CN114378312A - 一种钢/铝结构熔滴沉积复合tig电弧增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置及方法，采用非熔化极惰性气体保护电弧和感应线圈两种热源；通过感应加热熔化坩埚内铝合金原材料，并以气压驱动方式将铝合金熔滴精确可控沉积到TIG电弧在钢基板表面产生的熔池中；根据零件的几何形状，对待打印的工件进行建模，利用基板运动控制系统自动规划基板移动路径确定沉积轨迹与每层层高。本发明能够实现铝合金与钢的高质量结合，满足后续机械加工和使用需求；并且工艺流程短、沉积效率高、材料和设备成本低。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置及方法。
背景技术
钢/铝双金属结构因其重量轻、成本低、综合性能优越在汽车、船舶等工业中得到了越来越多的应用，但是由于钢和铝之间物理和化学性质差异大、熔池温度梯度大，存在很难形成熔合区与高强度的冶金结合的问题。
目前，现有的一种汽车车身钢铝异种金属感应滚压复合连接的方法，包括感应加热电源、驱动装置、感应加热器以及滚压装置，可以使得热源直接作用于钢铝接触面，但钢铝之间不具有永久连接性；另外一种钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法，通过钢/铝异种金属渐进地一步连续成形或在钢成型件基体上增材制造铝合金工艺，实现复杂结构的钢/铝异种金属零件的一体化增材制造，但该方法所使用激光器设备昂贵，丝状或粉末状原材料制备工艺流程长，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置及方法，以解决现有技术所存在的由于钢和铝之间物理和化学性质差异大、熔池温度梯度大，很难形成熔合区与高强度的冶金结合的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，包括用于熔化铝合金沉积层材料的感应加热装置，感应加热装置依次连接熔滴生成模块，熔池生成模块和变极性电弧发生装置；
熔滴生成模块用于控制铝合金熔滴的生成；熔池生成模块和变极性电弧发生装置用于配合在基板的表面生成熔池，熔池生成模块连接有基板运动控制系统；基板运动控制系统用于调节基板的速度与运动方向；
熔滴生成模块还连接有熔滴控制系统。
具体的，基板运动控制系统包括3D运动平台，基板设置在3D运动平台上，基板的一侧设置有变极性电弧发生装置的TIG焊枪，用于在基板的表面形成熔池，感应加热装置的涂覆头设置在熔池的上方，涂覆头能够将熔化后的沉积层材料熔滴滴入熔池内，熔池远离TIG焊枪的一侧设置有沉积层。
进一步的，涂覆头的外侧设置有感应线圈，涂覆头上设置有压电陶瓷促动器，涂覆头的内部填充有氩气。
本发明的另一个技术方案是，一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，包括步骤：
S1、对沉积层进行3D模型分层，获得各层基板的移动路径；
S2、选取沉积层材料；
S3、采用感应加热方法熔化步骤S2选取的沉积层材料；
S4、将基板固定在3D运动平台上；
S5、设置焊枪参数，在步骤S4的基板表面产生熔池；
S6、设置熔滴控制系统参数，将步骤S3熔化后的沉积层材料熔滴送入步骤S5基板表面电弧产生的熔池中；
S7、设置基板运动控制系统参数，按照步骤S1获得的各层基板的移动路径，从第一层沉积层开始打印；
S8、待步骤S7打印完成所有层数后，获得钢/铝双金属结构。
具体的，步骤S2中，沉积层材料为铝合金。
进一步的，铝合金的形状包括丝状、颗粒状、块状和不规则形状。
具体的，步骤S4中，基板为钢板。
具体的，步骤S5中，焊枪参数包括占空比、脉冲频率、基值和峰值电流、直流反接和直流正接峰值电流时间、弧长、保护气体流量，焊枪角度与位置。
具体的，步骤S6中，熔滴控制系统参数包括熔滴温度、高度、频率、体积和速度。
具体的，步骤S7中，基板运动控制系统参数包括基板速度和方向。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，采用非熔化极惰性气体保护电弧和感应线圈两种热源；通过感应加热熔化坩埚内铝合金原材料，并以气压驱动方式将铝合金熔滴精确可控沉积到TIG电弧在钢基板表面产生的熔池中；本发明能够实现铝合金与钢的高质量结合，满足后续机械加工和使用需求；并且工艺流程短、沉积效率高、材料和设备成本低。
进一步的，根据零件的几何形状，对待打印的工件进行建模，利用基板运动控制系统自动规划基板移动路径确定沉积轨迹与每层层高。
本发明一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，针对由于钢和铝之间物理和化学性质差异大、熔池温度梯度大，很难形成熔合区与高强度的冶金结合的特点，将沉积层进行3D模型分层，获得各层基板移动路径；选用感应加热方法熔化沉积层材料；设置焊枪参数在基板表面产生熔池；设置熔滴控制系统参数将铝合金熔滴送入电弧产生的熔池；设置基板运动控制系统参数按照第一层沉积层路径进行打印；完成所有层数即可获得目标钢/铝双金属结构，
