一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法，该装置的双钨极氩弧增材制造枪下方安装有偏钨极一与偏钨极二，偏钨极一与偏钨极二垂直设置在基板上方；导丝嘴一和导丝嘴二设置于双钨极氩弧增材制造枪前方。在熔敷过程中同时向熔池中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造。本发明专利技术确保在大电流、高送丝速度的熔敷工艺下依然可以良好成形，在不更换焊丝的情况下，所制备的梯度材料成形件的成分即可从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，熔敷效率高达330cm

【技术实现步骤摘要】
一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法
本专利技术涉及一种增材制造的装置与方法，具体涉及一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法，属于梯度材料的电弧增材制造领域。
技术介绍
电弧增材制造是一种金属材料增材制造工艺，该工艺以焊接电弧为热源，填充金属金属丝并逐层逐道熔敷成形，具有低成本、高效率等优点。目前电弧增材制造方法主要包括熔化极气体保护电弧(Gasmetalarc，GMA)增材制造、钨极氩弧(Gastungstenarc，GTA)增材制造等。随着科学技术发展，常规的均质材料已经难以满足各行各业对零件综合性能的要求，梯度材料的电弧增材制造成为了目前的研究热点。与GMA增材制造相比，钨极氩弧增材制造的过程稳定性更高，熔敷过程无飞溅，适用于绝大多数黑色金属和有色金属的增材制造；并且其送丝速度与熔敷电流彼此独立，灵活性高，采用双丝钨极氩弧增材制造的方法可以应用于梯度材料的增材制造。然而，传统的单钨极氩弧增材制造的钨极载流能力有限，且电弧压力随电流升高呈指数增长，过大的电弧压力会造成指状熔深，熔池容易失稳破坏，导致成形恶化。因此钨极氩弧增材制造一般采用200A以下小电流熔敷工艺，导致其熔敷效率明显低于其他电弧增材制造方法。不仅如此，小电流熔敷工艺的热输入过低，导致熔池体积小、温度低、冷却速度快、流动缓慢，因此，传统的双丝单钨极氩弧增材制造的熔池没有充足的时间和动力将所填充的异种金属丝充分混合，凝固成形后的熔敷道往往伴随成分偏聚等问题，故所得梯度材料成形件的成分分布情况与设计目标不一致，性能无法得到保障。因此迫切需要提出一种新的高效高质量的梯度材料氩弧增材制造方法，在保留传统氩弧增材制造过程稳定优点的前提下确保在500A以上大电流、高送丝速度的熔敷工艺下依然可以良好成形，提高熔敷效率，同时降低熔池的凝固速度并加剧熔池流动，使熔敷道成分更加均匀，得到的梯度材料质量更高。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术的单钨极氩弧增材制造熔敷效率低的问题，以及熔池没有充足的时间和动力将所填充的异种金属丝充分混合，凝固成形后的熔敷道往往伴随成分偏聚，所得梯度材料成形件的成分分布情况与设计目标不一致，性能无法得到保障以及熔敷效率低的问题，提供了一种实现500A以上大电流梯度材料增材制造的双丝双钨极氩弧增材制造装置与方法，以确保在大电流、高送丝速度的熔敷工艺下依然可以良好成形，提高熔敷效率，同时降低熔池的凝固速度并加剧熔池流动，使熔敷道成分更加均匀。为达此目的，本专利技术提出一种梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置包括钨极氩弧增材制造电源一、钨极氩弧增材制造电源二、双钨极氩弧增材制造枪、偏钨极一、偏钨极二、导丝嘴一、导丝嘴二、送丝机一、送丝机二、送丝软管一和送丝软管二；所述双钨极氩弧增材制造枪下方安装有彼此绝缘的偏钨极一与偏钨极二，所述偏钨极一与偏钨极二相对设置并通过电缆分别与钨极氩弧增材制造电源一和钨极氩弧增材制造电源二的负极相连接，所述钨极氩弧增材制造电源一和钨极氩弧增材制造电源二的正极与基板连接，所述偏钨极一与偏钨极二垂直设置在基板的上方，在偏钨极一、偏钨极二与基板之间形成一个电弧，电弧电流等于流经偏钨极一与偏钨极二的电流之和；所述导丝嘴一和导丝嘴二镜像对称设置于双钨极氩弧增材制造枪的前方，所述导丝嘴一与送丝机一之间设有送丝软管一，所述导丝嘴二与送丝机二之间设有送丝软管二。