CN114905126A - 丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法，该装置包括等离子弧焊机、送粉器、送丝机、送丝管、焊接机器人、基板和等离子弧焊枪；其中等离子弧焊机的电极连接至等离子弧焊枪和基板；基板还用于承载及固定待制造结构件；焊接机器人夹持等离子弧焊枪和送丝管，送丝管第一端对准送丝机，第二端的出丝口位于等离子弧焊枪的正下方；丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置包括控制模块，控制模块连接至等离子弧焊机、送粉器、送丝机、焊接机器人和等离子弧焊枪；控制模块根据待制造结构件的在不同位置的所需材料成分配比，沿成形路径的不同成形位置上对各设备的送丝参数、送粉参数以及等离子弧参数进行实时调整。

Description

丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法

技术领域

本发明涉及金属材料增材制造技术领域，特别是涉及到等离子弧增材制造金属功能梯度材料领域。

背景技术

功能梯度材料(Functionally graded material，简称FGM)是指两种或多种材料复合而成，成分、结构或微观组织呈现连续或准连续梯度变化的一种非均质材料，可用于制造服役环境随位置变化的多材料零件，不同材料之间梯度区域的存在避免了界面处异质材料由于物理性能突变而在服役过程中而产生的应力集中或开裂等缺陷。功能梯度材料最初的研究是针对航天飞机的超耐热材料，后续在诸多领域比如航空航天、生物医疗、能源等领域得到了广泛的应用。根据材料的类型、功能及尺寸的不同，梯度功能材料的制备方法包括气相沉积、热喷涂、离心浇铸、自蔓延高温合成、粉末烧结等。

增材制造技术是基于离散堆积原理，通过逐点、逐线、逐层堆叠制造零件的方法，增材制造技术的出现为功能梯度材料的制备提供了一种全新的技术解决方案，有望实现整体化、高性能、多功能零件的一体化制造。目前已经公开的用于制造金属功能梯度材料的增材制造工艺主要包括：激光能量净成形(LENS)、激光定向沉积(LDED)、激光选区熔化(SLM)、激光粉床熔融(LPBF)、电弧熔丝增材制造(WAAM)等。

另一方面，在金属增材制造工艺中材料的形式为粉末或丝材，熔丝增材制造工艺的优势是材料利用率高，且材料易于保存、便于携带；熔粉增材制造工艺的优势是可选用的材料范围更广，材料成分调控更加灵活。

但是，现有技术中的金属功能梯度材料增材制造工艺往往只能逐道或逐层改变沉积金属成分，无法实现三维梯度材料的成形，限制了金属功能梯度材料增材制造的推广及应用。

发明内容

为了解决现有技术中的金属功能梯度材料增材制造工艺往往只能逐道或逐层改变沉积金属成分，无法实现三维梯度材料的成形，限制了金属功能梯度材料增材制造的推广及应用的技术问题，本发明提出了一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法，能够在工艺过程中实时控制沉积金属成分，实现成分能够沿沉积方向和扫描方向连续梯度分布的三维功能梯度金属零件的制造，并且在成形过程中能够根据材料的不同选择熔丝、熔粉或者丝粉同熔，突破沉积材料形式的限制。