进一步的，铝合金具有密度低、耐腐蚀、优越的导热性和导电性以及高强度与重量比等诸多优点。
进一步的，铝合金原材料省去传统增材制造方法对粉材或丝材的需求，原材料形式不受局限且成本低。
进一步的，钢具有优异的耐蚀性，高硬度、高强度、成本低等优点。
进一步的，通过设置焊枪的参数在钢基板表面生成所需深度、宽度、温度的熔池。
进一步的，基板运动控制系统参数包括基板速度和方向，用于和变极性电弧发生装置共同作用调节在钢基板表面生成熔池的深度、宽度、温度并控制熔池生成速度与路径。
综上所述，本发明能够通过将铝合金熔滴送入电弧在钢基板表面产生的熔池，促进铝合金和钢之间发生冶金结合，实现铝合金与钢的高质量结合，使得钢/铝既具备铝合金轻量化特征，又具备钢较高的结构性能，同时具备耐腐蚀性与导热性等多方面综合优势，满足后续机械加工和使用需求；并且使用感应加热与TIG电弧作为热源，无需制备粉末、丝材等，实现短工艺流程、高沉积效率、低材料和设备成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置的结构示意图。
图3为本发明熔滴沉积复合TIG电弧过程示意图。
其中：1.压电陶瓷促动器；2.氩气；3.感应线圈；4.涂覆头；5.TIG焊枪；6.铝合金熔滴；7.沉积层；8.熔池；9.钢基板；10.3D运动平面；11.感应加热装置；12.溶滴生成模块；13.熔池生成模块；14.变极性电弧发生装置；15.溶滴控制系统；16.基板控制系统。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，采用非熔化极惰性气体保护电弧和感应线圈两种热源；通过感应加热熔化坩埚内铝合金原材料，并以气压驱动方式将铝合金熔滴精确可控沉积到TIG电弧在钢基板表面产生的熔池中；根据零件的几何形状，对待打印的工件进行建模，利用基板运动控制系统自动规划基板移动路径确定沉积轨迹与每层层高。本发明能够实现铝合金与钢的高质量结合，满足后续机械加工和使用需求；并且工艺流程短、沉积效率高、材料和设备成本低。
请参阅图1，本发明一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，包括以下步骤：
S1、将沉积层进行3D模型分层，获得各层基板移动路径；
S2、选用铝合金为沉积层材料；
铝合金为任意形状，包括丝状、颗粒状、块状和不规则形状。
S3、选用感应加热方法熔化沉积层材料；
感应加热方法为使用感应加热线圈使沉积层材料在坩埚中完全熔化。
S4、选用钢铁为基板材料并将基板固定在3D运动平台上；
基板为表面彻底清理干净。
S5、设置焊枪参数在基板表面产生熔池；
焊枪参数为占空比、脉冲频率、基值和峰值电流、直流反接和直流正接峰值电流时间、弧长、保护气体流量，焊枪角度与位置。
S6、设置熔滴控制系统参数将铝合金熔滴送入电弧产生的熔池；
熔滴控制系统参数为熔滴温度、高度、频率、体积、速度。
S7、设置基板运动控制系统参数按照第一层沉积层路径进行打印；
基板运动控制系统参数为基板速度和方向。
S8、完成所有层数即可获得目标钢/铝双金属结构。
每层打印结束后需在保护气体下冷却后，再进行下一层打印。
本发明还提供一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置的具体实施方式，由于本发明提供的一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置与前述一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法的具体实施方式相对应，该钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。
请参阅图2，本发明一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，包括：
熔滴生成模块12，分别与感应加热装置11以及熔滴控制系统15连接，用于生成铝合金熔滴6并按照所需的温度、高度、频率、体积、速度将产生的铝合金熔滴6送入电弧在基板9表面产生的熔池内。
感应加热装置11包括加热电源、感应线圈3、坩埚、涂覆头4、热电偶、压电陶瓷促动器1、压力控制单元、水冷机；
熔滴控制系统15包括温度控制系统、液滴驱动系统、水冷控制系统、坩埚熔炼系统、压力控制系统。
熔池生成模块13，分别与变极性电弧发生装置和成形基板运动控制系统连接，用于在钢基板表面产生合适熔池，并获得目标钢/铝双金属结构。
变极性电弧发生装置14包括TIG焊枪5、焊接电源、地线、氩气保护装置、气路管线、焊接开关；
基板运动控制系统16包括3D运动平台10、基板固定装置、三维运动系统、计算机控制系统。
请参阅图3，基板9设置在3D运动平面10的上表面，基板9的一侧设置有TIG焊枪5，TIG焊枪5在基板9的表面产生熔池8；熔池8的上方设置有涂覆头4，涂覆头4的外侧设置有感应线圈3，涂覆头4上设置有压电陶瓷促动器1，涂覆头4的内部填充有氩气2，铝合金熔滴6经涂覆头4低落在熔池8上，熔池8远离TIG焊枪5的一侧设置有沉积层7，按照第一层的沉积层路径进行3D打印；完成所有层数即可获得目标钢/铝双金属结构。
