CN113828926B - 一种多尺度材料同步输送装置及高效率增材制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多尺度材料同步输送装置及高效率增材制造的方法，所述多尺度材料同步输送装置包括送料部和加工头；所述送料部包括上、下均开口的中空圆柱形壳体结构；所述加工头为中心开孔的盘形结构；所述送料部固定在所述加工头上表面并且所述壳体结构的下部开口正对所述加工头的中心开孔；所述送料部内部设置有中心对称的多个限位机构用以对料材进行限位；所述加工头下表面的外缘处设置多个卡具以对接多个热源，所述卡具可活动以调整热源的位置和倾斜角度。特殊的送料装置，能够实现丝材、棒材或带材的连续输送，从而大幅提高送料量和成形效率。同时本发明采用多热源耦合的方式，大幅增加热输入，配合大的送料量，成形效率可达40kg/h或更高。

Description

一种多尺度材料同步输送装置及高效率增材制造的方法

技术领域

本发明涉及金属材料增材制造技术领域，尤其是涉及一种多尺度材料同步输送装置及高效率增材制造的方法。

背景技术

增材制造技术是以激光、电弧、电子束等作为热源熔化材料逐层沉积来成形目标零件的先进制造技术。目前，金属增材制造的送料方式主要为送丝和送粉两种。对于大尺寸、大重量的构件，增材制造时需要高的成形效率，这必然要求大的送丝量或送粉量。

送粉一般采用送粉气将金属粉末吹入熔池，如果需要进一步加大送粉量，则需要加大送粉气压力。由于送粉气将直接吹到熔池，增大送粉气压力会加大对熔池的扰动，使熔池不稳定，影响成形精度和构件性能。另外，加大送粉气压力会使粉末在熔池前发散，熔池得粉率降低，材料利用率降低。另外，增材制造使用的球形粉末制备成本高，空心粉末或者有夹杂的粉末会影响构件质量，粉末的要求和成本都太高。

丝材的成本相对较低，材料利用率高，引入缺陷的几率较小。然而送丝时由于丝材将直接进入熔池熔化，加大送丝速度会加大丝材末端对熔池的扰动，破坏熔池稳定性。送丝量进一步增大时，丝材受力增大，可能造成丝材断裂，影响增材制造过程。

发明内容

本发明研究了一种多尺度材料同步输送装置及高效率增材制造方法，能够实现丝材、棒材或带材的输送，从而大幅提高送料量，大大提高成形效率。本发明采用特殊的送料装置，能够实现棒材的连续输送。同时本发明采用多热源耦合的方式，大幅增加热输入，配合大的送料量，成形效率可达40kg/h或更高。

具体的，本发明首先提供一种多尺度材料同步输送装置，其特征在于：

所述多尺度材料同步输送装置包括送料部和加工头；

所述送料部包括上、下均开口的中空圆柱形壳体结构；所述加工头为中心开孔的盘形结构；所述送料部固定在所述加工头上表面并且所述壳体结构的下部开口正对所述加工头的中心开孔；

所述送料部内部设置有中心对称的多个限位机构用以对料材进行限位；

所述加工头下表面的外缘处设置多个卡具以对接多个热源，所述卡具可活动以调整热源的位置和倾斜角度。

进一步优选的，所述限位机构包括固定螺栓和限位部，限位部固定在固定螺栓的一端，固定螺栓的另一端与所述送料部的壳壁相紧固以将所述限位机构固定安装于所述送料部内，所述限位部包括与固定螺栓固定的弹簧以及设置在弹簧尖端的钢珠，相邻的所述限位机构的钢珠彼此接触以将料材限位在钢珠之间。

进一步优选的，当料材为丝材或棒材时，所述限位机构为4个；当料材为带材时，所述限位机构为2个。

进一步优选的，所述固定螺栓通过所述壳壁上的螺丝孔可调节与壳壁的相对位置关系，从而调整限位机构位置和钢珠间距。

具体的，本发明还提供一种采用上述装置进行增材制造的方法，其特征在于包括如下步骤：

将丝材、棒材或带材的料材置入所述壳体结构中；

将多个热源安装于所述卡具之上并调整热源的位置和倾斜角度；

调整限位机构以适于送料；

开启热源进行增材制造。

进一步优选的，所述多个热源为2-8个热源，且至少包括2个TIG焊枪；

进一步优选的，所述TIG焊枪与垂直方向的夹角选择30-40°，钨极与基板距离控制在4-5mm之间，电弧耦合时钨极间距控制在9-11mm之间；焊枪采用直流连续焊接模式工作，基板接电源负极，焊枪接电源正极，焊接电流选择200A-380A，扫描速度选择0.2-0.3m/min。