为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。

一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，包括等离子弧焊机、送粉器、送丝机、送丝管、焊接机器人、基板和等离子弧焊枪；其中等离子弧焊机的电极连接至等离子弧焊枪和基板；基板还用于承载及固定待制造结构件；焊接机器人夹持等离子弧焊枪和送丝管，送丝管第一端对准送丝机，第二端的出丝口位于等离子弧焊枪的正下方；其中丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置包括控制模块，控制模块连接至等离子弧焊机、送粉器、送丝机、焊接机器人和等离子弧焊枪；控制模块根据待制造结构件的在不同位置的所需材料成分配比，沿成形路径的不同成形位置上对各设备的送丝参数、送粉参数以及等离子弧参数进行实时调整。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中还包括热丝机，热丝机连接送丝管的第二端，热丝机的正电极连接至送丝管的第二端，负电极连接至基板；所述热丝机连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整热丝机的热丝参数。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置还包括离子气瓶和载粉气瓶，离子气瓶通过离子气管与等离子弧焊枪的离子气进气口连接，实现等离子弧；载粉气瓶通过送粉气管与送粉器的进气口连接，送粉器的出粉口与等离子弧焊枪的进粉口通过送粉管进行连接，通过等离子弧焊枪的送粉通道从等离子弧焊枪的出粉口吹出，用于为等离子弧焊枪提供焊接粉材；离子气瓶和载粉气瓶连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整离子气管和送粉气管的离子气压和送粉气压；所述离子气瓶和载粉气瓶中的离子气和送粉气为氩气。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中，所述送丝机、送丝管、热丝机均包括多个，形成多个包括送丝机、送丝管和热丝机的送丝组合，其中多个送丝组合的送丝机、送丝管、热丝机的送丝参数和热丝参数由控制模块所独立控制，不同的送丝组合的送丝参数和热丝参数可不相同。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中，所述送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口均包括多个，形成多个包括送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉组合，多个送粉组合中的等离子弧焊枪出粉口喷出的不同粉束之间的汇聚位置在等离子弧焊枪的正下方；其中多个送粉组合的送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉参数和送粉气压被控制模块所独立控制，不同的送粉组合的送粉参数和送粉气压可不相同。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中还包括冷却水箱、出水冷却水管以及回水冷却水管；冷却水箱包括出水口和进水口，等离子弧焊枪也包括出水口和进水口；其中冷却水箱出水口通过出水冷却水管与等离子弧焊枪的进水口连接，冷却水箱进水口通过回水冷却水管与等离子弧焊枪的出水口连接。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中，等离子弧焊枪的等离子弧类型为脉冲等离子弧，等离子弧焊枪底部距离基板的距离为5～15mm之间。

丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中采用的焊接丝材的直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm或1.6mm中的一种，焊接粉材的粉末粒径为50～150μm之间。

一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法，该方法包括步骤：

A.对于待制造的结构件建立功能梯度结构件模型，并对功能梯度结构件模型进行分层切片和焊接路径规划，建立待制造结构件的三维模型，并导出模型文件,将待制造结构件的模型文件导入分层切片及焊接路径规划程序，设置每一成形层的起收弧点、层间高度、成形路径、搭接率参数，生成路径规划代码；根据待制造结构件不同成形位置的材料成分配比得到为该实现该成分配比的包括送丝参数、送粉参数、热丝参数和等离子弧参数的成形参数，将不同成形位置和对应的成形参数进行匹配，获得沿着成形路径动态调整的成形参数并嵌入路径规划代码，形成三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序；

B.在控制模块的控制指令下，等离子弧焊枪由焊接机器人夹持，移动至起弧点燃弧，燃弧前启动冷却水箱；等离子弧燃烧稳定后等离子弧焊枪开始移动，同时送粉器、送丝机和热丝机开启；

C.沉积过程中送丝参数、送粉参数、热丝参数和等离子弧参数在控制模块的控制下根据三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序实时调整；控制模块控制送粉器、送丝机、热丝机、等离子弧焊机和焊接机器人操作；当等离子弧焊枪移动至收弧点时，控制模块关闭各设备，该成形层沉积完毕；

D.待结构件温度降至预设层间温度时，根据三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序按照步骤B、C开始沉积下一成形层，实现逐层堆积，形成三维功能梯度结构件。

另外，本发明中的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法利用多个包括送丝机、送丝管和热丝机的送丝组合；以及多个包括送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉组合；相应地，对于不同成形位置的成形参数包括多组独立的送丝参数和热丝参数，也包括多组独立的送粉参数和送粉气压；以及，

沉积过程中，控制模块根据包括多组独立的送丝参数和热丝参数，以及多组独立的送粉参数和送粉气压的成形参数，控制送粉器、送丝机、热丝机、等离子弧焊机、焊接机器人的操作，执行三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序。

与现有技术相比，本发明提供的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置和方法所具有的技术效果包括如下。

1.能够同时熔化焊丝和粉末，兼具了熔丝材料利用率高和熔粉材料成分范围大的优点。

2.集成热丝装置，使得能量在丝材、粉材及基体材料之间进行精准分配，确保不同材料都能够获得稳定的熔化状态。

3.将送丝参数、送粉参数、热丝参数、等离子弧脉冲参数与成形路径参数精确匹配，实现沿焊枪移动方向和成形层堆积方向上沉积金属成分配比的动态调节。

4.以脉冲等离子弧为热源时，能够从整体上降低热输入量，通过改变脉冲参数调整等离子弧对熔池的冲击力，对熔池内部异质金属传质行为进行控制，提高工艺可控性。

附图说明

图1为根据本发明具体实施方式中一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置的结构示意图。

图2为根据本发明具体实施方式中一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

图1为根据本发明具体实施方式中一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置的结构示意图，图中各附图标记的含义如下。

