CN114082989A - 一种多热源可调配成分的增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多热源可调配成分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；激光镜组包括反射镜组和凸透镜。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配比的优点。

Description

一种多热源可调配成分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，特别是涉及一种多热源可调配成分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。
中国专利：CN202110633084.2，发明名称：一种丝-粉协同+激光-电弧复合的增材制造装置及方法，其公开了一种丝粉配合激光电弧多热源的增材设备及使用方法，通过多种模式设计增材制造，实现增材制造多样化、提升增材制造效率、具有成形质量好、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。但是，发明人的在先申请虽然实现场-力-热结合实现上述效果，然发明人在该设备使用过程中发现，在该设备的运行过程中，尤其是针对多层材质增材制作时，无法做到单一设备快速的调节成分配比，尤其是该设备内腔的粉料成分的调配相对单一困难；其次，现有技术中也有设置在单轴上增设有若干的进料口，以不同进料口填充不同单质粉在主轴内混合的方式，但是，发明人在实际操作中发现，这种方式的设备在使用过程中仍有诸多的不便，首先是对每个进料口粉料的单独控制较为繁琐，且尤其涉及到部分的粉料之间。
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多热源可调配成分的增材制造装置，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、组合性强的特点，尤其是本发明相对现有技术具备了更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：一种多热源可调配成分的增材制造装置，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，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，所述变幅杆包括主轴螺旋搅拌组件以及若干侧轴螺旋搅拌组件，所述主轴螺旋搅拌杆与侧轴螺旋搅拌杆可相对工作与差速调节，所述变幅杆下端呈内凹球形曲面状，所述变幅杆还包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔设置有与变幅杆内腔相连通的送粉与送气联合通道，且所述第一空腔的末端均连接第二空腔，所述主轴螺旋搅拌组件包括主轴螺旋搅拌杆以及设置在主轴螺旋搅拌杆外周的第一螺旋叶片与第二螺旋叶片，所述主轴螺旋搅拌杆内设有送丝与送气联合通道，所述变幅杆上部开口正对送丝与送气联合通道处设有一对送丝轮；
所述侧轴螺旋搅拌组件包括侧轴螺旋搅拌杆以及设置在侧轴螺旋搅拌杆外周的第一螺旋叶片；
所述激光镜组包括反射镜组以及凸透镜，所述变幅杆与空心钨极的外侧还设置有激光通道，所述反射镜组设置在激光通道中，所述凸透镜沿轴向滑动设置在变幅杆外周，所述凸透镜可沿变幅杆上下滑移调节两对称激光焦点与焊丝间的光丝距，且所述凸透镜位于反射镜组的末端，所述凸透镜用于将由反射镜组反射的入射激光聚焦成束在基材上。
通过采用上述技术方案，通过送丝轮送进焊丝，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，并且金属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，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。
作为上述方案的进一步设置，所述主轴螺旋搅拌杆的底部连接有空心钨极，所述空心钨极通过上固定销和下固定销分别与主轴螺旋搅拌杆以及变幅杆相连接，所述空心钨极上设有与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。
作为上述方案的进一步设置，所述变幅杆下端开设有冷却腔、供冷却液进入冷却腔的冷却液进口以及供冷却液排出的冷却液出口，所述冷却腔包覆在空心钨极外周，所述空心钨极的外壁上还套设有绝缘套，所述冷却腔位于空心钨极和绝缘套之间设置。
作为上述方案的进一步设置，所述变幅杆下端连接有滚压轮组件，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。
作为上述方案的进一步设置，所述侧轴螺旋搅拌杆在停止工作时，其对应的第一空腔内的金属粉末将滞留在第一空腔内，所述侧轴螺旋搅拌杆可相对主轴螺旋搅拌杆和其它所述侧轴螺旋搅拌杆独立调节转速和运行控制粉料配比设置。
