CN117324723A - 一种基于焊剂辅助的电弧增材系统及方法 - Google Patents

一种基于焊剂辅助的电弧增材系统及方法 Download PDF

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CN117324723A CN202310804808.4A CN202310804808A CN117324723A CN 117324723 A CN117324723 A CN 117324723A CN 202310804808 A CN202310804808 A CN 202310804808A CN 117324723 A CN117324723 A CN 117324723A
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高鹏飞
张建
杨东青
彭勇
王克鸿
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Abstract

本发明为一种基于焊剂辅助的电弧增材系统及方法。包括机器人增材制造装置，焊剂辅助电弧增材装置，红外测温装置和闭环反馈控制装置；焊剂辅助电弧增材机构包括电磁振动焊剂输送装置、焊剂输送料斗、基板围挡和变频电磁振动台；基板设置在变频电磁振动台上，基板四周设有基板围挡，电磁振动焊剂输送装置通过焊剂输送料斗向已经增材N层的基板围挡内输送焊剂，变频电磁振动台振动使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平。本发明焊剂颗粒作为支撑结构，可用于增材倾斜结构件、悬空结构件，避免电弧增材过程中由于增材工件应力堆积造成变位机损害等问题，降低生产装备成本，保证成形件的质量。

Description

一种基于焊剂辅助的电弧增材系统及方法
技术领域
本发明属于金属增材领域，具体涉及一种基于焊剂辅助的电弧增材系统及方法。
背景技术
电弧增材制造技术根据逐层堆积的成形原理，利用电弧作为热源，一般采用丝材作为增材材料，利用过程控制技术，搭建点线面最后立体化逐步堆积出较为复杂的增材结构件，是当今一种较为先进的新型智能制造技术。相对于其他增材方式，电弧增材具有增材效率大，制造成本低，丝材选取范围广泛，利用率高，对样件无结构尺寸特殊限制等特点，可用于大型尺寸复杂结构件及功能-结构一体化整体制造，同时可与其他辅助装置复合来实现智能化、数字化及并行化制造。
电弧增材制造方法无支撑，在增材复杂结构件时往往可通过借助变位机实现增材工件的位姿变化，使增材工件垂直向上生长，但是增材变位机提高装备成本，同时由于在电弧增材过程温度变化快，成形过程中反复冷却加热，材料发生不均匀的膨胀与收缩，逐层堆积带来的温度梯度和热循环效应使得增材工件中易出现较大应力，产生的应力通过基板传递给变位机，可造成变位机寿命减少甚至损害等问题。同时，对于一些倾斜角度较小的增材工件也可以直接通过增材专用枪偏移成形，但是对操作工艺要求较高，且在成形过程中易发生熔融金属流淌，不适用于流动性强的金属增材制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于焊剂辅助的电弧增材系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于焊剂辅助的电弧增材系统，包括机器人增材制造装置，焊剂辅助电弧增材装置，红外测温装置和闭环反馈控制装置；
所述焊剂辅助电弧增材机构包括电磁振动焊剂输送装置、焊剂输送料斗、基板围挡和变频电磁振动台；
增材所用基板设置在变频电磁振动台上，基板四周设有基板围挡，电磁振动焊剂输送装置通过焊剂输送料斗向已经增材N层的基板围挡内输送焊剂，变频电磁振动台振动使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平。
进一步的，还包括红外测温装置和闭环反馈控制装置；
红外测温装置通过工装夹具固定在基板一侧，测温范围为0℃～1500℃，用于获取增材工件的温度；
