CN115106613B - 一种电弧熔丝增材制造系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，公开了一种电弧熔丝增材制造系统和方法，所述电弧熔丝增材制造系统包括焊炬和送丝机构，焊炬用于熔融焊丝；送丝机构设置有用于夹持焊丝的焊丝夹具，且与焊炬连接为一体，用于带动焊炬和焊丝同步移动；其通过一体结构的焊炬和焊丝进行同步移动，能够减小送丝角度，增加送丝过程稳定性，提高最大送丝速度，适用于TIG工艺的制造，提高TIG工艺的制造效率，降低焊炬和焊丝运动路径规划难度，极大地拓展了TIG工艺在电弧增材制造等领域的工艺适用性。

Description

一种电弧熔丝增材制造系统和方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种电弧熔丝增材制造系统和方法。

背景技术

随着大型飞机、深空探测、载人登月等重大航空航天战略的实施，新一代航空航天装备对结构轻量化和功能一体化等性能提出了更高的需求。与此同时，镁合金作为强度较高的结构金属材料，在航空航天领域受到高度关注并被广泛应用。其中，Mg-Gd-Y-Zr系镁合金作为典型的高强耐热镁合金，常用于电弧增材制造技术中，在航空航天领域具有广泛应用。

现有技术中，常用的电弧增材制造技术包括电弧送丝增材制造技术和电弧增材制造技术。

电弧送丝增材制造技术(WAAM，Wire and Arc Additive Manufacturing)，采用焊接电弧作为热源，先将金属丝材熔化，再按设定成形路径在基板上堆积每一层片，然后层层堆敷直至成形金属件，该方式存在成形精度稍差，成型件微观组织粗大的缺陷。

电弧熔丝增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM)利用电弧热源熔化金属丝材，实现零部件快速成形，该方式存在熔化极增材制造电弧不稳定的缺陷，容易导致实际生产出的镁合金构件气孔率高，无法投入使用。

发明内容

本发明提出一种电弧熔丝增材制造系统和方法，旨在克服现有技术电弧增材制造焊接后存在的晶粒粗大，有气孔等缺陷，为航空航天装备的轻量化、单件或小批量制造需求提供技术支撑，尤其适用于对飞行体表面结构使用Mg-Gd-Y-Zr(镁合金)电弧增材制造。

本发明提供一种电弧熔丝增材制造系统，包括焊炬和送丝机构，焊炬用于熔融焊丝；送丝机构设置有用于夹持焊丝的焊丝夹具，且与焊炬连接为一体，用于带动焊炬和焊丝同步移动。

优选的，焊炬设置保护喷嘴，送丝机构为五轴机械臂，五轴机械臂与保护喷嘴连接为一体。

优选的，电弧熔丝增材制造系统还包括高频脉冲方波电源，用于将高频脉冲方波电流与以下至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧：恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流。

优选的，电弧熔丝增材制造系统还包括工作台，工作台上设置工件夹具，工件夹具用于夹持待加工件；工作台安装有移动机构，用于带动工作台承载待加工件移动。

优选的，移动机构包括丝杠、螺母和伺服电机，伺服电机驱动连接丝杠，丝杠螺纹连接于螺母内。

本发明还提供一种电弧熔丝增材制造方法，包括以下步骤：

将焊丝与焊炬一体式固定并移动；

采用高频脉冲方波电源为焊炬供电，高频脉冲方波电源将高频脉冲方波电流与以下至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧：恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流；

设定电弧增材成形件晶粒尺寸阈值范围、形核率阈值范围、气孔率阈值范围或焊接件力学性能阈值范围；

调整所述高频脉冲方波电流的频率、占空比、电流强度，使得所述晶粒尺寸、所述形核率、所述气孔率或所述焊接件力学性能至少一个在其设定阈值范围内。

进一步地，还包含以下步骤：

对电弧增材成形件进行检测，获得晶粒尺寸、形核率、气孔率或焊接件力学性能至少一个在其设定阈值范围内，对应的送丝机构送丝速度阈值范围，及对应的高频脉冲方波电流的电流阈值范围、频率阈值范围和占空比阈值范围；