一种应用上述制造设备的多热源可调配成分的增材制造方法，其特征在于：所述制造方法包括以下方式中的任意一种：
a、启动激光热源，并关闭电弧热源：此时，金属粉末由送粉与送气联合通道通入变幅杆的第一空腔中，在主轴螺旋搅拌杆与侧轴螺旋搅拌杆超声振动搅拌下充分均匀混合，并在空心钨极的第二通道中进行预热，调节激光镜组，金属粉末经过激光热源发生加热-熔化-形成金属熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端形成的超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现激光同轴送粉增材制造；
b、启动激光热源，并关闭电弧热源：此时，金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，进入送丝与送气联合通道，并在空心钨极中进行预热，调节激光镜组，金属焊丝经过激光热源发生加热-熔化-形成金属熔滴，金属熔滴在变幅杆内凹球形曲面状末端形成的超声场超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现激光同轴送丝增材制造；
c、关闭激光热源，并开启电弧热源：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超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现电弧同轴送粉增材制造；
d、关闭激光热源，并开启电弧热源：金属由送丝轮进行紧固传送，进入送丝与送气联合通道，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超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现电弧同轴送丝增材制造；
e、开启激光热源，并开启电弧热源：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超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送粉增材制造；
f、开启激光热源，并开启电弧热源：金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，送丝与送气联合通道，并且金属焊丝被输送至空心钨极进行预热，调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属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超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送丝增材制造；
g、开启激光热源，并开启电弧热源：金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，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，与金属焊丝同轴传送至空心钨极进行预热，调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末和金属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超声场以及滚压轮组件的滚压作用下，实现多热源可调配成分增材制造。
作为上述方案的进一步设置，所述的变幅杆中的主轴螺旋搅拌杆与侧轴螺旋搅拌杆可控制调节其相对的旋转速度与开闭状态，其用于对由第一空腔进入第二空腔内的金属粉末的元素成分配比进行调节，其金属粉末的元素成分配比进行调节形式如下：
1)主轴螺旋搅拌杆转动，侧轴螺旋搅拌杆不转动，单一种类金属粉末成分通过在变幅杆合成，配合热源与金属焊丝的送进情况实现单种类金属粉末材料增材制造；
2)主轴螺旋搅拌杆与侧轴螺旋搅拌杆都转动，单一种类金属粉末成分通过变幅杆合成，并通过调节主轴螺旋搅拌杆与各侧轴螺旋搅拌杆的相对转速，实现多种类金属粉末成分的差时送进，多成分元素金属粉末成分的合成，配合热源与金属焊丝的送进情况实现多种类金属粉末材料增材制造。
作为上述方案的进一步设置，所述激光镜组可通过上下滑移调节凸透镜，以调整焊枪姿态，其用于调节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多热源可调配成分模式：
(1)、在焊枪姿态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。
作为上述方案的进一步设置，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。
作为上述方案的进一步设置，利用所述空心钨极对金属粉末和金属焊丝中的至少一种材料进行预热时，所述冷却腔中的冷却液位于空心钨极的外表面对其进行冷却，带走温度，且通过绝缘套隔绝空心钨极与外界空气环境。