闭环反馈控制装置根据四周围挡及增材金属体积计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，输送焊剂并控制焊剂从漏斗下方均匀倒在围挡内部的基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材工件同频震动，能够使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平；闭环反馈控制装置接收红外测温装置测定的增材工件温度。
进一步的，机器人增材制造装置包括：增材电源，增材机器人机械臂，增材枪，送丝机，保护气装置及控制增材机器人机械臂增材运动轨迹的控制系统；
电磁振动焊剂输送装置通过工装夹具固定在基板上方，X、Y、Z方向可调，电磁振动焊剂输送装置，振幅为1.5mm，振动次数3000±100r/min，功率5～50W；
变频电磁振动台的频率为1～600HZ，振幅为1～5mm，载重为80kg，振动加速度为20g，内置PLC调节功能。
一种采用上述的电弧增材系统进行增材的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：规划增材路径；
步骤(2)：基板表面预处理，在基板四周设置基板围挡，组装系统；
步骤(3)：自一端开始起弧进行单层往复增材，在基板上电弧增材成形第N层金属，N＝1、2、3……；
步骤(4)：闭环反馈控制装置计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，输送焊剂并控制焊剂从焊剂输送料斗下方均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材工件同频震动，使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平；
步骤(5)：采用红外测温装置获取增材工件温度，闭环反馈控制装置接收红外测温装置测定的增材工件温度，进行在线调整，工件冷却到预先设定温度后，向机器人增材制造平台发出控制指令，进行第N+1层增材；
步骤(6)：重复步骤(3)-(5)，直至完成得到一体化增材成形件。
进一步的，增材所用焊剂为直径1.5～2.5mm的球状颗粒，焊剂熔点需低于焊丝熔点100±10℃，焊剂熔渣体积质量不超过熔池金属液的体积质量3％。
进一步的，增材成形件为铝合金件，焊剂为添加铝、硅、镁、钠、锆和钾任一/几种的铝硅合金型焊剂颗粒。
进一步的，增材成形件为不锈钢件，焊剂为添加硅、锰、铝、钛和钒任一/几种的熔炼型低锰高硅中氟焊剂颗粒。
进一步的，增材成形件为钛合金件，焊剂为添加钛、铝、钼、镍、铬等元素组成的钛铝型焊剂颗粒。
进一步的，步骤(4)中的第N层金属下方所需要焊剂体积：V焊剂＝W×L×H－π×R2×P×T，其中W和L分别为基板围挡内部的长和宽，H为增材第N层金属的高度，T为增材第N层金属的时间，送丝机送丝速度为P，焊丝半径为R。
进一步的，增材的增材成形件的形状为增材倾斜结构件或悬空结构件。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明提出一种基于焊剂辅助的电弧增材装置，结构设计合理，简单适用性强；在基板上电弧增材成形第N层(初始N＝1)金属，根据围挡及增材金属体积算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，采用焊剂输送装置将相同体积焊剂均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动振动台，带动基板和增材工件实现同频震动，使焊剂上表面与第一层增材工件上表面水平。
(2)在增材上层金属时，下面的焊剂颗粒可以作为支撑结构，在增材过程中起到支撑增材工件和增材焊道的作用；可用于增材倾斜结构件、悬空结构件，这样使得增材过程无需使用变位机便可完成任意复杂结构的电弧增材制造，避免电弧增材过程中因反复冷却加热导致零件内部应力逐渐堆积并通过基板传递给变位机，造成其寿命减少甚至损害等问题出现，进一步降低增材生产装备成本；特别是针对于流动性强的金属，增材成型制备过程中易发生熔融金属流淌，焊剂颗粒可作为支撑结构辅助电弧增材，保证成型率。