进一步地，

在送丝速度阈值范围、所述电流阈值范围、所述频率阈值范围和所述占空比阈值范围内，对送丝速度、高频脉冲方波电流、频率和占空比进行分析，获得相关系数。

优选的，高频脉冲方波电流的频率大于其所叠加的恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流的频率。

优选的，本申请电弧熔丝增材制造方法中，在送丝机构送丝速度阈值范围内，按照设定的相关系数分别调整所述高频脉冲方波电流的频率、占空比、电流强度。所述相关系数为正相关系数。

本发明的电弧熔丝增材制造系统和制造方法，至少能够达到以下有益效果：

本发明的电弧熔丝增材制造系统，通过一体结构的焊炬和焊丝进行同步移动，能够减小送丝角度，增加送丝过程稳定性，提高最大送丝速度，适用于TIG(钨极惰性气体保护焊接)工艺的制造，提高TIG工艺的制造效率，降低焊炬和焊丝运动路径规划难度，极大地拓展了TIG工艺在电弧增材制造等领域的工艺适用性，能够满足航空设备制作需求。

本发明的电弧熔丝增材制造系统，还可以通过高频脉冲方波电源将高频脉冲方波电流与恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流叠加输出形成焊炬电弧，能够实现输出电流超快变换，尤其在输出变极性电流时，能够实现过零无死区、超快变换电流输出，从而更好地保证电弧增材制造过程中电弧稳定性；结合焊炬和焊丝同步移动的一体结构，能够实现米级的翼翅类型零件在筒体类零件上的焊接操作，从而适用于大尺寸筒翼的电弧增材制造。

本发明的电弧熔丝增材制造方法，可以采用本发明的电弧熔丝增材制造系统实现，其通过将焊丝与焊炬一体式固定并移动，能够实现TIG电弧增材制造，能够发挥电弧熔丝增材制造快速、低成本、成形件尺寸不受限等优势，能够改善镁合金电弧增材成形件组织粗大、成形精度低等问题；能够通过高频电弧热源的高频效应，在焊接过程中有效细化晶粒、增大形核率，消除气孔，改善焊接件微观组织和力学性能，实现制备高性能镁合金构件。

本发明的电弧熔丝增材制造方法，还可以通过采用高频脉冲方波电源作为焊炬供电电源，其高频脉冲方波电源将高频脉冲方波电流与恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流叠加输出生成焊炬电弧，并获得送丝速度与电流叠加方波的阈值范围相关性，从而优化电弧熔丝增材制造，能够实现米级的翼翅类型零件在筒体类零件上的高强度、高可靠性焊接或增材制造，满足高负载高强度翼翅的工作需要，降低制造成本和制造周期，适用于形成与激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为手持焊丝示意图；

图2为通过夹具夹持焊丝示意图；

图3为本发明一实施例的电弧熔丝增材制造系统的结构示意图；

图4为本发明一实施例的电弧熔丝增材制造系统的翼翅焊接工作示意图；

图5为图4的A处局部放大图；

图6为电弧送丝增材制造示意图。

附图标记：

100为焊丝，101为手持焊丝处，102为焊缝处，103为翼翅，104为筒体，105为基板，106为电弧增材制造层，107为钨极，1为焊炬，11为保护喷嘴，2为送丝机构，21为电机滚轮，3为高频电弧夹。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

在电弧熔丝增材制造中，如果手持焊丝操作，如图1所示，焊丝位置为手持焊丝处101，此时如果通过夹具夹持焊丝操作来替代手持焊丝操作，则如图2所示，将焊丝位置平移并通过夹具夹持后，焊丝100与焊炬1的喷嘴之间具有较大夹角，即，此时焊丝100的送丝路径与焊炬1的喷嘴运动路径之间具有较大夹角，从而增加二者路径规划难度，影响送丝过程稳定性，不利于提高送丝速度，不利于提高电弧熔丝增材制造效率。

而本实施例提供一种电弧熔丝增材制造系统，如图3所示，包括焊炬1和送丝机构2，焊炬1用于熔融焊丝；送丝机构设置有用于夹持焊丝的焊丝夹具，且与焊炬连接为一体，用于带动焊炬和焊丝同步移动。