本发明进一步设置为，所述的变幅杆中的主轴螺旋搅拌杆与侧轴螺旋搅拌杆可控制调节其相对的旋转速度与开闭状态，启用于对由第一空腔进入第二空腔内的金属粉末的元素成分配比进行调节
本发明进一步设置为，所述激光镜组可通过上下滑移调节凸透镜，以调整焊枪姿态，其用于调节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多热源可调配成分模式：
(1)、在焊枪姿态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，利用所述空心钨极对金属粉末和金属焊丝中的至少一种材料进行预热时，所述冷却腔中的冷却液位于空心钨极的外表面对其进行冷却，带走温度，且通过绝缘套隔绝空心钨极与外界空气环境。
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、相较于现有的增材制造技术而言，现有技术中对合金成分的配比往往是以预调配比金属单质粉末以及通过反复添加的方式进行，本发明通过设置可单独控制的若干侧轴螺旋搅拌的方式，其特点在于，通过侧轴组件在尤其是制作多层复合且多层材质配比以及成分不同的增材时，现有技术的设备需要停下设备进行添粉、换粉或对同一增材进行多次的流程加工，操作繁琐且在工序断开后上下层增材之间容易产生杂质，本发明通过控制侧轴的相对启动与停止即可控制第二空腔内的混合粉末的材料成分，通过控制侧轴的相对转速即可控制第二空腔内混合粉末的材料配比，完美的解决了现有技术需要预配置粉末配比等繁琐步骤；
3、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，以及多种主要合金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。
4、空心钨极的旋转设置和所述电缆式焊丝的采用，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；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；与传统的制造方法相比，本发明提出的多热源可调配成分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激光光路示意图。
图3为本发明图1的变幅杆末端空心钨极的结构示意图。
图4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、变幅杆；21、主轴螺旋搅拌组件；211、主轴螺旋搅拌杆；212、第一螺旋叶片；213、第二螺旋叶片；215、空心钨极；216、上固定销；217、下固定销；22、侧轴螺旋搅拌组件；221、第一空腔；222、第二空腔；25、第一通道；26、第二通道；28、侧轴螺旋搅拌杆；29、绝缘套；3、换能器；31、冷却液出口；32、冷却液进口；33、冷却腔；36、凸透镜；37、反射镜组；4、送粉与送气联合通道；9、压缩弹簧；10、滑槽；11、滚压轮；12、滚压轮组件；13、连接座；14、弹簧槽。
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1：本发明提供了一种多热源可调配成分的增材制造装置，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，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2以及设置在变幅杆2内的换能器3，所述变幅杆2包括主轴螺旋搅拌组件21以及若干侧轴螺旋搅拌组件22，所述主轴螺旋搅拌杆211与侧轴螺旋搅拌杆28可相对工作与差速调节，所述变幅杆2下端呈内凹球形曲面状，所述变幅杆2还包括第一空腔221和第二空腔222，所述第一空腔7设置有与变幅杆2内腔相连通的送粉与送气联合通道4，且所述第一空腔221的末端均连接第二空腔222，所述主轴螺旋搅拌组件21包括主轴螺旋搅拌杆211以及设置在主轴螺旋搅拌杆211外周的第一螺旋叶片212与第二螺旋叶片213，所述主轴螺旋搅拌杆211内设有送丝与送气联合通道2111，所述变幅杆2上部开口正对送丝与送气联合通道2111处设有一对送丝轮2112；
所述侧轴螺旋搅拌组件2包括侧轴螺旋搅拌杆28以及设置在侧轴螺旋搅拌杆28外周的第一螺旋叶片212；
所述激光镜组包括反射镜组37以及凸透镜36，所述变幅杆2与空心钨极215的外侧还设置有激光通道15，所述反射镜组37设置在激光通道15中，所述凸透镜36沿轴向滑动设置在变幅杆2外周，所述凸透镜36可沿变幅杆2上下滑移调节两对称激光焦点与焊丝间的光丝距，且所述凸透镜36位于反射镜组37的末端，所述凸透镜36用于将由反射镜组37反射的入射激光聚焦成束在基材上。
