CN114160923A - 一种三角式三丝协同高效mig电弧增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置及方法。包括三角式三丝增材枪，协同增材电源和控制系统；三角式三丝增材枪包括安装板和三个呈等腰三角形位置可调的安装在安装板的焊枪；协同增材电源包括三台可相互通信的MIG电源，三台电源分别输出脉冲电流，脉冲电流峰值占空比≤1/3，通过控制系统实现电源输出电流的脉冲相位控制，使三台电源交替输出电流峰值，输出峰值电流相位角相差120°。本发明装置操作简便，三丝增材过程稳定，在获得优异的增材成形质量的同时，可大幅度提高电弧增材效率，同时能够实现异种金属交织增材，获得梯度复合材料构件。

Description

一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置及方法

技术领域

本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置及方法。

背景技术

电弧增材制造技术以其较高的沉积效率、较低的成本以及良好的制造灵活性，特别适合于大尺寸金属结构零件的直接制造。电弧增材制造系统设备相对简单，能够获得尺寸较大的零部件，且在常温下就能进行生产制造，是目前应用较为广泛、成本较低的增材制造技术。

为了进一步提升电弧增材效率，申请号为202010074310.3的专利提供一种多丝TIG电弧增材制造装置，在TIG焊枪上安装多丝进给夹持机构，以使两种不同尺寸的焊丝送入熔池，实现多丝送丝增材制造，但是这种方法仅仅适用于TIG电弧增材，采用单热源方式熔化多根丝材，虽然能提高熔覆效率，但由于只有一个热源，导致提高熔覆效率的同时，使单道熔敷金属成形质量不佳(高且宽)，从而会导致搭接质量不佳，并且由于多根丝材共熔池，无法采用异种丝材实现梯度复合材料的增材制造。

申请号为202011349961.5的中国专利提出一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备及其控制方法，但是这种增材装备需采用多个机器人安装多个焊机，通过机器人之间的协同控制实现多丝增材，这种方法装备较为复杂、昂贵，且仅仅实现了双丝的电弧增材，难以拓展到三丝或多丝电弧增材。同时，该方法采用双丝共熔池焊接，往往导致热量在局部区域大量集中，不利于散热以及易导致较大的温度梯度，从而导致较大的变形以及残余应力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置，包括三角式三丝增材枪，协同增材电源和控制系统；

所述三角式三丝增材枪包括安装板和三个呈等腰三角形位置可调的安装在安装板的焊枪；所述协同增材电源包括三台可相互通信的MIG电源，三台电源分别输出脉冲电流，脉冲电流峰值占空比≤1/3，通过控制系统实现电源输出电流的脉冲相位控制，使三台电源交替输出电流峰值，输出峰值电流相位角相差120°。

进一步的，还包括三丝送丝系统，气体输送系统和机械运动系统；

三丝送丝系统实现三个焊枪中焊丝送进的单独控制，所述机械运动系统与安装板连接，用于控制连接板的运动，从而实现对电弧增材路径和姿态的调节；

所述气体输送系统用于为三角式三丝增材枪提供保护气。

进一步的，三丝送丝系统包括三套送丝轮、三套送丝电机、三套送丝接口，及一套壳体。

进一步的，安装板上设有分别供三个焊枪调节位置的导轨，每个焊枪在相应导轨内的位置可调，并通过压紧螺母实现位置的固定。

一种采用上述的装置进行异种梯度材料制备的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：等腰三角形底边的两个焊枪的焊丝选择的材质相同，等腰三角形顶点焊枪的焊丝选择的材质和底边焊丝的不同；

步骤(2)：根据顶点和底边端点的焊丝焊接性能的不同，选择填充式或者搭接式电弧增材方式；

步骤(3)：确定每道次的焊接参数，并将焊接参数输入到分层切片软件中，对焊枪运动轨迹进行规划；

步骤(4)：启动增材制造装备，通保护气，设置三丝协同电源实现三丝交替引弧，送进丝材进行第N层，初始N＝1数据增材；

步骤(5)：使N＝N+1，重复步骤(4)直到整个样件增材完成。

进一步的，当顶点焊丝的焊接性能优于底边端点的焊丝的焊接性能时，采用填充式电弧增材方式；

当底边端点焊丝的焊接性能优于顶点焊丝的焊接性能时，采用搭接式电弧增材方式。

进一步的，顶点的焊丝为高强钢焊丝，底边端点的焊丝为高氮奥氏体不锈钢焊丝，电弧增材方式为填充式。

一种采用上述的方法进行电弧增材的方法，根据待增材的焊丝材质的不同，选择填充式电弧增材、搭接式电弧增材或者间隙式电弧增材。

进一步的，当待增材的焊丝的导热性好、熔池流动性不好时，采用搭接式电弧增材；

当待增材的焊丝的导热性不好、熔池流动性好时，采用间隙式电弧增材后者填充式电弧增材。

进一步的，所述间隙式电弧增材具体为：增大底边端点的两个焊丝之间的间距D，使中间顶点焊丝不能填充好两侧的底边焊丝之间的间隙，而留下中间顶点焊丝与两侧焊丝之间的间隙用下一道次增材填充；

