绞制成电缆式焊丝，与此同时，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，与电缆式焊丝同轴传送至空心钨极进行预热，调节激光分光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末和电缆式焊丝经过复合热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场与滚压机构的滚压作用下，实现丝-粉协同+激光-电弧复合增材制造。

7.根据权利要求6所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置的方法，其特征在于：所述的调节激光分光镜组是通过旋转调节反光镜组或上下滑移调节凸透镜或二者联合连续调节，实现双焦点激光与电弧多热源复合，所述双焦点激光与电弧复合的形式可实现以下几种丝-粉协同+激光-电弧复合模式：

（1）、在反光镜组与凸透镜静态调节的情况下：

I、电弧居于双焦点激光之间且当热源的排布方向与增材行进方向一致时，若调控的光丝距大于标准设定值，实现电弧增材制造-激光焊前焊后热处理；若调控的光丝距小于标准设定值，实现激光-电弧复合增材制造和激光加强电弧增材制造；

II、热源排布方向与增材行进方向成一定角度或垂直分布时，调节热源能量输入，实现电弧加强激光增材制造；

（2）、在反光镜组与凸透镜动态调节的情况下，在光丝距小于标准设定值时，实现激光辅助电弧增材制造；增材过程中，双焦点激光成动态运动，搅动熔池，保证气体充分溢出，提升金属构件性能。

8.根据权利要求6所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置的方法，其特征在于：所述空心钨极具有旋转和非旋转两种运动状态：

运动状态：紧固上固定销，打开下固定销，空心钨极随螺旋搅拌杆同步转动，形成旋转电弧，改变金属液滴熔化滴落状态，扰动熔池；

非运动状态：打开上固定销，紧固下固定销，实现常规增材制造。

9.根据权利要求6所述的一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置的方法，其特征在于：利用空心钨极对金属粉末和电缆式焊丝中的至少一种材料进行预热时，利用冷却腔中的冷却液冷却空心钨极，带走温度，并用绝缘套隔绝空心钨极，保证操作人员的安全。

Images