旁路等离子弧双丝复合的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旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法，涉及电弧增材制造技术领域，以解决现有技术中电弧增材制造过程中熔覆效率低及梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性差的问题。该装置包括等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊枪、基板、送丝机构、填丝送丝机构、监控装置及电流与送丝速度协同控制系统，等离子弧焊接电源负极与钨极相连，正极与基板连接，非熔化极气体保护焊电源负极与钨极相连，正极与送丝机构内的丝材相连；监控装置与电流与送丝速度协同控制装置连接，等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、送丝机构和填丝送丝机构均与电流与送丝速度协同控制装置相连。连。连。

【技术实现步骤摘要】
旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法


[0001]本专利技术涉及电弧增材制造
，尤其是涉及一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法。

技术介绍

[0002]增材制造是基于“离散
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堆积”原理制造实体零件的快速成形技术，作为战略性的新兴产业，正在快速改变传统的制造方式。金属增材制造技术可按照不同的热源形式(激光、电子束、电弧)和不同的原料供给形式(铺粉、送粉、送丝)进行分类。以激光、电子束为热源的粉基增材制造技术受到广大科研工作者重视，但存在粉末浪费严重、熔敷效率低、设备成本高、零件尺寸受限等问题，目前多用于小体积、高价值构件的制造；以电弧为热源、以丝材为供给原料的电弧增材制造技术，在成本、效率、成形体积、环境依赖度等方面具有明显优势，逐渐成为科研工作者关注焦点。
[0003]现有的WAAM技术多是由传统电弧焊接向增材制造的简单移植，主要包括熔化极气体保护焊增材制造和钨极氩弧焊增材制造等，两者比较，前者电弧稳定性差、热输入高、成形质量差，但是效率较高，后者电弧稳定、热输入较低、成形质量较好，但效率较低。究其本质，传统电弧热源具有的传质和传热深度耦合性，使其难以动态地、自由地配比以适应WAAM中“复杂轨迹、动态热扩散、弱拘束熔池”等扰动条件，实现高效、高稳定、高精度的电弧增材制造。同时，随着工业及国防科技应用领域对梯度材料
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结构
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功能一体化集成制造要求的不断提高，利用电弧增材制造技术实现此种金属构件的制造逐渐成为研究热点，这就对增材制造过程中的电弧热源传热、传质提出了更高的要求，以实现梯度材料构件连续、高效的电弧增材制造。
[0004]因此，迫切需要提出一种新的高效电弧增材制造方法，通过对电弧增材制造过程中传热、传质的解耦控制，解决热输入高与熔覆效率低间的矛盾，同时达到构件成分连续变化的目的，实现均质及梯度材料构件的连续、高效、稳定的电弧增材制造。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置与方法，以解决现有技术中电弧增材制造过程中熔覆效率低及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。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，包括等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊枪、基板、送丝机构、填丝送丝机构、监控装置以及电流与送丝速度协同控制系统，其中，所述等离子弧焊接电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述等离子弧焊接电源正极与所述基板连接，所述非熔化极气体保护焊电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述非熔化极气体保护焊电源正极与所述送丝机构内的丝材相连，构建旁路热丝和辅助填丝两种送丝熔化模式；所述监控装置能实时监控增材制造过程且所述监控装置与所述电流与送丝速度协同控制装置连接，
所述等离子弧焊枪安装于基板上方，所述等离子弧焊接电源、所述非熔化极气体保护焊电源、所述送丝机构和所述填丝送丝机构均与所述电流与送丝速度协同控制装置相连。
[0007]可选地，所述送丝机构设置在所述丝材的顶端，所述丝材的另一端插入第一导电嘴中，所述填丝送丝机构设置在填丝的顶端，所述填丝的另一端插入第二导电嘴中，所述第一导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30～90
°
，所述第一导电嘴与所述第二导电嘴之间的夹角为15～180
°
。
[0008]可选地，所述第一导电嘴和所述第二导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的水平最短距离均为8～17mm。
[0009]可选地，所述第二导电嘴与所述基板的夹角为15～30
°