所述搭接式电弧增材具体为：增材时顶点焊丝在前，底边两个焊丝在后，调整D使L1/2≤L1+L2-D≤L1，则顶点焊丝在前面形成一道熔敷金属，底边两个焊丝形成的熔敷金属与顶点焊丝形成的熔敷金属实现搭接，实现样件电弧增材，其中L1为顶点焊丝增材熔敷宽度，L2为位于等腰三角形底边两端的焊丝增材熔敷宽度；

所述填充式电弧增材具体为：增材时顶点焊丝在后，底边两个焊丝在前，调节D使L2/2≤L1+L2-D≤L2且L2≤D，则底边焊丝在前面形成的两道熔敷金属之间留有空隙，未实现搭接，顶点焊丝形成的熔敷金属填充底边焊丝熔敷金属之间的间隙，实现样件电弧增材。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过将呈等腰三角形的三个焊丝安装在同一个安装板上，且通过电源控制使得焊丝的峰值电流相位相差120°，避免了三个焊丝之间的电弧之间相互干扰，且呈等腰三角形布置的三个焊丝在增材时，存在先后关系，使得增材不共熔池，且三角形的焊丝可减轻热量过度局部集中积累，同时改善电弧增材的散热条件，减小构件的整体温度梯度，有利于减少构件变形以及残余应力。

(2)本发明的不共熔池的焊接方式，能够通过不同的焊丝制备异种材料，不同材料之间存在界面、形成梯度复合材料。

(3)通过一个安装板，将三丝焊枪安装在一套机械系统上，系统简单、操作方便，克服了常规多丝增材系统结构复杂、不易操作等缺陷；通过信号协同装置实现了三台MIG电源输出脉冲电流的相位控制，避免了三个电弧之间的相互干扰，使熔滴过渡稳定，减小增材飞溅；电弧增材效率高，可达普通单丝MIG电弧增材的三倍。

附图说明

图1为本发明的三角式三丝协同高效MIG电弧增材示意图。

图2为搭接式电弧增材工艺示意图。

图3为填充式电弧增材工艺示意图。

图4为三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置结构示意图。

图5为协同增材电源电流波形。

图6为三角式三丝增材专用枪结构示意图。

附图标记说明：

1-三角式三丝增材枪，2-三丝送丝系统，3-气体输送系统，4-机械运动系统，5-协同增材电源，6-控制系统，7-焊枪，8-安装板，9-安装螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1-6所示，一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材工艺方法，采用三角式排列的增材专用三丝焊枪进行增材，三根焊丝按照等腰三角形排列，间距可调，三丝焊枪每移动一次可以熔敷三道金属，从而实现高效MIG电弧增材，效率可达普通单丝MIG电弧增材的三倍。

如图1所示，在增材过程中，丝材轴线与增材表面垂直，调节增材工艺使位于等腰三角形顶点的焊丝1增材熔敷宽度为L1，使位于等腰三角形底边两端的焊丝2、焊丝3增材熔敷宽度为L2，则可以通过调节增材方向和焊丝2、焊丝3之间间距D实现不同形式的高效增材工艺。

如图2所示，若采用增材方向1，增材时焊丝1在前，焊丝2、焊丝3在后，调整D使

则焊丝1在在前面形成一道熔敷金属，焊丝2、焊丝3形成的熔敷金属与焊丝1形成的熔敷金属实现搭接，实现样件电弧增材，此工艺称为搭接式电弧增材。例如若调节增材工艺使焊丝1增材熔敷宽度L1为12mm，焊丝2、焊丝3增材熔敷宽度L2为10mm，调节焊丝2、焊丝3之间间距D为12mm，则满足

条件，此时则可以实现搭接式电弧增材工艺。

如图3所示，若采用增材方向2，增材时焊丝1在后，焊丝2、焊丝3在前，调节D使

且L2≤D，则焊丝2、焊丝3在前面形成的两道熔敷金属之间留有空隙，未实现搭接，而焊丝1形成的熔敷金属恰好能够填充焊丝2、焊丝3熔敷金属之间的间隙，实现样件电弧增材，此工艺称为填充式电弧增材。例如若调节增材工艺使焊丝1增材熔敷宽度L1为10mm，焊丝2、焊丝3增材熔敷宽度L2为8mm，调节焊丝2、焊丝3之间间距D为12mm，则满足