(3)在成型过程中添加焊剂保护可有效去除增材过程中出现的氧化物，降低熔点和熔池表面张力，焊剂在电弧作用下融化为表层的熔渣，保护增材熔融金属在液态时不受周围大气中气体侵入熔池，从而减小在增材工件过程中出现气孔和夹杂等缺陷。
(4)焊剂为直径1.5～2.5mm的球状颗粒，增材成形过程中反复的冷却加热过程，导致零件内部热应力逐渐堆积，焊剂颗粒能及时将产生的热量传导到周围颗粒，帮助增材工件散热，以此可有效减小零件的热应力，以便不损害增材工件或材料的完整性。
(5)对于特殊丝材，可选定含有特殊元素成分的焊剂颗粒，向熔池过渡必要的金属元素，进一步改善组织和保证增材工件性能。
(6)闭环反馈控制装置可根据四周围挡及增材金属体积在计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，在线调控高精度控制仪控制焊剂给料量，输送相同体积焊剂并控制焊剂从漏斗下方均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材工件同频震动，能够使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平；闭环反馈控制装置可接收红外测温装置测定的增材工件温度等信息，并对数据进行在线处理，与设定的温度进行比较。当工件冷却到预先设定温度后，向增材装置发出控制指令，进行第N+1层增材。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的机器人增材制造平台示意图。
图3为本发明的基于焊剂辅助的电弧增材闭环反馈控制装置示意图。
图4为本发明的电弧增材层间温度闭环反馈控制示意图。
图5为倾斜工件施加焊剂辅助增材前后熔池受力简化模型图；其中(a)为未采用焊剂辅助，(b)为采用焊剂辅助。
图6为基于焊剂辅助的电弧增材悬空结构模型示意图。
附图标注说明
1-增材电源，2-增材机器人机械臂，3-增材枪，4-送丝机，5-保护气装置，6-控制柜，7-示教器，8-电磁振动焊剂输送装置，9-焊剂输送料斗，10-红外测温装置，11-基板围挡，12-基板，13-变频电磁振动台，14-闭环反馈控制装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明为一种基于焊剂辅助的电弧增材装置及工艺方法。在基板上电弧增材成形第N层(初始N＝1)金属，根据四周围挡及增材金属体积在闭环反馈控制装置计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，采用电磁振动焊剂输送装置将相同体积焊剂均匀倒在围挡内部金属基板上，启动变频电磁振动台带动基板及增材工件同频震动，使焊剂上表面与上层增材工件上表面水平，随后进行第N+1层增材。焊剂颗粒作为支撑结构，可用于增材倾斜结构件、悬空结构件，使得增材过程无需使用变位机便可完成任意复杂结构的电弧增材制造，避免电弧增材过程中增材工件应力堆积造成变位机损害等问题，降低装备成本。特别是针对于流动性强的金属，其在增材过程中易发生熔融金属流淌，焊剂颗粒可作为支撑结构辅助电弧增材，保证成型率。焊剂在电弧作用下融化为表层的熔渣，保护液态不受金属外界气体影响，可有效避免增材样件中产生气孔夹渣等。同时焊剂颗粒能及时将产生的热量传导到周围颗粒，帮助增材工件散热，以此可有效减小增材工件的热应力。
如图2～4所示，一种基于焊剂辅助的电弧增材装置，包括控制系统，机器人增材制造平台，焊剂辅助电弧增材装置，红外测温装置10及闭环反馈控制装置14；
机器人增材制造平台包括：增材电源1,增材机器人机械臂2，增材枪3，送丝机4，保护气装置5，控制柜6及示教器7等(见图2)；
焊剂辅助电弧增材装置包括：电磁振动焊剂输送装置7、焊剂输送料斗9、基板围挡11、变频电磁振动台13(见图3)；
控制系统调控增材机器人机械臂2、送丝机4、保护气装置5和增材枪3等。
示教器7是用来记忆存储增材机器人机械臂机械运动行为的遥控器，可实现人机交互功能，增材机器人机械臂在人为控制示教器下进行增材，单层增材完成后，控制系统控制增材机器人机械臂向上移动至增材工件15上方安全位置；