多热源可调配成分增材制造过程中，金属焊丝由送丝轮2112进行紧固传送，送入送丝与送气联合通道2111。以此同时，金属粉末由送粉与送气联合通道4通入变幅杆2第一空腔221中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合。然后金属粉末与金属焊丝被同轴传送至空心钨极215的第二通道26的腔内进行预热。调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源有效复合。金属粉末和金属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2末端产生的超声场下加上滚压轮组件12产生的滚压作用下，实现多热源可调配成分增材制造。
如附图1所示，所述变幅杆2上的多对对称送粉与送气联合通道4，可传送单质粉，合金粉及其组合。可在第一空腔221中，开闭以及调节主轴螺旋搅拌杆211，两根侧轴螺旋搅拌杆28的旋转速度，进行混合粉末。混合后的金属粉末，进入第二空腔222中，再次被混合或均匀搅拌，实现单种混合原材料和梯度多材料粉末制备。
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。
如附图2所示，所述的激光镜组包括反射镜组37以及凸透镜36。所述反射镜组37设置在激光通道中。所述凸透镜36沿轴向滑动设置在变幅杆2外周。
如附图3所示，所述的空心钨极215包括第一通道25以及第二通道33的组合。金属焊丝由第一通道25穿过，金属粉末由第二通道33穿过，且在空心钨极215内形成双通道重叠加热区域。所述空心钨极215双通道的过渡，保证丝-粉顺利预热，同轴送进。通过上固定销216和下固定销217的开闭状态进行控制空心钨极215的旋转和非旋转运动。通过紧固上固定销216打开下固定销217，实现空心钨极215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216，紧固下固定销217，实现常规增材制造。同时，调节主轴螺旋搅拌杆211的旋转速度，可改变电弧形态。
如附图3所示，所述的变幅杆2下端开设有冷却腔33、供冷却液进入冷却腔33的冷却液进口32以及供冷却液排出的冷却液出口31。所述冷却腔33包覆在空心钨极215的外周。所述空心钨极215的外壁上还套设有绝缘套29。冷却腔33位于空心钨极215和绝缘套29之间，所述冷却腔33用于通过内部流动的冷却液冷却空心钨极1215，带走温度，并用绝缘套29隔绝空心钨极215，保证操作人员安全。
如附图4所示，所述滚压轮组件12包括连接座13、滚压轮11以及压缩弹簧9，所述变幅杆2下端还开设有滑槽10以及与滑槽10相连通的弹簧槽14，所述连接座13滑动设置在滑槽10内，所述压缩弹簧9设置于弹簧槽14中并且压缩弹簧9的两端分别与弹簧槽14内端以及连接座13内端相抵，所述滚压轮11转动设置在连接座13上。超声振动滚压构件过程中，压缩弹簧9被压缩，形成弹性滚压，防止刚性挤压，破坏成形件与滚压轮11。
实施例2：本发明还提供了一种多热源可调配成分的增材制造方法，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和构件在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，金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，进入送丝与送气联合通道，并在空心钨极中进行预热，调节激光镜组，金属焊丝经过激光热源发生加热-熔化-形成熔滴，金属熔滴在主轴变幅杆内凹球形曲面状末端产生的超声场和构件在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和构件在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，金属由送丝轮进行紧固传送，进入送丝与送气联合通道，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和构件在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和构件在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，金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，送丝与送气联合通道，并且金属焊丝被输送至空心钨极进行预热，调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属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和构件在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，金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，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，与金属焊丝同轴传送至空心钨极进行预热，调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末和金属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和构件在滚压机构的滚压作用下，实现多热源可调配成分增材制造。
