基于旁路多丝等离子弧梯度材料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了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法，涉及电弧增材制造技术领域，以解决现有技术中梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的问题。该装置包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制系统连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，等离子弧焊接电源、等离子弧焊枪的钨极与工件形成主回路；各台非熔化极焊接电源在钨极与丝材之间产生旁路电弧，三台非熔化极焊接电源、等离子弧焊枪的钨极和对应的丝材之间形成旁路回路，产生旁路电弧。产生旁路电弧。产生旁路电弧。

【技术实现步骤摘要】
基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法


[0001]本专利技术涉及电弧增材制造
，尤其是涉及一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法。

技术介绍

[0002]梯度功能材料是通过连续变化的组成和细微结构使得材料的结构性能逐渐变化，以满足不同环境需求，应用于温度、压强、腐蚀性、耐磨性等工作环境随位置变化的极端工况，改善单一材料无法同时满足多种高性能需求的问题，增强不同材料之间的界面结合强度。梯度功能材料的传统制备工艺包括粉末冶金、等离子喷涂、气相沉积等。
[0003]基于3D打印(增材制造)原理的集成制造技术被认为是制备梯度功能材料最有前景的方法之一。增材制造技术按热源类型可分为激光、电子束和电弧，基于激光热源的梯度材料制备技术，因其存在粉末浪费严重、熔敷效率低、气孔缺陷、设备成本高等问题，目前多用于小体积、高价值构件的制造；基于电子束热源的梯度材料制备技术，成形构件尺寸受限于真空腔体体积；丝材电弧增材(WAAM)制造技术以电弧为热源，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，是一种兼具材料利用率高、成本低、效率高、成形构件力学性能好等特点的梯度功能材料制备方法。
[0004]目前多基于熔化极气体保护焊或钨极氩弧焊进行梯度功能材料的丝材电弧增材制造，由于并没有改变电弧热源的成弧机理，故传统电弧热源在热质力等方面的强耦合性，使梯度功能材料制备过程中成形质量、成形精度等不可避免地受到非预期的冲击。同时，目前常见的梯度功能材料的丝材电弧增材制造方法中，多使材料成分沿垂直熔覆层方向梯度变化，即每层熔覆层的成分相同而与垂直熔覆层方向上的相邻层之间存在成分梯度，但在实际应用过程中，尤其在大型金属构件的梯度功能材料制备过程中，存在需要每层熔覆层成分梯度连续变化的问题，即每层熔覆层从起点到终点成分梯度连续变化，这就需要针对不同材料针对性的提供能量并实现有效控制。
[0005]因此，迫切需要提出一种新的高效梯度功能材料制备方法，通过对梯度功能材料增材制造过程中传热传质解耦控制，将工件与各异质丝材间能量动态分配，达到能量按需动态连续调配的目的，实现沿熔覆层成形路径方向成分梯度连续变化的梯度功能材料制造方法。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法，通过各旁路电流的按需动态实时调节，实现工件热输入和各丝材热输入的解耦控制，在不影响工件热输入前提下不实现各旁路回路不同材质丝材熔化量的连续动态变化，实现熔覆层沿成形路径方向成分梯度连续变化的梯度材料增材制造，以解决现有技术中梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的技术问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造
装置，包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制系统连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，其中：所述等离子弧焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极与所述工件形成主回路，且所述等离子弧焊接电源能产生主弧等离子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第一送丝机构上的第一丝材形成第一旁路回路，所述第二非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和第二送丝机构上的第二丝材形成第二旁路回路，所述第三非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第三送丝机构上的第三丝材形成第三旁路回路；所述第一非熔化极焊接电源、所述第二非熔化极焊接电源和所述第三非熔化极焊接电源分别在各自回路中产生旁路电弧；
[0008]所述第一送丝机构、所述第二送丝机构和所述第三送丝机构均是相互独立的，各旁路回路中的送丝机构与对应的非熔化极焊接电源相互独立，均受到电流与送丝速度协同控制系统调控，实现各自独立调节。
[0009]可选地，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质均为金属，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质各不相同或部分相同。
[0010]可选地，所述第一丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第二丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第三丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm。
[0011]可选地，所述第一丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30
°
～90
°
，所述第二丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30
°
～90
°
，所述第三丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30
°
～90
°
，所述第一丝材、所述第二丝材与所述第三丝材三者中两两之间的夹角为30
°
～120
°
。
[0012]可选地，所述等离子弧焊枪的压缩喷嘴距所述工件上表面的距离为5.0～15.0mm，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材熔化末端与所述压缩喷嘴之间的垂直距离为2.0mm～13.0mm，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材熔化末端距主弧轴线的距离为0～1.5mm。
[0013]可选地，所述第一丝材能通过所述第一送丝机构引入第一导电嘴，所述第二丝材能通过所述第二送丝机构引入第二导电嘴，所述第三丝材能通过所述第三送丝机构引入第三导电嘴，所述等离子弧焊枪与所述第一导电嘴、所述第二导电嘴、所述第三导电嘴通过转接板固定连接。
[0014]一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造方法，包括以下步骤：
[0015]步骤S1：对工件表面进行熔覆前的预处理，并将预处理后的工件固定于工作台上；
[0016]步骤S2：连接上述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，并根据梯度功能材料成分选择第一丝材、第二丝材、第三丝材；
[0017]步骤S3：根据待加工梯度功能材料的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据每层熔覆层沿成形路径方向成分梯度变化计算熔覆过程中各旁路回路异质丝材熔化量的实时动态变化，制定相应的送丝速度和电流匹配变化方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置中；
[0018]步骤S4：将等离子弧焊枪移动到熔覆层起始点，开启等离子弧焊接电源，开启维弧，待稳定后开启主弧并关闭维弧，开启第一非熔化极焊接电源、第二非熔化极焊接电源、
第三非熔化极焊接电源、第一送丝机构、第二送丝机构、第三送丝机构以及电流与送丝速度协同控制装置，开始送丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；
[0019]步骤S5：当等离子弧焊枪移动至熔覆层结束点，依次关闭第一送丝机构、第二送丝机构、第三送丝机构、电流与送丝速度协同控制装置、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊接电源，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；
[0020]步骤S6：待熔覆层冷却40～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制系统连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，其中：所述等离子弧焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极与所述工件形成主回路，且所述等离子弧焊接电源能产生主弧等离子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第一送丝机构上的第一丝材形成第一旁路回路，所述第二非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和第二送丝机构上的第二丝材形成第二旁路回路，所述第三非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第三送丝机构上的第三丝材形成第三旁路回路；所述第一非熔化极焊接电源、所述第二非熔化极焊接电源和所述第三非熔化极焊接电源分别在各自回路中产生旁路电弧；所述第一送丝机构、所述第二送丝机构和所述第三送丝机构均是相互独立的，各旁路回路中的送丝机构与对应的非熔化极焊接电源相互独立，均受到电流与送丝速度协同控制系统调控，实现各自独立调节。2.根据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质均为金属，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质各不相同或部分相同。3.据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述第一丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第二丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第三丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm。4.据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述第一丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30
°
～90
°
，所述第二丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30
°
～90
°
，所述第三丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30
°
～90
°
，所述第一丝材、所述第二丝材与所述第三丝材三者中两两之间的夹角为30
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，薛龙，黄继强，邹勇，曹莹瑜，黄军芬，
申请(专利权)人：北京市安全生产工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：