进一步优选的，所述料材为丝材和带材时，在增材过程中保持材料输送速度和扫描速度不变；所述料材为棒材时，在每根棒材输送的最后阶段，扫描速度降低30-40%，送料速度提高100-150%。

进一步优选的，所述多个热源还至少包括一个激光头，激光头的倾斜角度不超过30°；激光光斑中心选择在电弧中心前方2-3mm的位置，提前辐照基板，使基板表面处于激发状态，引导电弧产生；激光光斑长轴长度选择3-20mm，随电弧的数量增加而增加；激光功率随焊接电流增大和电弧数量增加而增加，并且所述激光的功率P满足以下经验公式，

P=5knI

式中，n为电弧数量，I为焊接电流， k为电弧耦合带来的经验系数，取值为0.75-0.8。

本发明的多尺度材料同步输送装置及高效率增材制造方法：

首先，通过独特的材料输送装置可以适用于丝材、带材和棒材等不同的非粉末材料，以替代粉末材料进行增材制造，从而克服了粉末材料输送低效、空心粉末、得粉率低等种种问题。

第二，通过独特的限位机构，能保证送料过程中丝材、棒材、带材的稳定性，减少其抖动，维持熔池的稳定性；

第三，采用多热源耦合方式，大幅增加热输入，配合大的送料量，成形效率可达40kg/h或更高。

第四，采用多热源中心对称分布，中心送料的方式，能够进一步提高熔池的稳定性。

第五，以最多8个TIG（非熔化极惰性气体保护电弧焊）焊枪作为主要热源，同时可加入激光作为辅助热源提高熔池的稳定性，并提出了多热源耦合电弧形状控制方法和多热源耦合工艺参数选择方法。

附图说明

图1为本发明多尺度材料同步输送装置示意图。

图2为本发明多尺度材料同步输送装置内限位机构的示意图。

图3（a）为本发明棒材输送装置时与送料部配合结构的示意图。

图3（b）为本发明丝材输送装置时与送料部配合结构的示意图。

图3（c）为本发明带材输送装置时与送料部配合结构的示意图。

图4（a）为本发明多个焊枪的钨极正常间距时电弧耦合示意图。

图4（b）为本发明多个焊枪的钨极间距过大时电弧耦合示意图。

图4（c）为本发明多个焊枪的钨极间距过小时电弧耦合示意图。

具体实施方式

以下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描述。

如图1所示，为本发明的多尺度材料同步输送装置示意图，在三轴数控机床1内，设置有本发明的多尺度材料同步输送装置，其包括送料部2和加工头3，送料部2顶部箭头处可与不同种类的送料机构进行对接。送料部2包括上、下均开口的中空圆柱形壳体结构；加工头3为中心开孔的盘形结构；送料部2固定在加工头3上表面并且壳体结构的下部开口正对所述加工头的中心开孔。如图2所示，送料部2内部设置有中心对称的多个限位机构用以对料材进行限位；限位机构包括固定螺栓6和限位部，限位部固定在固定螺栓6的一端，固定螺栓6的另一端与送料部2的壳壁相紧固以将限位机构固定安装于送料部2内，限位部包括与固定螺栓6固定的弹簧7以及设置在弹簧7尖端的钢珠8，相邻的限位机构的钢珠8彼此接触以将料材限位在钢珠8之间，如图2所示，限位机构的数量例如可以为4个。加工头3下表面的外缘处设置多个卡具（例如可以为8个）以对接多个热源4，卡具可活动以调整热源4的位置和倾斜角度，热源例如可以为TIG（非熔化极惰性气体保护电弧焊）焊枪或者激光头。

如图2所示，本发明的限位机构，通过弹簧7和钢珠8，可在送料过程中防止原材料抖动，减少对熔池的扰动，提高成形精度。钢珠8在送料过程中，和原材料之间滚动接触，减少磨损。送料部的壳壁上有多个螺丝孔，通过调节固定螺栓6，可根据原材料的大小和形状调整钢珠8间距和限位机构位置，最大程度上适配原材料。如图2所示，丝材和棒材一般采用4个限位机构，而如果料材为带材则采用2个限位机构。

采用本发明上述的同步输送装置，可选择多种不同尺度的原材料，可选择直径0.8mm-2.4mm的金属丝材，可选择厚度0.5mm-2mm，宽度5-15mm的金属带材。对于棒材，最大宽度不超过15mm的金属棒均可作为本发明的原材料。棒材可采用拉拔工艺制备的金属圆棒，也可采用挤压工艺制备的方形金属棒。带材和棒材也可以采用线切割进行制备。

