一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法，包括TIG焊接电源、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪、送丝机构、IGBT分流模块、母材、电流控制器和电流传感器；所述TIG焊接电源与电流传感器、母材、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路，所述TIG焊接电源与电流控制器和IGBT分流模块、送丝机构和电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路；本发明专利技术焊枪采用的同轴分流热丝设计，减小了焊枪的尺寸，提高了焊枪整体灵活性和可达性，且同轴耦合的电弧也没有增材方向性限制，因而焊枪的适用性更佳，有利于实现全位置的机器人自动化增材。

A manufacturing device and method of hollow tungsten arc additive based on wire shunt

【技术实现步骤摘要】
一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法
本专利技术涉及一种增材制造装置与方法，尤其涉及一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法，属于电弧增材制造领域。
技术介绍
在增材制造领域，电弧增材技术以其成形效率高、致密度高、力学性能好、成本低等优势受到广泛关注，特别在大尺寸结构件成形上具有其它增材技术不可比拟的效率与成本优势。按照成形热源可划分为熔化极气体保护电弧焊(Gasmetalarc,GMA)增材制造、钨极氩弧焊(Gastungstenarc,GTA)增材制造等。其中，GMA以焊丝作为电极，弧、丝具有同轴性，成形位置的可达性更好，成型效率更快，但热输入较高，并且电弧不稳定，导致增材制造零部件的成形精度和力学性能调控困难；GTA相比GMA具有更加稳定的电弧、较低的能量热输入，成型的构件组织形貌稳定性较高，因此在增材制造中得到了广泛的应用。但是，由于受钨极载流能力的限制，只能采用较小的电流进行增材制造，因此TIG增材制造效率明显低于熔化极气体保护等增材制造方法。此外，电弧和焊丝非同轴，对于复杂结构件的增材制造存在方向性问题，成形时需要调整焊枪姿态。专利技术专利CN106994546A提出一种多丝共熔池电弧增材制造TIG焊枪及焊接装置，该方法通过将传统TIG焊的实心钨极改为空心钨极，增大了钨极端部截面积，使钨极可承载更大的电流，同时空心钨极内置两个送丝腔道，增大了熔敷量，在增材制造成形上提高了加工效率。但是该装置也存在一些不足，主要表现在：(1)为增加熔敷量，该装置空心钨极内开有四个送丝通道，大大增加了腔体内部结构的复杂性，体积和重量都较大。(2)钨极内部未与焊丝进行绝缘处理，钨极与焊丝极易短路起弧，烧损钨极引发堵塞(3)该专利技术主要通过高温钨极加热内部的空气间接预热焊丝，热丝效率低且不可控，要想提高焊丝熔化效率就需要给钨极和母材上通上更大电流，这增加了钨极烧损率，并使母材的热输入过高，增大母材变形和能源消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了一方面解决了传统TIG增材时的送丝位置受限、熔敷效率低等问题；另一方面解决了高速增材制造时为提高焊丝熔化效率增大电流时使母材热输入过高的矛盾，减小热积累的效应，改善了增材成形的质量和力学性能而提供一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置，包括TIG焊接电源、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪、送丝机构、IGBT分流模块、母材、电流控制器和电流传感器；所述TIG焊接电源与电流传感器、母材、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路，所述TIG焊接电源与电流控制器和IGBT分流模块、送丝机构和电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路；所述电弧热丝空心钨极氩弧焊枪包括空心钨极、从空心钨极内穿过的焊丝、包裹在空心钨极外的外保护罩、充斥在空心钨极和外保护气罩内的保护气和包裹在焊丝外的导电嘴；所述TIG焊接电源负极与空心钨极连接，IGBT分流模块经由焊丝与TIG焊接电源正极相连，母材亦与TIG焊接电源正极相连，而电流控制器连接IGBT分流模块和母材。一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造的方法，包括如下步骤：步骤1：取与增材焊丝成分相近的母材作为基板，并进行增材制造前的处理，清理表面、油污以及消除氧化层；步骤2：调整焊丝伸出空心钨极前端4-6mm，将焊枪调整至与母材垂直状态，调整空心钨极距离母材距离在8-14mm之间；步骤3：依据母材材料、焊丝材料与增材成型件尺寸设定送丝速度，主路电流IM，旁路电流IP，内、外保护气流量，增材速度参数；步骤4：将电弧热丝空心钨极氩弧焊枪移动到熔敷道起点，提前通入保护气秒，启动TIG焊接电源，引燃主路电弧，打开旁路开关后，焊丝与钨极之间燃起旁路热丝电弧，两者耦合形成耦合电弧，启动送丝机构，将焊丝不断送入耦合电弧的最热部分并熔化形成熔滴，落入熔池中，最终在母材14上形成熔覆层，按照规定路径进行行走；步骤5：增材过程中，通过电流传感器检测主路电流IM，根据实际需要，可通过电流控制器控制IGBT分流模块调节旁路热丝电流IP，提高焊丝熔化效率而不增加对母材的热输入，可控的热丝效率有利于控制熔滴过渡形式，防止热积累严重出现熔池塌陷等缺陷，提高增材质量；步骤6：当电弧热丝空心钨极氩弧焊枪走到终点时，关闭TIG焊接电源以及送丝机构，再通保护气10秒防止熔覆层被氧化；步骤7：等待停留60s后，防止热积累效应给增材成形带来影响，将空心钨极氩弧焊枪移动到熔敷道起点；步骤8：重复步骤4到7，完成零部件的增材制造。