电磁振动焊剂输送装置7通过工装夹具安装在基台上，X/Y/Z方向可调，可通过焊剂输送料斗9将焊剂颗粒倒入基板围挡11内，闭环反馈控制装置14调控电磁振动焊剂输送装置7的焊剂输送效率和给料量；
电磁振动焊剂输送装置7，振幅为1.5mm，振动次数3000r/min,功率5～50W可调，可连接闭环反馈控制装置实现在线调控，内置高精度控制仪自动调节焊剂给料量，能够输送焊剂并控制焊剂从焊剂输送料斗下方均匀流出；
基板围挡，围挡放置在在基板上四周，与基板优选采用机械连接，高度方向可分段叠加，需高于增材工件。围绕在基板四周对焊剂起支撑作用，围挡形状可根据增材工件形状进行单独设计，可依据增材工件具体形状进行相应选择和调整；
变频电磁振动台频率和振幅可调，频率调节范围为1～600HZ，振幅调节范围为1～5mm，载重为80kg，振动加速度为20g，内置PLC调节功能，数字化电路控制震动振动台与增材样件同频震动，使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平，平面度为±2mm；
红外测温装置通过工装夹具固定在基台一侧，测温范围为0℃～1500℃，调整位置可获取增材工件的温度数据；
闭环反馈控制装置可根据四周围挡及增材金属体积在计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，在线调控高精度控制仪自动调节焊剂给料量，输送相同体积焊剂并控制焊剂从漏斗下方均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材工件同频震动，能够使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平。闭环反馈控制装置可接收红外测温装置测定的增材工件温度等信息，并对数据进行在线处理，与设定的温度进行比较。当工件冷却到预先设定温度后，向机器人增材制造平台发出控制指令，进行第N+1层增材。
在实际增材制造成型过程中，倾斜工件的成形很大程度上取决于增材过程中液态熔池的受力状态。增材倾斜工件时熔池受力模型如图5(a)所示，当法向支持力FN和表面张力σ不能克服熔池液态金属的重力G、弯曲液面的附加压力Pc、电弧力Fa和液滴冲击力Fb的影响，此时熔池所受综合力不为0，处于非稳态，在凝固之前流淌滴落，易造成塌陷。施加焊剂辅助增材后熔池受力模型如图5(b)所示，增材上层金属时，下面焊剂颗粒可以作为支撑结构，在增材过程中起到支撑熔池的作用。法向支持力FN和表面张力σ以及焊剂颗粒对熔池支撑力FN2能够克服熔池液态金属的重力G、弯曲液面的附加压力Pc、电弧力Fa和液滴冲击力Fb的影响，达到准稳态时，此时可以认为其所受到的综合力为0，熔池处于平衡稳定状态，熔池慢慢凝固且表面不会发生塌陷。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于焊剂辅助的电弧增材工艺方法，包括如下步骤：
步骤(1)：首先根据增材工件几何模型进行分区分层建模，对机器人增材路径，姿态，工艺进行合理规划；
步骤(2)：对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗基板表面，在基板上四周设置围挡，与基板优选采用机械连接，可拆卸；
步骤(3)：在变频电磁振动台使用夹具对基板进行装配固定，调节位置使两者紧密贴合，可以以一定频率和振幅带动基板及增材工件一起震动。电磁振动焊剂输送装置通过工装夹具固定在基台上，X/Y/Z方向可调，可通过焊剂输送料斗将焊剂颗粒倒入基板围挡内，红外测温装置通过工装夹具固定在基台一侧，调整位置用于增材工件温度测量；
步骤(4)：调用程序，设定增材工艺参数，控制系统利用增材机器人带动增材专用枪按设定好的增材路径，自一端开始起弧进行单层往复增材，根据工艺需求，基板上电弧增材成形第N层(初始N＝1)金属，增材完成后，控制系统控制增材机器人向上移动至增材工件上方；