等离子弧焊机1，

焊接机器人2，

送丝机3-1和3-2，

送粉器4，

等离子弧焊枪5，

基板6，

热丝机7-1和7-2，

冷却水箱8，

离子气瓶9-1，

载粉气瓶9-2，

送丝管10。

如图所示，本发明具体实施方式中包括一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，包括等离子弧焊机1、送粉器4、送丝机3-1和3-2、送丝管、焊接机器人2、基板6和等离子弧焊枪5；其中等离子弧焊机1的电极连接至等离子弧焊枪5和基板6；基板6还用于承载及固定待制造的结构件；所述等离子弧焊枪5内置送粉通道、水冷通道及离子气通道；焊接机器人2夹持等离子弧焊枪5和送丝管，送丝管第一端对准送丝机3-1和3-2，第二端的出丝口位于等离子弧焊枪5的正下方；其中丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置包括控制模块(图中未示出)，控制模块连接至等离子弧焊机1、送粉器4、送丝机3-1和3-2、焊接机器人2和等离子弧焊枪5；控制模块根据待制造结构件的在不同位置的所需材料成分配比，沿成形路径的不同成形位置上对各设备，包括等离子弧焊机1、送粉器4、送丝机3-1和3-2、焊接机器人2和等离子弧焊枪5的送丝参数、送粉参数以及等离子弧参数进行实时调整。

等离子弧焊是利用等离子弧高能量密度束流作为焊接热源的熔焊方法。等离子弧焊接具有能量集中、生产率高、焊接速度快、应力变形小、电孤稳定且适宜焊接薄板和箱材等特点，特别适合于各种难熔、易氧化及热敏感性强的金属材料的焊接。等离子弧焊接的特点是可以对多种金属材料作为原料进行焊接，可以利用焊接丝材和焊接粉材。

本发明的突出优点在于在工艺过程中实时控制沉积金属的成分或者配比，实现金属成分能够沿沉积方向和扫描方向连续性梯度分布的三维功能梯度金属零件的制造，并且在成形过程中能够根据材料的不同选择熔丝、熔粉或者丝粉同熔，突破沉积材料形式的限制。

例如待制造的结构件中，根据其工作位置，需要沿着一个方向，例如高度方向逐渐增大电阻率，而沿着另外一个方向，例如一个水平方向逐步增大热导率，本发明就能够适用于该结构件的制造，在高度方向亦即沉积的多层上，下一层比上一层逐步减少高电导率的金属材料成分配比，而增大低电阻率的金属材料成分配比；沿着水平方向增大导热性高的金属材料成分配比，而减少导热性低的金属材料成分配比，这些金属材料成分配比是通过在各个成形位置设置不同的送丝参数、送粉参数来实现的，同时因为送丝参数和送粉参数的调整，等离子弧参数，例如焊接电流、电弧电压、离子气和保护气流量、焊接速度及电极的内缩量等也需要相应地进行调整。

本发明具体实施方式的特别突破点包括在一个层内，也能够根据成形路径上各个成形位置的不同而自由调节送丝参数、送粉参数，因此能够自由地调整结构件在三维方向上各个点位的金属材料成分配比，而不用限制于只能逐道或逐层改变沉积金属成分，相对于现有技术而言，大大提高了结构件的制造水平。

因此，本发明具体实施方式中，可以根据成形材料的不同选择熔丝、熔粉或丝粉同熔等不同的方式，使工艺能够兼具材料利用率高、成形效率高及材料选择范围广等优势；通过在沉积过程中实时调节异质金属送丝/送粉速度，实现沉积金属成分的连续和均匀地变化；送丝过程中实时调节各丝热丝电流值，对各丝的熔丝热量进行动态分配，保证在送丝速度时刻连续变化的情况下，不同丝材熔化速度的精准控制；当热源形式为脉冲等离子弧时，可在整体上降低热输入的同时改变熔池内液态金属的传质传热，实现熔池内异质金属混合状态的主动控制，具有可靠性高、效率高、成本低、精准度高等特点。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中还包括热丝机7-1和7-2，热丝机7-1和7-2连接送丝管的第二端，热丝机7-1和7-2的正电极连接至送丝管的第二端，负电极连接至基板6；所述热丝机7-1和7-2也连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整热丝机7-1和7-2的热丝参数。