具体工作过程如下：
将沉积层7进行3D模型分层，获得各层基板移动路径；选用铝合金为沉积层材料；选用感应加热方法熔化沉积层材料；选用钢铁为基板材料，将基板9固定在3D运动平台10上；设置TIG焊枪5的参数在基板9的表面产生熔池8；设置熔滴控制系统15的参数将铝合金熔滴6送入电弧产生的熔池8内；设置基板运动控制系统参数按照第一层沉积层路径进行打印；完成所有层数即可获得目标钢/铝双金属结构。
综上所述，本发明一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法及装置，能够通过将铝合金熔滴送入电弧在钢基板表面产生的熔池，促进铝合金和钢之间发生冶金结合，实现铝合金与钢的高质量结合，使得钢/铝既具备铝合金轻量化特征，又具备钢较高的结构性能，同时具备耐腐蚀性与导热性等多方面综合优势。满足后续机械加工和使用需求；并且使用感应加热与TIG电弧作为热源，无需制备粉末、丝材等，实现短工艺流程、高沉积效率、低材料和设备成本
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，其特征在于，包括用于熔化铝合金沉积层材料的感应加热装置(11)，感应加热装置(11)依次连接熔滴生成模块(12)，熔池生成模块(13)和变极性电弧发生装置(14)；
熔滴生成模块(12)用于控制铝合金熔滴的生成；熔池生成模块(13)和变极性电弧发生装置(14)用于配合在基板的表面生成熔池，熔池生成模块(13)连接有基板运动控制系统(16)；基板运动控制系统(16)用于调节基板的速度与运动方向；
熔滴生成模块(12)还连接有熔滴控制系统(15)。
2.根据权利要求1所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，其特征在于，基板运动控制系统(16)包括3D运动平台(10)，基板(9)设置在3D运动平台(10)上，基板(9)的一侧设置有变极性电弧发生装置(14)的TIG焊枪(5)，用于在基板(9)的表面形成熔池(8)，感应加热装置(11)的涂覆头(4)设置在熔池(8)的上方，涂覆头(4)能够将熔化后的沉积层材料熔滴滴入熔池(8)内，熔池(8)远离TIG焊枪(5)的一侧设置有沉积层(7)。
3.根据权利要求2所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，其特征在于，涂覆头(4)的外侧设置有感应线圈(3)，涂覆头(4)上设置有压电陶瓷促动器(1)，涂覆头(4)的内部填充有氩气(2)。
4.一种钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，利用权利要求1所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造装置，包括步骤：
S1、对沉积层进行3D模型分层，获得各层基板的移动路径；
S2、选取沉积层材料；
S3、采用感应加热方法熔化步骤S2选取的沉积层材料；
S4、将基板固定在3D运动平台上；
S5、设置焊枪参数，在步骤S4的基板表面产生熔池；
S6、设置熔滴控制系统参数，将步骤S3熔化后的沉积层材料熔滴送入步骤S5基板表面电弧产生的熔池中；
S7、设置基板运动控制系统参数，按照步骤S1获得的各层基板的移动路径，从第一层沉积层开始打印；
S8、待步骤S7打印完成所有层数后，获得钢/铝双金属结构。
5.根据权利要求4所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，步骤S2中，沉积层材料为铝合金。
6.根据权利要求5所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，铝合金的形状包括丝状、颗粒状、块状和不规则形状。
7.根据权利要求1所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，步骤S4中，基板为钢板。
8.根据权利要求4所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，步骤S5中，焊枪参数包括占空比、脉冲频率、基值和峰值电流、直流反接和直流正接峰值电流时间、弧长、保护气体流量，焊枪角度与位置。
9.根据权利要求4所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，步骤S6中，熔滴控制系统参数包括熔滴温度、高度、频率、体积和速度。
10.根据权利要求4所述的钢/铝结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造方法，其特征在于，步骤S7中，基板运动控制系统参数包括基板速度和运动方向。
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