步骤(5)：根据四周围挡及增材金属体积在闭环反馈控制装置计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，在线调控高精度控制仪自动调节焊剂给料量，输送相同体积焊剂并控制焊剂从焊剂输送料斗下方均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材样件同频震动，能够使焊剂上表面与上一层增材样件上表面水平，平面度±2mm(见图3)；
步骤(6)：采用红外测温装置获取增材工件温度，闭环反馈控制装置接收红外测温装置测定的增材工件温度等信息，并对数据进行在线处理，与设定的温度进行比较。工件冷却到预先设定温度后，向机器人增材制造平台发出控制指令，进行第N+1层增材(见图4)；
步骤(7)：重复步骤(4)，步骤(5)，步骤(6)直至完成得到一体化增材成形工件；
步骤(8)：拆除基板围挡，清理焊剂熔渣，将增材样件从基板上切除。
在基板上电弧增材成形第N层(初始N＝1)金属，根据围挡及增材金属体积算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，采用焊剂输送装置将相同体积焊剂均匀倒在围挡内部的金属基板上，震动振动台，使焊剂上表面与第一层增材工件上表面水平。针对于流动性强的金属，增材成形制备过程中易发生熔融金属流淌，熔池在在第一层中保持稳定，但在较高层处无法保持稳定而发生流淌，添加焊剂颗粒作为支撑结构可以改变与焊剂颗粒接触处的熔池拘束状态，在增材过程中起到支撑增材工件和增材焊道的作用。焊剂颗粒可以作为支撑结构，可用于增材倾斜结构件、悬空结构件，这样使得增材过程无需使用变位机便可完成任意复杂结构的电弧增材制造，避免电弧增材过程中因反复冷却加热导致零件内部应力逐渐堆积并通过基板传递给变位机，造成其寿命减少甚至损害等问题出现，进一步降低增材装备成本。同时添加焊剂辅助增材有助于在增材过程中将产生的热量传导到周围颗粒，帮助增材工件散热，以此可有效减小增材工件的热应力，防止较高层处的熔池因过热或受力失稳而流溢，并保证高层和底层成型的形貌相对接近。
在成形过程中添加焊剂保护可有效去除增材过程中出现的氧化物，降低熔点和熔池表面张力，焊剂在电弧作用下融化为表层的熔渣，保护增材熔融金属在液态时不受周围大气中气体侵入熔池，从而减小在增材工件过程中出现气孔和夹杂等缺陷。焊剂为直径1.5～2.5mm的球状颗粒，增材成形过程中反复的冷却加热过程，导致零件内部热应力逐渐堆积，焊剂颗粒能及时将产生的热量传导到周围颗粒，帮助增材工件散热，以此可有效减小零件的热应力。
当焊剂熔点过高时，电弧熔炼形成的熔渣会影响液态金属熔滴和熔池金属间的冶金反应，这可能导致增材过程中出现夹渣、气孔等缺陷。因此，在选择焊剂颗粒时，焊剂熔点需低于焊丝熔点100℃。熔渣的体积质量对熔渣在液态金属中的浮出速度、流动性以及是否会产生夹渣有直接影响。当熔渣与液态金属、气体接触面积较大时，熔渣会对熔池产生强烈的搅拌作用，这有利于冶金反应进行。然而，若熔渣体积质量较大，在熔池凝固之前无法及时浮出熔池表面，就会以夹渣形式残留在增材成型金属中，从而引发增材缺陷并降低其机械性能。为避免上述此类情况，可选择熔渣体积质量不超过熔池金属液的体积质量3％的焊剂。此时液态金属可以顺利流入焊道空隙，而熔渣则浮在表面上，从而减小增材过程中产生的缺陷。
在增材铝合金过程中，可选择添加铝、硅、镁、钠、锆、钾等元素的铝硅合金型焊剂颗粒，这些元素在铝合金增材中有着重要作用，在电弧熔炼的过程中可以直接或通过置换反应向熔池金属过渡所需的合金元素。在增材铝合金过程中，上述元素可通过电弧熔炼扩散进入到熔池中。铝硅合金型焊剂颗粒中的铝元素，可以显著提高增材工件的强度、硬度及耐腐蚀性等特性。而硅元素则能使铝合金增材工件更具硬度和韧性，同时降低热膨胀系数，从而提升其机械性能。镁元素的加入有助于增强铝合金增材区域之间的流动性，并改善铝合金增材工件的强度、刚度和塑性。此外，锆元素在焊剂颗粒中的应用可提升铝合金增材工件的耐腐蚀性和抗热裂性。钠或钾的含量对铝合金增材工件的力学性能产生重要影响，它们能够增强其强度和硬度，同时也有助于降低热膨胀系数。氧化物作为焊剂颗粒中的添加剂，可以减少增材工件氧化现象，进而提高增材效率和成型质量。