图3为本发明对于输送不同材料时，送料部配合不同的结构，以完成多种尺度原材料输送。

图3 (a)为棒材输送装置时，送料部2的中空圆柱形壳体设置于料桶之下且中空圆柱形壳体的上部开口正对料桶的下料口。棒材储存于料桶中，棒材依靠自身重力，从料桶9中进入送料部，所述送料部2还包括位于中空圆柱形壳体和加工头3之间的送料速度调节机构，送料速度调节机构具有至少一对滚轮11，其中一个滚轮通过固定弹簧12与送料部2整体固定，另一个滚轮通过送料部2的电机10驱动转动以控制转速，该对滚轮11夹住棒材并施加压力，调节滚轮转速以控制送料速度，滚轮优选为多对，以避免棒材打滑。

图3(b)为丝材输送装置，可同时完成多根丝的输送。其中，在送料部2上部设有丝桶14，丝桶内设有盛放单根丝材的丝材盛放部13，最多可放置20个丝材盛放部13，在每个丝材盛放部13下部设有送丝滚轮组，送丝滚轮组由压丝轮和送丝轮组成，送丝轮由电机控制转速以控制送丝速度。在丝桶14和送料部2之间还设有与送丝滚轮组对应设置的限位孔15，可限制丝材的运动方向，使丝材全部以中心对称排布的方式汇聚到送料部2中。

图3(c)为带材输送装置，其与棒材输送装置类似，需要在中空圆柱形壳体和加工头3之间设置送料速度调节机构，由滚轮组16带动带材以指定速度送出。同时，由于带材易弯曲，其进一步包括在带材进入加工头3之前处加装拉直滚轮组17以拉直带材，保证送料过程顺畅。

本发明采用多热源耦合的方式形成熔池，最多可以采用8个TIG（非熔化极惰性气体保护电弧焊）焊枪为热源，同时还可加入激光辅助形成熔池。激光头在不与其他机构干涉的情况下尽量减小倾斜角度，这有助于减小激光的反射率，最大倾斜角度不超过30°。TIG焊枪与垂直方向的夹角选择30-40°，夹角太小，电弧无法充分耦合，夹角太大，电弧无法充分熔化基板5形成熔池，将影响增材制造过程。钨极与基板5距离控制在4-5mm之间，距离太小，电弧无法正常扩展，难以耦合，且钨极烧蚀严重。距离太大，电弧过于扩展，移动时会出现明显的漂移现象，影响熔池的稳定性。电弧耦合时，钨极间距控制在9-11mm之间，此时电弧可以正常耦合，如图4(a)所示。钨极间距过大时，如图4(b)所示，电弧耦合变差。钨极间距过小时，如图4 (c)所示，电弧过于集中，钨极烧蚀严重。多电弧耦合时，焊枪呈中心对称排布，这有利于电弧稳定充分耦合，且形成的熔池边界平滑，稳定性好。焊枪采用直流连续焊接模式工作，基板接电源负极，焊枪接电源正极，焊接电流可选择200A-380A，扫描速度选择0.2-0.3m/min。

如前所述，在电弧工作时，可引入激光进行辅助，激光可以为电弧提供高的等离子体浓度，保证高速焊接下电弧的稳定性，同时引导和收缩电弧，使电弧更加集中，提高构件的成形精度和性能。激光光斑中心选择在电弧中心前方2-3mm的位置，提前辐照基板，使基板表面处于激发状态，引导电弧产生。距离过大时，无法起到合适的引导效果，距离过小时，激光光斑中心能量太高，形成大的匙孔，大量金属气化，严重影响熔池的稳定性。激光光斑长轴长度选择3-20mm，随电弧的数量增加而增加，激光功率随焊接电流增大和电弧数量增加而增加，有如下的经验公式（激光功率P的单位为W）：

P=5knI

式中，n为电弧数量，I为焊接电流，k为电弧耦合带来的经验系数，可以利用实际使用的电弧数量来进行预实验，即设定n和I后，改变P来获得合适的引导效果，再拟合计算k的数值，经发明人研究和分析发现，k一般为0.75-0.8较为合适，对于n为10以下的情况，k在上述取值范围基本能够满足需要。

送料方式不同时，采用不同的扫描模式和工艺参数。送丝和送带时，由于原材料连续，则不需要改变工艺参数。由于棒材的不连续性，在每根棒材输送的最后阶段，棒材的最后部分会脱离限位机构，全部进入熔池，后续棒材距离熔池仍有一段距离。在此时需要减慢扫描速度和提高送料速度，扫描速度一般降低30-40%，送料速度在此时提高100-150%以保证棒材能够及时输送进熔池。通过上述操作，能够最大程度上焊道的平整。采用送带的送料方式，一般采用双电弧工作，并保证条带所在平面和扫描方向平行且扫描方向和焊枪所在平面垂直。在更换扫描方向时，电弧停止工作，停止送料，旋转加工头以保持扫描方向和焊枪所在平面垂直。