优选地，所述钨极氩弧增材制造电源一与钨极氩弧增材制造电源二为恒流电源。优选地，所述偏钨极一与偏钨极二的尖端角度为25°～60°，所述偏钨极一与偏钨极二的尖端靠近并呈镜像对称设置，偏钨极一与偏钨极二的间距为1～2.5mm优选地，所述导丝嘴一与导丝嘴二的夹角为θ，θ＝40°～50°。优选地，所述导丝嘴一和导丝嘴二与基板的夹角为一种利用梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置进行增材制造的方法包括以下步骤：步骤一：根据待加工零件的几何结构与材料分布，选择适当牌号的金属丝，然后根据待加工零件的三维几何模型进行分层切片和路径规划以及工艺规范参数规划操作，其中工艺规范参数包括电弧电流I，流经偏钨极一的电流Ia，流经偏钨极二的电流Ib，，行走速度v，送丝速度vfa和送丝速度vfb；步骤二：用砂轮打磨基板，去除基板表面的锈迹，并通过模具压板固定在工作台上，完成熔敷前的准备工作；步骤三：将双钨极氩弧增材制造枪移动到熔敷道起始点并提前通入保护气2秒，在偏钨极一、偏钨极二与基板之间引燃电弧，待熔池形成后，按照规划结果行走并送丝；步骤四：当双钨极氩弧增材制造枪运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，避免出现弧坑影响后续的熔敷过程，衰减电流时间0.5秒，10秒后停止通保护气；步骤五：待成形件冷却到层间温度，再将焊枪移动到下一熔敷道起始点；步骤六：反复执行步骤四、步骤五，直到完成整个成形件的熔敷加工。优选地，所述流经偏钨极一的电流Ia＝流经偏钨极二的电流Ib，且电弧电流I＝Ia+Ib，在I≥500A的情况下材料依然良好成形。优选地，同时向熔池中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造，所制备的梯度材料成形件的成分可以从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，并且熔敷过程可以连续进行，不需要更换金属丝。本专利技术所述的梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法的工作原理为：采用异种成分的两根金属丝作为填充材料，调节双丝送进比例，控制熔敷道成分与性能，利用电弧热熔化双丝以及部分基板(或已成形部分)形成熔池，熔池凝固后形成熔敷道，按照分层切片、路径规划、参数规划的结果将熔敷道逐层逐道堆积，最终形成梯度材料成形件。本专利技术所述的梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法的有益效果为：1)所述梯度材料双丝双钨极氩弧增材制造的装置采用双钨极耦合氩弧热源代替传统的单钨极氩弧热源，增大了电弧上端面积，并减小了电弧的电流密度，使电弧压力明显降低，能够在熔敷成形过程中有效避免熔池因电弧力过大而失稳流淌的问题，使熔敷过程更加稳定，稳定成形情况下的熔敷电流从200A提高到500A以上。因此拓宽了钨极氩弧增材制造的工艺规范窗口，可以采用大熔敷电流、高送丝速度的熔敷成形工艺，提高了钨极氩弧增材制造的熔敷效率。2)大电流熔敷提高了熔池温度，使熔池的表面张力对流与电磁对流增强，并且冷却速度降低，因此熔池中的各个组分能够在在凝固之前充分均匀混合，所得熔敷道成分更加均匀。3)熔敷过程中同时向熔池中输送两根异种成分金属丝，通过调节金属丝送进比例来控制熔敷道成分与性能，实现梯度材料的电弧增材制造，在不更换金属丝的情况下，所制备的梯度材料成形件的成分即可从一种金属丝的成分连续地过渡到另一种金属丝的成分，因此熔敷过程可以连续进行。