在增材制造不锈钢时，可选择添加硅、锰、铝、钛、钒等元素的熔炼型低锰高硅中氟焊剂颗粒。在整个增材过程中，上述元素可通过电弧熔炼逐渐扩散到熔池中。硅元素能够与氧反应形成致密的氧化硅层，以此提高不锈钢的热稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性能。此外，锰和钒等元素的加入可以提升增材工件的强度和硬度，并通过控制晶粒生长进一步影响增材质量。氟元素在不锈钢增材过程中主要通过在成型表面形成氟化物层，来提高材料的抗腐蚀性能、耐磨性和减摩性能。另外，钛和铌等元素有助于在增材工件表面形成稳定的氧化物膜，从而提高不锈钢的耐腐蚀性，可为不锈钢增材工件赋予理想的性能特点。
在增材钛合金过程中，选择由钛、铝、钼、镍、铬等元素组成的钛铝型焊剂颗粒，通常。这些元素可以在增材钛合金的过程中通过扩散进入到熔池中。其中，钛是钛铝型焊剂中的主要元素，它能够显著提高增材工件的强度和硬度，并且使之具有良好的抗腐蚀性和抗高温性能。在焊剂颗粒中加入铝元素，它可以改善增材区域的润湿性和流动性。同时，铝元素还能够提高增材区域的强度和抗热裂性能。此外，焊剂中的钼元素也很重要，可以进一步提高钛合金增材工件的耐腐蚀性、强度和硬度等性能。
为了进一步验证效果，进行了多组对比实验验证，各实验例中参数均保持一致，下面举例说明：实施例具体包括以下步骤：
1)采用CMT电弧增材制造技术，直径为1.2mm的ER5356铝合金丝材，在几何尺寸为440×220×10mm的ER5356铝合金基板上增材高强铝合金悬空结构，悬空结构件两端间距为187mm，模型宽度为100mm，总高为82.4mm(见图6)；对基板表面进行打磨并使用丙酮清洗基板表面，在基板上四周设置长宽高分别为240mm、160mm和120mm的围挡；
2)根据选定的ER5356铝合金丝材，在闭环反馈系统控制装置预先设定相应层间温度为90℃；
3)在变频电磁振动台使用夹具对基板进行装配固定，电磁振动焊剂输送装置通过工装夹具固定在基台上，送丝机采用脉冲送丝模式，红外测温装置通过工装夹具固定在基台一侧，调整位置和仪器参数用于增材工件温度测量；
4)CMT电弧增材设备开启，增材枪通电，调用程序，根据专家工艺库设置ER5356铝合金丝材相匹配的增材工艺参数，其关键参数如下：保护气体为100％Ar，电流是125A，电压是10.4KV，送气速度为25L/min，送丝速度为9.2m/min，增材枪行走速度为8mm/s。控制系统利用增材机器人机械臂带动增材枪按设定好的增材路径，自一端开始起弧进行单层往复增材，根据工艺需求，基板上电弧增材成形第N层(初始N＝1)金属，增材完成后，控制系统控制增材机器人机械臂向上移动至增材工件上方600mm安全位置；
5)焊剂选用直径为2mm的铝硅合金型焊剂球状颗粒，根据四周围挡及增材金属体积在闭环反馈控制装置计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，输送相同体积焊剂并控制焊剂从焊剂输送料斗下方均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材样件同频震动，能够使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平；
6)红外测温装置获取增材工件温度，闭环反馈控制装置接收红外测温装置测定的增材工件温度等信息，并对数据进行在线处理，与设定的温度进行比较。工件冷却到预先设定温度后，向机器人增材制造平台发出控制指令，进行第N+1层增材
7)重复步骤(4)，步骤(5)，步骤(6)直至完成得到一体化电弧增材悬空结构工件；
实验结果：采用基于焊剂辅助的电弧增材工艺方法制备的ER5356铝合金悬空结构工件表面平整光滑，层道之间铺展规则，未出现变形、开裂、夹渣等缺陷增材悬空结构过程中，倾斜结构在焊剂颗粒支撑在偏搭处未产生熔池流淌现象。

Claims (10)

1.一种基于焊剂辅助的电弧增材系统，其特征在于，包括机器人增材制造装置，焊剂辅助电弧增材装置，红外测温装置和闭环反馈控制装置；
所述焊剂辅助电弧增材机构包括电磁振动焊剂输送装置、焊剂输送料斗、基板围挡和变频电磁振动台；