实施例1：

采用316L不锈钢为基板。采用直径1.6mm的316L不锈钢丝材作为原材料，同时输送10根丝，送丝速度选择2.5m/min。采用3电弧+激光耦合方式进行扫描。焊枪与垂直方向角度为30°，钨极与基板距离为5mm，钨极间距为9mm，焊接电流选择300A，扫描速度选择0.25m/min。激光光斑长轴直径选择8mm，根据公式计算激光功率，k₁取5，k₂取0.75，激光功率选择3375W。激光光斑中心与电弧中心间距为2mm。

成形表面质量良好。将成形后的试样用无水乙醇清洗干净后称重，结合基板的重量和成形时间计算出成形效率，成形效率为22.3kg/h。

实施例2：

采用线切割，将厚10mm的A100钢钢板切割为长1.5m宽10mm的棒，送料速度为0.8m/min。采用4电弧耦合方式进行扫描。焊枪与垂直方向角度为35°，钨极与基板距离为4mm，钨极间距为10mm，焊接电流选择320A，扫描速度选择0.2m/min。棒材末端输送到熔池时，扫描速度降低到0.14m/min，送料速度加大到1.6m/min，维持1秒，新的棒材进入熔池后将工艺参数调整回正常。

由于棒材的不连续输送和没有激光辅助稳定熔池，与实施例1相比，表面质量较差，表面有较大的高低起伏，但起伏部分可以通过机加工进行消除。将成形后的试样用无水乙醇清洗干净后称重，结合基板的重量和成形时间计算出成形效率，成形效率为35.3kg/h。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种多尺度材料同步输送装置，其特征在于：

所述多尺度材料同步输送装置包括送料部和加工头；

所述送料部包括上、下均开口的中空圆柱形壳体结构；所述加工头为中心开孔的盘形结构；所述送料部固定在所述加工头上表面并且所述壳体结构的下部开口正对所述加工头的中心开孔；

所述送料部内部设置有中心对称的多个限位机构用以对料材进行限位；

所述加工头下表面的外缘处设置多个卡具以对接多个热源，所述卡具可活动以调整热源的位置和倾斜角度；

所述限位机构包括固定螺栓和限位部，限位部固定在固定螺栓的一端，固定螺栓的另一端与所述送料部的壳壁相紧固以将所述限位机构固定安装于所述送料部内，所述限位部包括与固定螺栓固定的弹簧以及设置在弹簧尖端的钢珠，相邻的所述限位机构的钢珠彼此接触以将料材限位在钢珠之间；

当料材为丝材或棒材时，所述限位机构为4个；当料材为带材时，所述限位机构为2个；

所述固定螺栓通过所述壳壁上的螺丝孔调节与壳壁的相对位置关系，从而调整限位机构位置和钢珠间距；

送料部配合不同的结构，以完成输送不同材料时多种尺度原材料输送，具体为，

输送棒材和带材时，在中空圆柱形壳体和加工头之间设置送料速度调节机构，所述送料速度调节机构具有一对滚轮，其中一个滚轮通过弹簧与送料部整体固定，另一个滚轮通过送料部的电机驱动转动以控制转速，调节滚轮转速以控制送料速度；输送丝材时，在送料部上部设有丝桶，丝桶内设有盛放单根丝材的丝材盛放部，在每个丝材盛放部下部设有送丝滚轮组，送丝滚轮组由压丝轮和送丝轮组成，送丝轮由电机控制转速以控制送丝速度。

2.一种采用权利要求1所述的多尺度材料同步输送装置进行增材制造的方法，其特征在于包括如下步骤：

将丝材、棒材或带材的料材置入所述壳体结构中；

将多个热源安装于所述卡具之上并调整热源的位置和倾斜角度；

调整限位机构以适于送料；

开启热源进行增材制造。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个热源为2-8个热源，且至少包括2个TIG焊枪。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述TIG焊枪与垂直方向的夹角选择30-40°，钨极与基板距离控制在4-5mm之间，电弧耦合时钨极间距控制在9-11mm之间；焊枪采用直流连续焊接模式工作，基板接电源负极，焊枪接电源正极，焊接电流选择200A-380A，扫描速度选择0.2-0.3m/min。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述料材为丝材和带材时，在增材过程中保持材料输送速度和扫描速度不变；所述料材为棒材时，在每根棒材输送的最后阶段，扫描速度降低30-40%，送料速度提高100-150%。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个热源还至少包括一个激光头，激光头的倾斜角度不超过30°；激光光斑中心选择在电弧中心前方2-3mm的位置，提前辐照基板，使基板表面处于激发状态，引导电弧产生；激光光斑长轴长度选择3-20mm，随电弧的数量增加而增加；激光功率随焊接电流增大和电弧数量增加而增加，并且所述激光的功率P满足以下经验公式，

P=5knI

式中，n为电弧数量，I为焊接电流， k为电弧耦合带来的经验系数，取值为0.75-0.8。

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