本发明具体实施方式中，对于进入等离子弧下的焊接丝材，可以利用热丝机采取预加热工艺，方法是在焊接丝材送进熔池之前，利用热丝机对焊接丝材进行加热使其达到一定的预热温度，最终实现高速高效的目的。热丝焊接在相同的焊接规范下，可使焊丝熔化速度增加，甚至焊接速度可以提高一倍以上。当焊接丝材直径为0.8mm时，如果将焊接丝材预热到约300摄氏度时，送丝速度可从冷丝焊的1m/min提高到5m/min的速度。因此，采用热丝机进行预热在同样的焊接线能量下，可提高焊缝的熔敷效率。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置还包括离子气瓶9-1和载粉气瓶9-2，离子气瓶9-1通过离子气管与等离子弧焊枪5的离子气进气口连接，实现等离子弧；载粉气瓶9-2通过送粉气管与送粉器4的进气口连接，送粉器4的出粉口与等离子弧焊枪5的进粉口通过送粉管进行连接。等离子弧焊枪5和送丝管10的第二端由紧固螺钉式夹紧装置固定，夹紧装置通过螺栓连接在焊接机器人2最外端。通过等离子弧焊枪5的送粉通道从等离子弧焊枪的出粉口吹出，用于为等离子弧焊枪5提供焊接粉材；离子气瓶9-1和载粉气瓶9-2连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整离子气管和送粉气管的离子气压和送粉气压；所述离子气瓶和载粉气瓶中的离子气和送粉气为氩气。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中，所述送丝机、送丝管、热丝机均包括多个，例如图1中示出了两个送丝机3-1和3-2，也分别示出了两个热丝机7-1和7-2；因此，本发明具体实施方式中，形成多个包括送丝机、送丝管和热丝机的送丝组合。其中多个送丝组合的送丝机、送丝管、热丝机的送丝参数和热丝参数由控制模块所独立控制，因此，不同的送丝组合的送丝参数和热丝参数可不相同。

其中的送丝参数可以是送丝速度，而热丝参数可以是热丝机的电流、功率和预设温度等。特别是热丝机对于焊接丝材的预热焊接温度场直接决定了其焊接应力场与应变场，还与材料的冶金、结晶、相变有着不可分割的联系，使之成为影响其焊接质量和生产率的主要因素之一。

通过这样的方式，可以灵活调整多种焊接丝材在各个位置的成分配比。还能够根据各种焊接丝材本身的物理特性，例如熔点、流动性等，自由调配多个送丝组合的送丝机、送丝管、热丝机的送丝参数和热丝参数，不同的送丝组合的送丝参数和热丝参数可不相同，提高了结构件的制造精度，也提高了结构件的制造质量。

本发明的具体实施方式中加装了热丝机，对于焊接丝材采用等离子弧和热丝电流协同加热的方式，对异质金属之间、丝材/粉末和基体材料之间的热量进行灵活分配，实现金属功能梯度材料的高效、低成本、高精度的制备。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中，所述送粉器4、送粉管、载粉气瓶9-2、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口均包括多个，例如图中示出的送粉器4为双筒送粉器，相当于两个独立的送粉器。因此，双筒送粉器4可以同时或间隔地送出两种不同的粉末。这样本发明具体实施方式就形成多个包括送粉器4、送粉管、载粉气瓶9-2、等离子弧焊枪5的送粉通道和出粉口的送粉组合，多个送粉组合中的等离子弧焊枪5出粉口喷出的不同粉束之间的汇聚位置在等离子弧焊枪5的正下方；其中多个送粉组合的送粉器4、送粉管、载粉气瓶9-2、等离子弧焊枪5的送粉通道和出粉口的送粉参数和送粉气压被控制模块所独立控制，因此，不同的送粉组合的送粉参数和送粉气压可不相同。

同样地，本发明具体实施方式中，对于不同的焊接粉材的参数，也可以分别设置，因此也帮助实现了最终结构件的成分灵活化。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中还包括冷却水箱、出水冷却水管以及回水冷却水管；冷却水箱包括出水口和进水口，等离子弧焊枪也包括出水口和进水口；其中冷却水箱出水口通过出水冷却水管与等离子弧焊枪的进水口连接，冷却水箱进水口通过回水冷却水管与等离子弧焊枪的出水口连接。

