CN113967774B - 一种小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法 - Google Patents

一种小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法。该方法基于Cu/Fe的熔点、导热系数、线膨胀系数和力学性能存在差异的特点，实现小直径金属分层柱椎体的制造。本发明采用电弧增材制造方法，底部采用旋转装置带动基板进行转动，通过装有实芯铜丝和实芯铁丝的送丝机同时送丝，采用高频压缩电弧对双丝进行加热熔化，通过控制送丝速度与电弧电流从而达到控制增材过程中熔滴大小，进而达到控制柱椎体的直径。本发明在增材过程中，旋转装置带动就基板进行旋转，丝材与电弧钨极不转动，减少熔滴过渡中飞溅，熔滴过渡过程稳定，成型良好。

Description

一种小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法
技术领域
本发明涉及实用工程实践技术领域，具体为一种小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法。
背景技术
小直径金属分层柱椎体由Cu/Fe异质合金制成，内部直径为15mm的钢芯芯，外壁为15mm的铜，两种金属的物理性质有较大差异，使用传统制造方法，会产生较大的应力变形，变形会对工件精度产生较大影响。
电弧增材制造技术被广泛应用制造业领域，该方法可精密制造出传统方法不能实现的复杂工件，目前电弧增材技术多用于大型结构件的制造，对于小型精密结构性使用激光，电子束来进行增材制造，但是激光与电子束难以控制热源的能量输入，不利于对Cu/Fe异质合金进行不同热输入量熔化。使用钨极产生高频压缩电弧可以解决相关问题，但目前还没有针对小直径金属分层柱椎体使用钨极高频压缩电弧进行增材制造的方法。
发明内容
本发明目的在于针对小直径金属分层柱椎体增材制造问题，提供了一种小直径金属分层柱椎体增材方法。
为实现小直径金属分层柱椎体增材制造，解决铜铁两种金属熔点不同问题，提供技术方案如下：
本发明通过多个增材周期的增材，实现铜铁的分层增材。
在增材过程中，每一个增材周期电流大小开始为230A，此时铁丝开始熔化，负载持续时间为1.5s，此时实芯铜丝送丝不送丝。1.5s后，电流变为180A，实芯铜丝送丝机开始送丝，铜丝受热熔化，铁丝不熔化，负载持续时间为1.5s，上述过程中不同电流持续时间都为1.5s，对应旋转装置旋转周期为1.5s，在增材过程中，柱体中心增材而成的钢芯可以冷却凝固，进入下一个增材周期，铜丝熔化形成的铜层，不会侵入中间增材形成的钢芯，并且可以形成铜铁界面。
当工件加工到100mm时，送丝速度开始产生变化，铜丝送丝机送丝速度由3mm/s在4.5s内均匀变化至1mm/s，铁丝送丝机送丝速度由2mm/s在4.5s内均匀变化至1mm/s，此时，实芯铜丝和实芯铁丝的熔化速度与熔滴过渡速度不断产生变化，逐渐形成椎体。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：本发明在增材制造过程中，只有基板在进行转动，熔化热源静止不动，通过控制焊接电流与送丝速度达到控制内芯与外壁尺寸目标，增材过程中飞溅较小，熔滴过渡稳定，工件成型精度较高。
附图说明
图1为柱椎体示意图。
图2为系统示意图。
图3为一个增材周期示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明
本发明针对小直径金属分层柱椎体进行增材制造测试方法，该测试系统包括TIG焊智能化焊机，带电机的旋转装置，基板尺寸为100mm x100 mm x50mm(长x宽x厚)，基板的材料为纯钢。计算机控制系统，ABB机器人，一套电弧电流密度的测量装置，送丝机两部，TIG焊机钨极在垂直放置于基板上方20mm；TIG焊智能化焊机，电弧电流密度的测量装置与送丝机与计算机控制系统相连接。钨极为铈钨极。焊机产生的电流波形为方波波形，该波形周期为3秒。
TIG焊机起弧，电弧电流密度的测量装置测量电弧电流密度反馈至计算机控制系统中，计算控制系统实时根据电弧电流密度对两根丝的送丝速度分别进行调整。
电流大小开始为230A，焊接上电流负载持续时间为1.5s，此时实芯铁丝送丝速度为3mm/s，实芯铜丝送丝送丝速度为0mm/s。1.5s后，电流变为180A，实芯铜丝送丝机开始送丝，速度为2mm/s，电流负载持续时间为1.5s，上述过程中不同电流持续时间都为1.5s，在此过程中机器人以1mm/s速度向上移动。
柱体增材完毕后，计算机控制系统自动切换至椎体增材模式，送丝速度开始实时变化，送丝速度也开始进行不断调整，最终完成柱椎体增材过程。
具体步骤如下：
(1)对碳钢基板进行预处理，对表面采用丙酮进行清洗，并将基板放置于旋转装置上；
(2)ABB机器人装载双丝末端运动到基板上方1.7mm处；
(3)焊机启动，钨极起弧，旋转装置开始旋转，每周旋转时间为1.5s，ABB机器人末端开始以1mm/s速度向上移动；以高值电流段铁丝进行增材钢芯半个周期，在完成增材的钢芯外围以低值电流段铁丝进行增材铜层半个周期形成一个增材周期，进行增材；一个增材周期具体为：增材电流处于230A时，负载维持时间为1.5s，此时铁丝开始熔化，铜丝送丝机停止送丝；
此后，增材电流变为180A，负载维持时间为1.5s，此时铁丝不熔化，实芯铜丝送丝机开始送丝，铜丝熔化。其中，铜丝送丝速度控制在3mm/s，铁丝送丝速度控制在2mm/s。
(4)旋转装置旋转650圈后，此时增材柱体长度区间长度为100.5～101.2mm，送丝速度开始产生渐变，实芯铜丝和实芯铁丝的熔化速度与熔滴过渡速度不断产生变化，形成椎体；完成小直径金属分层柱椎体的增材。送丝速度开始产生变化具体为，铜丝送丝机送丝速度由3mm/s在4.5s内均匀变化至1mm/s；铁丝送丝机送丝速度由2mm/s在4.5s内均匀变化至1mm/s。
上述铁丝的直径尺寸为1.5mm，铜丝的直径尺寸为1.5mm。铁丝为纯铁，铜丝为纯铜。