4)试验表明，采用所述双丝双钨极氩弧增材制造的装置与方法进行梯度材料增材制造，熔敷过程中，电弧稳定燃烧，金属丝熔化充分，熔敷过程能够连续稳定的进行，所得熔敷道成形良好，熔敷效率达到330cm3/h，明显高于传统单钨极氩弧增材制造的熔敷效率(约150cm3/h)，与GMA增材制造的熔敷效率水平相当，并且熔敷道成分分布均匀，其合金元素的质量分数基本与设定目标吻合，梯度材料的成分可连续地从一种材料过渡到另一种材料，绝对误差小于0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，包括钨极氩弧增材制造电源一(1a)、钨极氩弧增材制造电源二(1b)、双钨极氩弧增材制造枪(2)、偏钨极一(3a)、偏钨极二(3b)、导丝嘴一(4a)、导丝嘴二(4b)、送丝机一(5a)、送丝机二(5b)、送丝软管一(6a)和送丝软管二(6b)；所述双钨极氩弧增材制造枪(2)下方安装有彼此绝缘的偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)相对设置并通过电缆分别与钨极氩弧增材制造电源一(1a)和钨极氩弧增材制造电源二(1b)的负极相连接，所述钨极氩弧增材制造电源一(1a)和钨极氩弧增材制造电源二(1b)的正极与基板(9)连接，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)垂直设置在基板(9)的上方，在偏钨极一(3a)、偏钨极二(3b)与基板(9)之间形成一个电弧，电弧电流等于流经偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的电流之和；所述导丝嘴一(4a)和导丝嘴二(4b)镜像对称设置于双钨极氩弧增材制造枪(2)的前方，所述导丝嘴一(4a)与送丝机一(5a)之间设有送丝软管一(6a)，所述导丝嘴二(4b)与送丝机二(5b)之间设有送丝软管二(6b)。...

【技术特征摘要】
1.一种双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，包括钨极氩弧增材制造电源一(1a)、钨极氩弧增材制造电源二(1b)、双钨极氩弧增材制造枪(2)、偏钨极一(3a)、偏钨极二(3b)、导丝嘴一(4a)、导丝嘴二(4b)、送丝机一(5a)、送丝机二(5b)、送丝软管一(6a)和送丝软管二(6b)；所述双钨极氩弧增材制造枪(2)下方安装有彼此绝缘的偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)相对设置并通过电缆分别与钨极氩弧增材制造电源一(1a)和钨极氩弧增材制造电源二(1b)的负极相连接，所述钨极氩弧增材制造电源一(1a)和钨极氩弧增材制造电源二(1b)的正极与基板(9)连接，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)垂直设置在基板(9)的上方，在偏钨极一(3a)、偏钨极二(3b)与基板(9)之间形成一个电弧，电弧电流等于流经偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的电流之和；所述导丝嘴一(4a)和导丝嘴二(4b)镜像对称设置于双钨极氩弧增材制造枪(2)的前方，所述导丝嘴一(4a)与送丝机一(5a)之间设有送丝软管一(6a)，所述导丝嘴二(4b)与送丝机二(5b)之间设有送丝软管二(6b)。2.根据权利要求1所述的双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，所述钨极氩弧增材制造电源一(1a)与钨极氩弧增材制造电源二(1b)为恒流电源。3.根据权利要求1所述的双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的尖端角度为25°～60°，所述偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的尖端靠近并呈镜像对称设置，偏钨极一(3a)与偏钨极二(3b)的间距为1～2.5mm。4.根据权利要求1所述的双丝双钨极氩弧增材制造的装置，其特征在于，所述导丝嘴一(4a)与导丝嘴二(4b)的夹角为θ，θ＝40°～50°。5.根据权利要求1所述的双丝双钨极氩弧增材制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，韩庆璘，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23