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。
所述的变幅杆中的主轴与侧部螺旋搅拌杆是通过调节旋转速度与开闭状态，实现金属元素成分调节，所述的成分调节形式可实现一下几种粉末送进模式：
a.主轴螺旋搅拌杆转动和侧轴螺旋搅拌杆不转动，单一种类金属粉末成分通过主轴变幅杆合成与送进，配合热源与金属焊丝的送进情况实现单种类金属粉末材料增材制造。
b.主轴螺旋搅拌杆不转动和侧轴螺旋搅拌杆转动或主轴与侧轴螺旋搅拌杆都转动，单一种类金属粉末成分通过主轴和侧轴变幅杆合成与送进，并通过调节螺旋搅拌杆转速，实现多种类金属粉末成分的差时送进，多成分元素金属粉末成分的合成，配合热源与金属焊丝的送进情况实现多种类金属粉末材料增材制造。
所述的调节激光镜组是通过上下滑移调节凸透镜，调整焊枪姿态，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多热源可调配成分模式：
(1)、在焊枪姿态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，空心钨极随主轴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金属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。
本发明的制造装置的技术效果包括，其在使用时相对于现有技术的单轴螺旋送粉制造设备往往需要在设备启动前预调配金属单质粉末，尤其是现有设备的单轴螺旋设备为了避免金属单质的非要求混合，一般都设置单送粉通道，这种方式一旦需要需要多配比调节的制造任务时，此类设备的操作会需要反复的添粉或切换原料，这不仅导致了预先调配混合金属粉末的严格耗材控制程序，且一旦配置过多将存在损耗等问题，其次，在制造过程中一旦混合金属粉末不足将导致重新调配花费大量时间以及重复性工作增加，且容易引起前后两次调配的材料混合配比的偏差对合金造成影响，本发明的设备设置可单独控制的若干侧轴螺旋搅拌的方式，其特点在于，通过侧轴组件在尤其是制作多层复合且多层材质配比以及成分不同的增材时，现有技术的设备需要停下设备进行添粉、换粉或对同一增材进行多次的流程加工，操作繁琐且在工序断开后上下层增材之间容易产生杂质，本发明通过控制侧轴的相对启动与停止，即可控制对应螺旋搅拌轴的工作，实现对进入第二空腔内的混合粉末的材料成分的控制，通过控制侧轴的相对转速即可控制第二空腔内混合粉末的材料配比，完美的解决了现有技术需要预配置粉末配比等繁琐步骤，本发明设备该结构的改进简化了现有技术在多配比增材制造过程中的工作耗时以及提升了合金的配比控制准确率，同时，也避免了增材过程中因材料供应导致单层增材制造中断添粉，对合金质量的影响，此外，通过侧轴的设计，相对于现有的多通道进单一主轴的设计，侧轴的设计结构相对更加灵活，其可单独的控制单质、在单独轴的第一空腔内混合的配比、进入第二空腔的各粉料的配比，即用户可通过控制侧轴的送粉结构，实现在第一空腔内先对部分同步进料的粉料进行预混合，然后再将其送入第二空腔内进行总的混合，这种控制模式可以使得本发明的送粉结构混料的的成分配比具有相对现有技术更多样化的设计。
本发明的的增材制造方法中对于多根侧轴的设置应用，其单一侧轴和相对其他侧轴调节开关和转速，通过该设计调整可实现，控制单质金属粉末是否添加入第二空腔进行材料配比混合以及单位时间内进入第二空腔的单质材料粉末数量，控制该单质粉末在总的配比中占比质量的特点，该技术结构相对现有技术一般通过单轴添加预混合好的单质粉末混合粉料或单轴设置若干粉末添加的结构设备，大大的便利了尤其是实验室或测试合金制备，对不同组分成分配比的合金进行试制作时的工序，避免了制作过程中预配置混合粉末过多造成浪费、过少制备定量高熵合金出现不足的问题。
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；相较于现有的增材制造技术而言，本发明通过设置可单独控制的若干侧轴螺旋搅拌的方式，通过控制侧轴的相对启动与停止即可控制第二空腔内的混合粉末的材料成分，通过控制侧轴的相对转速即可控制第二空腔内混合粉末的材料配比，完美的解决了现有技术需要预配置粉末配比等繁琐步骤；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，以及多种主要合金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；此外，本发明空心钨极的相对旋转设置和所述电缆式焊丝的采用，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；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；与传统的制造方法相比，本发明提出的多热源可调配成分的增材制造方法具有制备工艺简单，生产周期短等优点。