参照图3，送丝机构2和焊炬1连接为一体，再对焊缝处102进行增材焊接制造时，能够通过焊丝100与焊炬1的喷嘴之间较小的夹角实现，即，能够减小焊丝的送丝路径与焊炬的喷嘴运动路径之间夹角，从而能够减小送丝角度，降低二者路径规划难度，增加送丝过程的稳定性，提高最大送丝速度，提高电弧熔丝增材制造效率，拓展在电弧熔丝增材制造领域的适用范围。

所采用的送丝机构2的额定送丝速度范围可以为0.45～16m/min，通过采用本实施例中送丝机构与焊炬一体结构，送丝机构可实际实现的最大送丝速度可达12m/min。

在另一些实施例中，焊炬设置保护喷嘴11，送丝机构为五轴机械臂，五轴机械臂与保护喷嘴连接为一体。

本实施例中，送丝机构2为五轴机械臂，能够实现焊丝100在六个自由度上的移动送丝，同时焊炬1设置保护喷嘴11，五轴机械臂与保护喷嘴连接为一体，能够在保证减小送丝角度，降低焊丝和保护喷嘴二者运动路径规划难度等优势的同时，利于整体结构紧凑小型化。

电弧熔丝增材制造系统还包括高频脉冲方波电源，用于将高频脉冲方波电流与以下至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧：恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流。

高频脉冲方波电源可以设置高频电弧夹3，用于固定焊炬1并为其供电。上述电流叠加输出至高频电弧夹，再供给焊炬生成焊炬电弧。

参照图4和图5所示，上述实施例的高频脉冲方波电源的应用，再匹配结合送丝机构2和焊炬1连接为一体的结构时，能够适用于米级的翼翅103类型零件在筒体104类零件上的电弧熔丝增材焊接制造。

参照图6，在一些实施例中，电弧熔丝增材制造系统除还包括工作台和气体保护机构，工作台上设置工件夹具，工件夹具用于夹持待加工件；工作台安装有移动机构，用于带动工作台承载待加工件移动。移动机构可以包括丝杠、螺母和伺服电机，伺服电机驱动连接丝杠，丝杠螺纹连接于螺母内。

本实施例的电弧熔丝增材制造系统，在电弧增材制造过程中，可以将基板105通过夹具工装固定于工作台上，工作台随其底部的丝杠-螺母运动机构实现单轴运动，丝杠的旋转可以由伺服电机驱动，并可以通过运动控制器进行控制。焊炬1固定于机械臂上的夹具处，可以通过运动控制器或手动控制焊炬1与焊丝100一体结构的运动。焊丝100可以由电机滚轮21驱动，即，电机滚轮21可以驱动连接焊丝夹具。电机滚轮21的运动速度可以调整。焊丝100也可以姿态可调地安装于焊丝夹具，从而调整送丝角度，例如，焊丝夹具通过转轴连接于电机滚轮21。

保护喷嘴11设置在焊炬1端部，对熔丝用钨极107进行保护。在制造电弧增材制造层106过程中，气体保护机构用于为钨极107提供纯度为99.99％的氩气作为保护气，在保护气沉积过程中气流量保持18L/min。

本实施例的电弧熔丝增材制造系统，还可以进一步包括冷却水机构，用于对焊炬1进行循环水冷却。

本申请的电弧熔丝增材制造系统，将焊丝100与焊炬1一体式固定并移动；采用高频脉冲方波电源为焊炬1供电，高频脉冲方波电源将高频脉冲方波电流与以下至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧：恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流。

对电弧增材成形件进行检测，获得晶粒尺寸、形核率、气孔率或焊接件力学性能至少一个在其设定阈值范围内，对应的焊炬移动速度的阈值范围、送丝机构2送丝速度阈值范围，及对应的高频脉冲方波电流的电流阈值范围、频率阈值范围和占空比阈值范围。

可以进一步，高频脉冲方波电流的频率大于其所叠加的脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流的频率。

由于电弧热源是电弧增材制造工艺实现的核心组成之一，用于提供电弧增材制造过程所必需的电弧能量。而在电弧增材制造中具有广泛应用前景的Mg-Gd-Y-Zr(镁合金)，其镁较活泼，所以镁合金在电弧增材过程中易氧化生产氧化膜，为此，本实施例的电弧熔丝增材制造系统进一步包括高频脉冲方波电源，用于将高频脉冲方波电流与恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流叠加输出，生成焊炬电弧。