等离子焊接冷却系统中冷却剂是去离子水。去离子水是指除去了呈离子形式杂质后的纯水。因此本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中采用了去离子水进行循环水冷的方法，增强成形过程中结构件的热量传递，也提高了加工效率。具体实施方法为：当成形过程中出现过热效应时，开始通入循环冷却去离子水；并使冷却水的液面始终与当前熔焊层保持一定的距离，以保持良好的散热效果。这样可以大大改善结构件的热传递过程，同时也可在一定程度上增强保护气体的保护效果。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中，等离子弧焊枪的等离子弧类型为脉冲等离子弧，等离子弧焊枪底部距离基板的距离为5～15mm之间。

另外，本发明具体实施方式中，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中采用的焊接丝材的直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm或1.6mm中的一种，焊接粉材的粉末粒径为50～150μm之间。

图2为根据本发明具体实施方式中一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法的流程示意图。如图所示，与本发明具体实施方式中丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置相对应，本发明具体实施方式中还包括了一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法，该方法包括以下步骤：

A.对于待制造的结构件建立功能梯度结构件模型，并对功能梯度结构件模型进行分层切片和焊接路径规划，建立待制造结构件的三维模型，并导出模型文件,将待制造结构件的模型文件导入分层切片及焊接路径规划程序，设置每一成形层的起收弧点、层间高度、成形路径、搭接率参数，生成路径规划代码；根据待制造结构件不同成形位置的材料成分配比得到为该实现该成分配比的包括送丝参数、送粉参数、热丝参数和等离子弧参数的成形参数，将不同成形位置和对应的成形参数进行匹配，获得沿着成形路径动态调整的成形参数并嵌入路径规划代码，形成三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序；

B.在控制模块的控制指令下，等离子弧焊枪由焊接机器人夹持，移动至起弧点燃弧，燃弧前启动冷却水箱；等离子弧燃烧稳定后等离子弧焊枪开始移动，同时送粉器、送丝机和热丝机开启；

C.沉积过程中送丝参数、送粉参数、热丝参数和等离子弧参数在控制模块的控制下根据三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序实时调整；控制模块控制送粉器、送丝机、热丝机、等离子弧焊机和焊接机器人操作；当等离子弧焊枪移动至收弧点时，控制模块关闭各设备，该成形层沉积完毕；

D.待结构件温度降至预设层间温度时，根据三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序按照步骤B、C开始沉积下一成形层，实现逐层堆积，形成三维功能梯度结构件。

另外，本发明中的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法利用多个包括送丝机、送丝管和热丝机的送丝组合；以及多个包括送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉组合；相应地，对于不同成形位置的成形参数包括多组独立的送丝参数和热丝参数，也包括多组独立的送粉参数和送粉气压；以及，

沉积过程中，控制模块根据包括多组独立的送丝参数和热丝参数，以及多组独立的送粉参数和送粉气压的成形参数，控制送粉器、送丝机、热丝机、等离子弧焊机、焊接机器人的操作，执行三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序。

与现有技术相比，本发明提供的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置和方法所具有的技术效果包括如下。

1.能够同时熔化焊丝和粉末，兼具了熔丝材料利用率高和熔粉材料成分范围大的优点。

2.集成热丝装置，使得能量在丝材、粉材及基体材料之间进行精准分配，确保不同材料都能够获得稳定的熔化状态。

3.将送丝参数、送粉参数、热丝参数、等离子弧脉冲参数与成形路径参数精确匹配，实现沿焊枪移动方向和成形层堆积方向上沉积金属成分配比的动态调节。

4.以脉冲等离子弧为热源时，能够从整体上降低热输入量，通过改变脉冲参数调整等离子弧对熔池的冲击力，对熔池内部异质金属传质行为进行控制，提高工艺可控性。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，本发明实施方式中所述只是在目前技术条件下本发明的技术流程的典型样例，在不脱离本发明的技术原理、步骤、功能、应用和实施框架的前提下，还有很大的优化提升空间，这些改进、优化等也视为本专利的保护范围。因此，如前所述，应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本说明书所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，包括等离子弧焊机、送粉器、送丝机、送丝管、焊接机器人、基板和等离子弧焊枪；其中等离子弧焊机的电极连接至等离子弧焊枪和基板；基板还用于承载及固定待制造结构件；焊接机器人夹持等离子弧焊枪和送丝管，送丝管第一端对准送丝机，第二端的出丝口位于等离子弧焊枪的正下方；其特征在于，

丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置包括控制模块，控制模块连接至等离子弧焊机、送粉器、送丝机、焊接机器人和等离子弧焊枪；控制模块根据待制造结构件的在不同位置的所需材料成分配比，沿成形路径的不同成形位置上对各设备的送丝参数、送粉参数以及等离子弧参数进行实时调整。