且L2≤D条件，此时则可以实现填充式电弧增材工艺。

三丝电弧增材时，焊丝2、焊丝3采用丝材种类相同，焊丝1既可以采用同种丝材，也可以采用异种丝材，分别实现同种金属或异种金属交织增材。例如当焊丝2、焊丝3采用马氏体高强钢丝材，而焊丝1采用奥氏体不锈钢丝材时，则由于奥氏体不锈钢的加入，能够有效避免马氏体高强钢的增材裂纹，增加增材结构件的韧性。

如图4所示，一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置主要由协同增材电源、三丝送丝系统、三角式三丝增材专用枪、机械运动系统、气体输送系统、控制系统等组成。

上述协同增材电源由三台可相互通信的MIG电源组成，经上述控制系统实现电源输出电流的脉冲相位控制。三台电源分别输出脉冲电流，脉冲电流峰值占空比≤1/3。为了避免三个电弧之间的相互干扰，三台电源交替输出电流峰值，输出峰值电流相位角相差120°。如图5所示，当脉冲电流峰值占空比为θ/360°(θ≤120°)时，若电源1电流峰值输出相位区间为0°～θ，则电源2电流峰值输出相位区间为120°～θ+120°，电流3电流峰值输出相位区间为240°～θ+240°。

上述三丝送丝系统是由三套送丝轮、送丝电机、送丝接口及一套壳体组装而成，能够同时实现三根焊丝的送进。

如图6所示，上述三角式三丝增材专用枪安装在圆形安装板上，可以通过调节导轨丝杠系统实现焊丝2、焊丝3之间间距D在10～25mm可调，焊丝1至焊丝2、焊丝3连线的垂直距离D1在15～30mm可调。

上述机械运动系统可以是工业机器人或专用机械结构，末端与增材专用枪安装板连接，可带动增材专用枪在空间内运动，实现电弧增材路径和姿态的调节。

上述气体输送系统用于给三角式三丝增材专用枪提供保护气，在增材时能够防止增材样件被氧化；

上述控制系统用于控制整套装置的工作流程，此外控制系统包括一个信号协同装置，分别与三台MIG电源通过通讯接口连接，能够实现三台MIG电源输出电流的相位控制。

实施例1

采用间隙式电弧增材工艺增材制造高氮奥氏体不锈钢(导热性一般，熔池流动性好)

步骤(1)：确定间隙式电弧增材工艺，每道次熔宽，余高等参数；

步骤(2)：将熔宽，余高等参数输入到分层切片软件中，采用分层切片软件对要增材的高氮钢样件模型进行分层切片，对每层焊枪运动轨迹进行规划，将每层路径分类为奇数类路径以及偶数类路径；

步骤(3)：三丝同时采用高氮奥氏体不锈钢焊丝，调节高氮奥氏体不锈钢增材工艺参数和焊枪工作姿态，使其工作在间隙式增材工艺模式，率先完成奇数类路径的电弧增材，完成后再进行偶数类路径的电弧增材；

步骤(4)：启动增材制造装备，通保护气，根据送丝速度设置三丝协同电源实现三丝交替引弧，送进丝材进行第N层(初始N＝1)数据增材；

步骤(5)：使N＝N+1，重复步骤(3)直到整个样件增材完成。

实施例2

采用搭接式电弧增材工艺增材制造铝合金(导热性好，熔池流动性不佳)

步骤(1)：确定搭接式搭接电弧增材工艺，铝合三丝增材制造每道次熔宽，余高等参数；

步骤(2)：将熔宽，余高等参数输入到分层切片软件中，采用分层切片软件对要增材的铝合金样件模型进行分层切片，对每层焊枪运动轨迹进行规划；

步骤(3)：三丝同时采用高氮奥氏体不锈钢焊丝，调节高氮奥氏体不锈钢增材工艺参数和焊枪工作姿态，使其工作在搭接式增材工艺模式；

步骤(4)：启动增材制造装备，通保护气，根据送丝速度设置三丝协同电源实现三丝交替引弧，送进丝材进行第N层(初始N＝1)数据增材；

步骤(5)：使N＝N+1，重复步骤(3)直到整个样件增材完成。

实施例3

采用填充式电弧增材工艺增材制造高氮奥氏体不锈钢与高强钢复合材料构件(导热性一般，熔池流动性好)