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多热源可调配成分的增材制造装置，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)，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(2)以及设置在变幅杆(2)内的换能器(3)，所述变幅杆(2)包括主轴螺旋搅拌组件(21)以及若干侧轴螺旋搅拌组件(22)，所述主轴螺旋搅拌杆(211)与侧轴螺旋搅拌杆(28)可相对工作与差速调节，所述变幅杆(2)下端呈内凹球形曲面状，所述变幅杆(2)还包括第一空腔(221)和第二空腔(222)，所述第一空腔(7)设置有与变幅杆(2)内腔相连通的送粉与送气联合通道(4)，且所述第一空腔(221)的末端均连接第二空腔(222)，所述主轴螺旋搅拌组件(21)包括主轴螺旋搅拌杆(211)以及设置在主轴螺旋搅拌杆(211)外周的第一螺旋叶片(212)与第二螺旋叶片(213)，所述主轴螺旋搅拌杆(211)内设有送丝与送气联合通道(2111)，所述变幅杆(2)上部开口正对送丝与送气联合通道(2111)处设有一对送丝轮(2112)；
所述侧轴螺旋搅拌组件(2)包括侧轴螺旋搅拌杆(28)以及设置在侧轴螺旋搅拌杆(28)外周的第一螺旋叶片(212)；
所述激光镜组包括反射镜组(37)以及凸透镜(36)，所述变幅杆(2)与空心钨极(215)的外侧还设置有激光通道(15)，所述反射镜组(37)设置在激光通道(15)中，所述凸透镜(36)沿轴向滑动设置在变幅杆(2)外周，所述凸透镜(36)可沿变幅杆(2)上下滑移调节两对称激光焦点与焊丝间的光丝距，且所述凸透镜(36)位于反射镜组(37)的末端，所述凸透镜(36)用于将由反射镜组(37)反射的入射激光聚焦成束在基材上。
2.根据权利要求1所述的一种多热源可调配成分的增材制造装置，其特征在于：所述主轴螺旋搅拌杆(211)的底部连接有空心钨极(215)，所述空心钨极(215)通过上固定销(216)和下固定销(217)分别与主轴螺旋搅拌杆(211)以及变幅杆(2)相连接，所述空心钨极(215)上设有与送丝与送气联合通道(2111)相连通的第一通道(25)以及与变幅杆(2)内腔相连通的第二通道(26)。
3.根据权利要求2所述的一种多热源可调配成分的增材制造装置，其特征在于：所述变幅杆(2)下端开设有冷却腔(33)、供冷却液进入冷却腔(33)的冷却液进口(32)以及供冷却液排出的冷却液出口(31)，所述冷却腔(33)包覆在空心钨极(215)外周，所述空心钨极(215)的外壁上还套设有绝缘套(29)，所述冷却腔(33)位于空心钨极(215)和绝缘套(29)之间设置。
4.根据权利要求1所述的一种多热源可调配成分的增材制造装置，其特征在于：所述变幅杆(2)下端连接有滚压轮组件(12)，所述滚压轮组件(12)包括连接座(13)、滚压轮(11)以及压缩弹簧(9)，所述变幅杆(2)下端还开设有滑槽(10)以及与滑槽(10)相连通的弹簧槽(14)，所述连接座(13)滑动设置在滑槽(10)内，所述压缩弹簧(9)设置于弹簧槽(14)中并且压缩弹簧(9)的两端分别与弹簧槽(14)内端以及连接座(13)内端相抵，所述滚压轮(11)转动设置在连接座(13)上。
5.根据权利要求1所述的一种多热源可调配成分的增材制造装置，其特征在于:所述侧轴螺旋搅拌杆(28)在停止工作时，其对应的第一空腔(221)内的金属粉末将滞留在第一空腔(221)内，所述侧轴螺旋搅拌杆(28)可相对主轴螺旋搅拌杆(211)和其它所述侧轴螺旋搅拌杆(28)独立调节转速和运行控制粉料配比设置。
6.一种应用上述制造设备的多热源可调配成分的增材制造方法，其特征在于：所述制造方法包括以下方式中的任意一种：
a、启动激光热源，并关闭电弧热源：此时，金属粉末由送粉与送气联合通道(4)通入变幅杆(2)的第一空腔(221)中，在主轴螺旋搅拌杆(211)与侧轴螺旋搅拌杆(28)超声振动搅拌下充分均匀混合，并在空心钨极(215)的第二通道(26)中进行预热，调节激光镜组，金属粉末经过激光热源发生加热-熔化-形成金属熔滴，金属熔滴在变幅杆(2)内凹球形曲面状末端形成的超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现激光同轴送粉增材制造；
b、启动激光热源，并关闭电弧热源：此时，金属焊丝由送丝轮(2112)进行紧固传送，进入送丝与送气联合通道(2111)，并在空心钨极(215)中进行预热，调节激光镜组，金属焊丝经过激光热源发生加热-熔化-形成金属熔滴，金属熔滴在变幅杆(2)内凹球形曲面状末端形成的超声场超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现激光同轴送丝增材制造；