2.根据权利要求1中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，还包括热丝机，热丝机连接送丝管的第二端，热丝机的正电极连接至送丝管的第二端，负电极连接至基板；所述热丝机连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整热丝机的热丝参数。

3.根据权利要求1中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，还包括离子气瓶和载粉气瓶，离子气瓶通过离子气管与等离子弧焊枪的离子气进气口连接，实现等离子弧；载粉气瓶通过送粉气管与送粉器的进气口连接，送粉器的出粉口与等离子弧焊枪的进粉口通过送粉管进行连接，通过等离子弧焊枪的送粉通道从等离子弧焊枪的出粉口吹出，用于为等离子弧焊枪提供焊接粉材；离子气瓶和载粉气瓶连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整离子气管和送粉气管的离子气压和送粉气压；所述离子气瓶和载粉气瓶中的离子气和送粉气为氩气。

4.根据权利要求2中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，所述送丝机、送丝管、热丝机均包括多个，形成多个包括送丝机、送丝管和热丝机的送丝组合，其中多个送丝组合的送丝机、送丝管、热丝机的送丝参数和热丝参数由控制模块所独立控制，不同的送丝组合的送丝参数和热丝参数可不相同。

5.根据权利要求3中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，所述送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口均包括多个，形成多个包括送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉组合，多个送粉组合中的等离子弧焊枪出粉口喷出的不同粉束之间的汇聚位置在等离子弧焊枪的正下方；其中多个送粉组合的送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉参数和送粉气压被控制模块所独立控制，不同的送粉组合的送粉参数和送粉气压可不相同。

6.根据权利要求1中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，还包括冷却水箱、出水冷却水管以及回水冷却水管；冷却水箱包括出水口和进水口，等离子弧焊枪也包括出水口和进水口；其中冷却水箱出水口通过出水冷却水管与等离子弧焊枪的进水口连接，冷却水箱进水口通过回水冷却水管与等离子弧焊枪的出水口连接。

7.根据权利要求1中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，等离子弧焊枪的等离子弧类型为脉冲等离子弧，等离子弧焊枪底部距离基板的距离为5～15mm之间。

8.根据权利要求1中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，其特征在于，焊接丝材的直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm或1.6mm中的一种，焊接粉材的粉末粒径为50～150μm之间。

9.一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

A.对于待制造的结构件建立功能梯度结构件模型，并对功能梯度结构件模型进行分层切片和焊接路径规划，建立待制造结构件的三维模型，并导出模型文件,将待制造结构件的模型文件导入分层切片及焊接路径规划程序，设置每一成形层的起收弧点、层间高度、成形路径、搭接率参数，生成路径规划代码；根据待制造结构件不同成形位置的材料成分配比得到为该实现该成分配比的包括送丝参数、送粉参数、热丝参数和等离子弧参数的成形参数，将不同成形位置和对应的成形参数进行匹配，获得沿着成形路径动态调整的成形参数并嵌入路径规划代码，形成三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序；

B.在控制模块的控制指令下，等离子弧焊枪由焊接机器人夹持，移动至起弧点燃弧，燃弧前启动冷却水箱；等离子弧燃烧稳定后等离子弧焊枪开始移动，同时送粉器、送丝机和热丝机开启；

C.沉积过程中送丝参数、送粉参数、热丝参数和等离子弧参数在控制模块的控制下根据三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序实时调整；控制模块控制送粉器、送丝机、热丝机、等离子弧焊机和焊接机器人操作；当等离子弧焊枪移动至收弧点时，控制模块关闭各设备，该成形层沉积完毕；

D.待结构件温度降至预设层间温度时，根据三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序按照步骤B、C开始沉积下一成形层，实现逐层堆积，形成三维功能梯度结构件。

10.根据权利要求9中所述的丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的方法，其特征在于，利用多个包括送丝机、送丝管和热丝机的送丝组合；以及多个包括送粉器、送粉管、载粉气瓶、等离子弧焊枪的送粉通道和出粉口的送粉组合；相应地，对于不同成形位置的成形参数包括多组独立的送丝参数和热丝参数，也包括多组独立的送粉参数和送粉气压；以及，

沉积过程中，控制模块根据包括多组独立的送丝参数和热丝参数，以及多组独立的送粉参数和送粉气压的成形参数，控制送粉器、送丝机、热丝机、等离子弧焊机、焊接机器人的操作，执行三维功能梯度结构件脉冲等离子弧增材制造控制程序。

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