步骤(1)：确定填充式电弧增材工艺，每道次熔宽，余高等参数；

步骤(2)：将熔宽，余高等参数输入到分层切片软件中，采用分层切片软件对要增材的高氮奥氏体不锈钢与高强钢复合材料构件模型进行分层切片，对每层焊枪运动轨迹进行规划；

步骤(3)：焊丝1采用高强钢焊丝，焊丝2、3采用高氮奥氏体不锈钢焊丝，调节高氮奥氏体不锈钢以及高强钢增材工艺参数和焊枪工作姿态，使其工作在填充式增材工艺模式；

步骤(4)：启动增材制造装备，通保护气，根据送丝速度设置三丝协同电源实现三丝交替引弧，送进丝材进行第N层(初始N＝1)数据增材；

步骤(5)：使N＝N+1，重复步骤(3)直到整个样件增材完成。

Claims (10)

1.一种三角式三丝协同高效MIG电弧增材装置，其特征在于，包括三角式三丝增材枪(1)，协同增材电源(5)和控制系统(6)；

所述三角式三丝增材枪(1)包括安装板(8)和三个呈等腰三角形位置可调的安装在安装板(8)的焊枪(7)；所述协同增材电源(5)包括三台可相互通信的MIG电源，三台电源分别输出脉冲电流，脉冲电流峰值占空比≤1/3，通过控制系统(6)实现电源输出电流的脉冲相位控制，使三台电源交替输出电流峰值，输出峰值电流相位角相差120°。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括三丝送丝系统(2)，气体输送系统(3)和机械运动系统(4)；

三丝送丝系统(2)实现三个焊枪中焊丝送进的单独控制，所述机械运动系统(4)与安装板(8)连接，用于控制连接板(8)的运动，从而实现对电弧增材路径和姿态的调节；

所述气体输送系统(3)用于为三角式三丝增材枪(1)提供保护气。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，三丝送丝系统(2)包括三套送丝轮、三套送丝电机、三套送丝接口，及一套壳体。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，安装板(8)上设有分别供三个焊枪调节位置的导轨，每个焊枪(7)在相应导轨内的位置可调，并通过压紧螺母(9)实现位置的固定。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的装置进行异种梯度材料制备的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：等腰三角形底边的两个焊枪的焊丝选择的材质相同，等腰三角形顶点焊枪的焊丝选择的材质和底边焊丝的不同；

步骤(2)：根据顶点和底边端点的焊丝焊接性能的不同，选择填充式或者搭接式电弧增材方式；

步骤(3)：确定每道次的焊接参数，并将焊接参数输入到分层切片软件中，对焊枪运动轨迹进行规划；

步骤(4)：启动增材制造装备，通保护气，设置三丝协同电源实现三丝交替引弧，送进丝材进行第N层，初始N＝1数据增材；

步骤(5)：使N＝N+1，重复步骤(4)直到整个样件增材完成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当顶点焊丝的焊接性能优于底边端点的焊丝的焊接性能时，采用填充式电弧增材方式；

当底边端点焊丝的焊接性能优于顶点焊丝的焊接性能时，采用搭接式电弧增材方式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，顶点的焊丝为高强钢焊丝，底边端点的焊丝为高氮奥氏体不锈钢焊丝，电弧增材方式为填充式。

8.一种采用权利要求1-4任一项所述的方法进行电弧增材的方法，其特征在于，根据待增材的焊丝材质的不同，选择填充式电弧增材、搭接式电弧增材或者间隙式电弧增材。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当待增材的焊丝的导热性好、熔池流动性不好时，采用搭接式电弧增材；

当待增材的焊丝的导热性不好、熔池流动性好时，采用间隙式电弧增材后者填充式电弧增材。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述间隙式电弧增材具体为：增大底边端点的两个焊丝之间的间距D，使中间顶点焊丝不能填充好两侧的底边焊丝之间的间隙，而留下中间顶点焊丝与两侧焊丝之间的间隙用下一道次增材填充；

所述搭接式电弧增材具体为：增材时顶点焊丝在前，底边两个焊丝在后，调整D使L1/2≤L1+L2-D≤L1，则顶点焊丝在前面形成一道熔敷金属，底边两个焊丝形成的熔敷金属与顶点焊丝形成的熔敷金属实现搭接，实现样件电弧增材，其中L1为顶点焊丝增材熔敷宽度，L2为位于等腰三角形底边两端的焊丝增材熔敷宽度；

所述填充式电弧增材具体为：增材时顶点焊丝在后，底边两个焊丝在前，调节D使L2/2≤L1+L2-D≤L2且L2≤D，则底边焊丝在前面形成的两道熔敷金属之间留有空隙，未实现搭接，顶点焊丝形成的熔敷金属填充底边焊丝熔敷金属之间的间隙，实现样件电弧增材。

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