增材所用基板设置在变频电磁振动台上，基板四周设有基板围挡，电磁振动焊剂输送装置通过焊剂输送料斗向已经增材N层的基板围挡内输送焊剂，变频电磁振动台振动使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平。
2.根据权利要求1所述的电弧增材系统，其特征在于，还包括红外测温装置和闭环反馈控制装置；
红外测温装置通过工装夹具固定在基板一侧，测温范围为0℃～1500℃，用于获取增材工件的温度；
闭环反馈控制装置根据四周围挡及增材金属体积计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，输送焊剂并控制焊剂从漏斗下方均匀倒在围挡内部的基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材工件同频震动，能够使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平；闭环反馈控制装置接收红外测温装置测定的增材工件温度。
3.根据权利要求2所述的电弧增材系统，其特征在于，机器人增材制造装置包括：增材电源，增材机器人机械臂，增材枪，送丝机，保护气装置及控制增材机器人机械臂增材运动轨迹的控制系统；
电磁振动焊剂输送装置通过工装夹具固定在基板上方，X、Y、Z方向可调，电磁振动焊剂输送装置，振幅为1.5mm，振动次数3000±100r/min，功率5～50W；
变频电磁振动台的频率为1～600HZ，振幅为1～5mm，载重为80kg，振动加速度为20g，内置PLC调节功能。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述的电弧增材系统进行增材的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：规划增材路径；
步骤(2)：基板表面预处理，在基板四周设置基板围挡，组装系统；
步骤(3)：自一端开始起弧进行单层往复增材，在基板上电弧增材成形第N层金属，N＝1、2、3……；
步骤(4)：闭环反馈控制装置计算出第N层金属下方所需要焊剂的体积，输送焊剂并控制焊剂从焊剂输送料斗下方均匀倒在围挡内部的金属基板上，启动变频电磁振动台，带动基板及增材工件同频震动，使焊剂上表面与上一层增材工件上表面水平；
步骤(5)：采用红外测温装置获取增材工件温度，闭环反馈控制装置接收红外测温装置测定的增材工件温度，进行在线调整，工件冷却到预先设定温度后，向机器人增材制造平台发出控制指令，进行第N+1层增材；
步骤(6)：重复步骤(3)-(5)，直至完成得到一体化增材成形件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，增材所用焊剂为直径1.5～2.5mm的球状颗粒，焊剂熔点需低于焊丝熔点100±10℃，焊剂熔渣体积质量不超过熔池金属液的体积质量3％。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，增材成形件为铝合金件，焊剂为添加铝、硅、镁、钠、锆和钾任一/几种的铝硅合金型焊剂颗粒。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，增材成形件为不锈钢件，焊剂为添加硅、锰、铝、钛和钒任一/几种的熔炼型低锰高硅中氟焊剂颗粒。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，增材成形件为钛合金件，焊剂为添加钛、铝、钼、镍、铬等元素组成的钛铝型焊剂颗粒。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的第N层金属下方所需要焊剂体积：V焊剂＝W×L×H－π×R2×P×T，其中W和L分别为基板围挡内部的长和宽，H为增材第N层金属的高度，T为增材第N层金属的时间，送丝机送丝速度为P，焊丝半径为R。
10.根据权利要求4-9任一项所述的方法，其特征在于，增材的增材成形件的形状为增材倾斜结构件或悬空结构件。
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