本实施例中，高频脉冲方波电源的电流模式可以为在变极性方波的基础上叠加超音频脉冲电流，使得电源输出电流能够实现超快变换。尤其在输出变极性电流时，能够利用超高频电源的高频效应，实现过零无死区、超快变换电流输出，从而通过变极性电流模式实现在电弧熔丝增材制造过程中，细化成形件晶粒、消除气孔、自动去除氧化膜，能够更好地保证电弧熔丝增材制造过程中电弧稳定性。

在进一步研究电弧增材制造过程中，关键工艺参数对Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金成形件表面形貌、成形几何特征尺寸、内部缺陷、组织性能的影响时，并结合进行热处理调控研究。通过对样件成形结果的分析，得到镁合金增材及热处理最优工艺参数，为镁合金快速高效电弧增材制造提供工艺参考。

所以本实施例的高频脉冲方波电流特征参数，再结合上述实施例中送丝机构2与焊炬1一体结构时，以镁合金类TIG电弧受控增材为研究对象，采用直接试验测试和理论分析相结合的研究方法，实现对增材过程中电弧热源特征参数与高速送丝过程的协同控制，以确保镁合金构件TIG增材过程成形的可靠稳定。通过对沉积态和热处理态镁合金增材构件内部气孔缺陷、组织性能的评估并进行表征，能够确定镁合金电弧增材制造匹配合理的过程参数、热处理工艺方案。综合评估镁合金增材构件内部缺陷、组织均匀性和性能一致性，完成对镁合金构件高频TIG电弧增材工艺参数的优化，最终实现高强耐热镁合金构件高质量、高效率的电弧增材制造。

本实施例的电弧熔丝增材制造方法，可以通过上述实施例的电弧熔丝增材制造系统实现。

例如，本实施例的电弧熔丝增材制造方法，可以具体包括以下步骤10～30、60：

步骤10、将所述焊丝与所述焊炬一体式固定并移动；

步骤20、采用所述高频脉冲方波电源为所述焊炬供电，所述高频脉冲方波电源将高频脉冲方波电流与以下至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧：恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流；

步骤30、根据实际情况需要，预设电弧增材成形件晶粒尺寸阈值范围、形核率阈值范围、气孔率阈值范围、焊接件力学性能阈值范围；

步骤60、调整所述高频脉冲方波电流的频率、占空比、电流强度，使得所述所述晶粒尺寸、所述形核率、所述气孔率或所述焊接件力学性能至少一个在其设定阈值范围内。

为了进一步获得优化的调整方案，使实施步骤60能够快速实施，本申请还可包含步骤10～30及以下步骤40～50：

步骤40、在电弧增材成形件制造过程中，通过例如金属CT对电弧熔丝增材制造进行质量检测及数据分析，具体可以包括对电弧增材成形件晶粒尺寸、形核率、气孔率、焊接件力学性能进行检测；

调节送丝速度，使得电弧增材成形件的上述各参数符合阈值范围，获得送丝速度的阈值范围；

并调节高频脉冲方波电源的高频脉冲方波电流、恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流，使得电弧增材成形件的上述各参数符合阈值范围，获得高频脉冲方波电流的电流阈值范围、频率阈值范围和占空比阈值范围；

步骤50、对应于设定的焊炬移动速度，在所述送丝速度阈值范围、所述电流阈值范围、所述频率阈值范围和所述占空比阈值范围内，对送丝速度、高频脉冲方波电流、频率和占空比进行分析，获得相关系数。