Claims (9)

1.小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对碳钢基板进行预处理，对表面采用丙酮进行清洗，并将基板放置于旋转装置上；
(2)ABB机器人装载双丝末端运动到基板上方1.7mm处；
(3)焊机启动，钨极起弧，旋转装置开始旋转，每周旋转时间为1.5s，ABB机器人末端开始以1mm/s速度向上移动；以高值电流段铁丝进行增材钢芯半个周期，在完成增材的钢芯外围以低值电流段铁丝进行增材铜层半个周期形成一个增材周期，进行增材；
(4)旋转装置旋转650圈后，此时增材柱体长度区间长度为100.5～101.2mm，送丝速度开始产生渐变，实芯铜丝和实芯铁丝的熔化速度与熔滴过渡速度不断产生变化，形成椎体；完成小直径金属分层柱椎体的增材。
2.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，步骤(3)中，铜丝送丝速度控制在3mm/s，铁丝送丝速度控制在2mm/s。
3.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，一个增材周期具体为：增材电流处于230A时，负载维持时间为1.5s，此时铁丝开始熔化，铜丝送丝机停止送丝；
此后，增材电流变为180A，负载维持时间为1.5s，此时铁丝不熔化，实芯铜丝送丝机开始送丝，铜丝熔化。
4.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，送丝速度开始产生变化具体为，铜丝送丝机送丝速度由3mm/s在4.5s内均匀变化至1mm/s；铁丝送丝机送丝速度由2mm/s在4.5s内均匀变化至1mm/s。
5.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，基板尺寸为100mm x100mm x50mm，基板的材料为纯钢。
6.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，铁丝的直径尺寸为1.5mm，铜丝的直径尺寸为1.5mm。
7.根据权利要求1或6所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，铁丝为纯铁，铜丝为纯铜。
8.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，钨极为铈钨极。
9.根据权利要求1所述的小直径金属分层柱椎体机器人单弧双丝偏心式增材方法，其特征在于，焊机产生的电流波形为方波波形，该波形周期为3秒。
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