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、焊枪采用的同轴分流热丝设计，减小了焊枪的尺寸，提高了焊枪整体灵活性和可达性，且同轴耦合的电弧也没有增材方向性限制，因而焊枪的适用性更佳，有利于实现全位置的机器人自动化增材。2、增材时钨极内部空腔通有高速的氩气，经过钨极喷嘴压缩后形成等离子流，使耦合电弧收缩力大大加强，杜绝了热源分布不均引起的磁偏吹等问题，有利于熔滴的稳定过渡，增加增材成形的精度。3、采用旁路分流电弧热预热焊丝，热丝效率可控，并且焊丝通过钨极孔垂直送入耦合电弧的最热部分，大大增加了TIG增材时的熔敷效率，提高了增材速度。4、通过IGBT分流模块对流经旁路焊丝和母材的电流进行控制，从而对焊丝与母材间的热量进行了合理地分配，在保证较高的焊丝熔化效率的前提下降低了对母材的热输入，因此该装置尤其适合高速增材制造。5、该增材制造装置与方法的成形热源本质上是对传统电弧焊的高效化改进而成，其热输入可控以及焊接电弧稳定性高，丝弧同轴，可胜任全位置的自动化增材，是一种经济、高效、稳定的增材制造方法。附图说明图1是基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法示意图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术涉及一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置与方法，主要由TIG焊接电源、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪、送丝机构、IGBT分流模块以及电流电压监控系统等部分组成。TIG电源的负极与空心钨极相连，IGBT分流模块经由焊丝与焊接电源正极相连，母材亦与焊接电源正极相连，而电流电压监控系统连接IGBT分流模块和母材。为了提高增材成形位置的可达性，将钨极加工成空心钨极，填充焊丝从钨极孔中心穿过，使焊丝与钨极同轴，避免了TIG增材时由于送丝位置受限需要调整焊枪姿态和位置。为了提高TIG增材的熔敷效率，在钨极内部空腔通有高速的氩气，使其经过钨极喷嘴压缩后形成等离子流，使耦合电弧收缩，大大提高了热量的集中，有利于焊丝的高效融化和熔滴的稳定过渡，同时利用旁路分流技术对焊丝进行分流预热，从而使焊丝的融化效率大为提高。在增材制造时，启动TIG焊接电源，引燃空心钨极与母材之间的主路电弧，同时启动IGBT分流模块，引燃焊丝与钨极之间的旁路热丝电弧，从而形成耦合电弧。利用电流传感器检测流经母材的电流大小，再通过控制系统调节IGBT分流模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置，其特征是，包括TIG焊接电源、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪、送丝机构、IGBT分流模块、母材、电流控制器和电流传感器；/n所述TIG焊接电源与电流传感器、母材、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路，所述TIG焊接电源与电流控制器和IGBT分流模块、送丝机构和电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路；所述电弧热丝空心钨极氩弧焊枪包括空心钨极、从空心钨极内穿过的焊丝、包裹在空心钨极外的外保护罩、充斥在空心钨极和外保护气罩内的保护气和包裹在焊丝外的导电嘴；所述TIG焊接电源负极与空心钨极连接，IGBT分流模块经由焊丝与TIG焊接电源正极相连，母材亦与TIG焊接电源正极相连，而电流控制器连接IGBT分流模块和母材。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造装置，其特征是，包括TIG焊接电源、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪、送丝机构、IGBT分流模块、母材、电流控制器和电流传感器；
所述TIG焊接电源与电流传感器、母材、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路，所述TIG焊接电源与电流控制器和IGBT分流模块、送丝机构和电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路；所述电弧热丝空心钨极氩弧焊枪包括空心钨极、从空心钨极内穿过的焊丝、包裹在空心钨极外的外保护罩、充斥在空心钨极和外保护气罩内的保护气和包裹在焊丝外的导电嘴；所述TIG焊接电源负极与空心钨极连接，IGBT分流模块经由焊丝与TIG焊接电源正极相连，母材亦与TIG焊接电源正极相连，而电流控制器连接IGBT分流模块和母材。


2.一种基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造的方法，使用基于焊丝分流的空心钨极电弧增材制造的装置：包括TIG焊接电源、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪、送丝机构、IGBT分流模块、母材、电流控制器和电流传感器；所述TIG焊接电源与电流传感器、母材、电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路，所述TIG焊接电源与电流控制器和IGBT分流模块、送丝机构和电弧热丝空心钨极氩弧焊枪构成闭合电路；所述电弧热丝空心钨极氩弧焊枪包括空心钨极、从空心钨极内穿过的焊丝、包裹在空心钨极外的外保护罩、充斥在空心钨极和外保护气罩内的保护气和包裹在焊丝外的导电嘴；所述TIG焊接电源负极与空心钨极连接，IGBT分流模块经由焊丝与TIG焊接电源正极相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗玉刚，李春旺，尹晨豪，魏超，邹俊攀，郭俊良，刘吉，林志成，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23