c、关闭激光热源，并开启电弧热源：金属粉末由送粉与送气联合通道(4)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(215)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超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现电弧同轴送粉增材制造；
d、关闭激光热源，并开启电弧热源：金属由送丝轮(2112)进行紧固传送，进入送丝与送气联合通道(2111)，在空心钨极(215)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超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现电弧同轴送丝增材制造；
e、开启激光热源，并开启电弧热源：金属粉末由送粉与送气联合通道(4)通入变幅杆(2)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(215)的双空心部进行预热，调节激光镜组，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(2)内凹球形曲面状末端产生的超声场超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送粉增材制造；
f、开启激光热源，并开启电弧热源：金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，送丝与送气联合通道，并且金属焊丝被输送至空心钨极(215)进行预热，调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属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(2)内凹球形曲面状末端产生的超声场超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现激光-电弧复合同轴送丝增材制造；
g、开启激光热源，并开启电弧热源：金属焊丝由送丝轮进行紧固传送，与此同时，金属粉末由送粉与送气联合通道(4)通入变幅杆(2)内腔中，在螺旋搅拌杆的超声振动搅拌下充分均匀混合，与金属焊丝同轴传送至空心钨极(215)进行预热，调节激光镜组，完成激光热源与电弧热源的有效复合，金属粉末和金属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(2)内凹球形曲面状末端产生的超声场超声场以及滚压轮组件(12)的滚压作用下，实现多热源可调配成分增材制造。
7.根据权利要求6所述的一种多热源可调配成分的增材制造方法，其特征在于：所述的变幅杆(2)中的主轴螺旋搅拌杆(211)与侧轴螺旋搅拌杆(28)可控制调节其相对的旋转速度与开闭状态，其用于对由第一空腔(221)进入第二空腔(222)内的金属粉末的元素成分配比进行调节，其金属粉末的元素成分配比进行调节形式如下：
1)主轴螺旋搅拌杆转动，侧轴螺旋搅拌杆不转动，单一种类金属粉末成分通过在变幅杆(2)合成，配合热源与金属焊丝的送进情况实现单种类金属粉末材料增材制造；
2)主轴螺旋搅拌杆与侧轴螺旋搅拌杆都转动，单一种类金属粉末成分通过变幅杆(2)第二空腔混合，并通过调节主轴螺旋搅拌杆与各所述侧轴螺旋搅拌杆的相对转速，实现多种类金属粉末成分的差时送进，多成分元素金属粉末成分的合成，配合热源与金属焊丝的送进情况实现多种类金属粉末材料增材制造。
8.根据权利要求6所述的一种多热源可调配成分的增材制造方法，其特征在于：所述激光镜组可通过上下滑移调节凸透镜(36)，以调整焊枪姿态，其用于调节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多热源可调配成分模式：
(1)、在焊枪姿态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。
9.根据权利要求6所述的一种多热源可调配成分的增材制造方法，其特征在于：所述空心钨极(215)具有旋转和非旋转两种运动状态：
旋转状态：紧固上固定销(216)，打开下固定销(217)，空心钨极(215)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；非旋转状态：打开上固定销(216)，紧固下固定销(217)，实现常规增材制造。
10.根据权利要求6所述的一种多热源可调配成分的增材制造方法，其特征在于：利用所述空心钨极(215)对金属粉末和金属焊丝中的至少一种材料进行预热时，所述冷却腔(33)中的冷却液位于空心钨极(215)的外表面对其进行冷却，带走温度，且通过绝缘套(29)隔绝空心钨极(215)与外界空气环境。
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