进一步地，在步骤40～50中，改变焊炬移动速度，获得一组新的送丝速度阈值范围、所述电流阈值范围、所述频率阈值范围和所述占空比阈值范围，及相应的相关系数。

将送丝速度阈值范围和高频脉冲方波电流的电流阈值范围、频率阈值范围和占空比阈值范围进行分析时，通过对二者数据绘制表格、图形和/或曲线，进行二者相关性分析。

例如，通过上述步骤获得送丝速度阈值范围为6～12m/min，高频脉冲方波电流的电流阈值范围为60～103A(平均电流值)，频率阈值范围为20～110kHz，占空比阈值范围为40～80％。则经分析可得，在高效率的焊接参数范围内，送丝速度与电流、频率和占空比分别成正相关关系。例如，送丝速度与电流值的相关系数为第一相关系数，送丝速度与频率的相关系数为第二相关系数，送丝速度与占空比的相关系数为第三相关系数，生成多维参数表。例如，经进一步分析可得，该正相关关系的第一相关系数范围为0～1.2，具体的参数值可在多维参数表中取得。

进一步地，在包含步骤10～30、60的实施例中，步骤60中，在送丝机构送丝速度阈值范围内，按照设定的相关系数分别调整所述高频脉冲方波电流的频率、占空比、电流强度。例如，当送丝速度为12m/min，电流值调整为103A，频率调整为110kHz，占空比调整为50％。优选地，所述相关系数为正相关系数。

本实施例中，高频脉冲方波电源的高频脉冲方波电流，通过上述参数范围优化，更加适用于Mg-Gd-Y-Zr(镁合金)在高频TIG(钨极惰性气体保护焊接)电弧增材制造中的应用。元素Gd和Y在镁合金中具有显著的固溶强化效果，Zr元素可以增大形核率、细化晶粒，使得Mg-Gd-Y-Zr合金具有比传统镁合金更好的抗高温蠕变、耐热和耐腐蚀性能。与采用粉末原料的多种传统增材制造技术相比，能够克服镁合金材料传统焊接后，晶粒粗大，有气孔等缺陷，其材料利用率更高，沉积速率高、成型效率高，热输入量小，制造成本低、设备成本低，对成型件的尺寸基本无限制，适合镁合金大型复杂构件的快速、柔性化、单件或批量制造。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种电弧熔丝增材制造方法，使用一种电弧熔丝增材制造系统，所述系统包括：焊炬，用于熔融焊丝；送丝机构，设置有用于夹持所述焊丝的焊丝夹具，且与所述焊炬连接为一体，用于带动所述焊炬和所述焊丝同步移动；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将所述焊丝与所述焊炬一体式固定并移动；

将高频脉冲方波电流与恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流中至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧；

设定电弧增材成形件晶粒尺寸阈值范围、形核率阈值范围、气孔率阈值范围或焊接件力学性能阈值范围；

调整所述高频脉冲方波电流的频率、占空比或电流强度，使得所述晶粒尺寸、所述形核率、所述气孔率或所述焊接件力学性能至少一个在其设定阈值范围内；

对所述电弧增材成形件进行检测，获得所述晶粒尺寸、所述形核率、所述气孔率或所述焊接件力学性能至少一个在其设定阈值范围内对应的所述送丝机构送丝速度阈值范围，及对应的所述高频脉冲方波电流的电流阈值范围、频率阈值范围和占空比阈值范围。

2.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述送丝速度阈值范围、所述电流阈值范围、所述频率阈值范围和所述占空比阈值范围内，

对送丝速度、高频脉冲方波电流、频率和占空比进行分析，获得相关系数。

3.根据权利要求1所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，所述高频脉冲方波电流的频率大于其所叠加的所述脉冲直流、所述变极性方波或所述调制变极性方波电流的频率。

4.根据权利要求1所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，在送丝机构送丝速度阈值范围内，按照设定的相关系数分别调整所述高频脉冲方波电流的频率、占空比或电流强度。

5.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，所述焊炬设置保护喷嘴，所述送丝机构为五轴机械臂，所述五轴机械臂与所述保护喷嘴连接为一体。

6.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材制造系统还包括高频脉冲方波电源，用于将高频脉冲方波电流与恒定直流、脉冲直流、变极性方波或调制变极性方波电流中至少一种电流叠加输出，生成焊炬电弧。

7.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材制造系统还包括工作台，所述工作台上设置工件夹具，所述工件夹具用于夹持待加工件；所述工作台安装有移动机构，用于带动所述工作台承载所述待加工件移动。

8.如权利要求7所述的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，所述移动机构包括丝杠、螺母和伺服电机，所述伺服电机驱动连接所述丝杠，所述丝杠螺纹连接于所述螺母内。