，所述第二导电嘴的最下端与所述基板的上表面的距离为0～3mm。
[0010]可选地，所述监控装置包括高速摄像机、热像仪和监控控制器，所述高速摄像机和所述热像仪均与所述监控控制器连接，所述监控控制器与所述电流与送丝速度协同控制装置连接。
[0011]可选地，所述等离子弧焊枪垂直于基板上方且通过连接装置与所述第一导电嘴、所述第二导电嘴固定连接。
[0012]可选地，所述丝材和所述填丝均为金属丝，所述丝材和所述填丝为相同或不同的材质。
[0013]一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造方法，包括以下步骤：
[0014]步骤S1：对基板表面进行熔覆前的预处理，打磨、清洗后，将其固定于工作台上，进行上述旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置的连接；
[0015]步骤S2：根据待加工零件的几何结构和材料成分分布，选择合适的金属丝，根据待加工零件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；根据熔覆层成分梯度变化情况计算熔覆过程中所需的旁路丝材和填丝的熔化量，制定相应的送丝速度和电流(流经基板的电流I1、流经旁路丝材的电流I2，流经等离子焊枪电流I＝I1+I2)匹配方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置中；
[0016]步骤S3：将等离子弧焊枪移动到熔覆层起始点，在钨极与基板间、钨极与丝材间分别引燃电弧，开启送丝机构、填丝送丝机构以及电流与送丝速度协同控制装置，送进焊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；
[0017]步骤S4：当等离子弧焊枪移动至熔覆层结束点，先停止送丝再衰减电流并熄弧，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；
[0018]步骤S5：待熔覆层冷却40～90s，通过监控装置监测达到层间温度后，将等离子弧焊枪移动到下一层熔覆层起始点，开始熔覆下一层；
[0019]步骤S6：重复步骤S3～步骤S5，直至按要求增材制造完成整个零件。
[0020]本专利技术提供的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其等离子弧焊接电源负极与等离子弧焊枪中的钨极相连，正极与基板相连，产生主弧等离子弧，熔化基板并形成熔池；非熔化极气体保护焊电源负极与等离子弧焊枪中的钨极相连，正极与丝材相连，产生旁路电弧，向丝材提供热量，调节其热输入，自主控制熔化量；高速摄像机和热像仪均与监控控制器相连，实时监控增材制造过程稳定性和熔覆层、熔池温度，并发送信号给电流与送丝速度协同控制装置，实现基板、丝材间热输入的实时动态调节，辅以填丝送丝速度的调节，
保证系统稳定性；电流与送丝速度协同控制装置与离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、送丝机构和填丝送丝机构相连，通过对主弧电流和旁弧电流的实时动态匹配调节，辅以对丝材和填丝送丝速度的独立调控，实现对基板、丝材和填丝热输入和熔化量的动态调节，不仅实现了梯度材料的连续高效电弧增材制造，而且提高了制造精度和稳定性，极大增强能量利用率和电弧增材效率。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，包括等离子弧焊接电源、非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊枪、基板、送丝机构、填丝送丝机构、监控装置以及电流与送丝速度协同控制系统，其中：所述等离子弧焊接电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述等离子弧焊接电源正极与所述基板连接，所述非熔化极气体保护焊电源负极与所述等离子弧焊枪的钨极相连，所述非熔化极气体保护焊电源正极与所述送丝机构内的丝材相连；所述监控装置能实时监控增材制造过程且所述监控装置与所述电流与送丝速度协同控制装置连接，所述等离子弧焊枪安装于基板上方，所述等离子弧焊接电源、所述非熔化极气体保护焊电源、所述送丝机构和所述填丝送丝机构均与所述电流与送丝速度协同控制装置相连。2.根据权利要求1所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述送丝机构设置在所述丝材的顶端，所述丝材的另一端插入第一导电嘴中，所述填丝送丝机构设置在填丝的顶端，所述填丝的另一端插入第二导电嘴中，所述第一导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30～90
°
，所述第一导电嘴与所述第二导电嘴之间的夹角为15～180
°
。3.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述第一导电嘴和所述第二导电嘴与所述等离子弧焊枪的钨极之间的水平最短距离均为8～17mm。4.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述第二导电嘴与所述基板的夹角为15～30
°
，所述第二导电嘴的最下端与所述基板的上表面的距离为0～3mm。5.根据权利要求2所述的旁路等离子弧双丝复合的增材制造装置，其特征在于，所述监控装置包括高速摄像机、热像仪和监...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，薛龙，曹莹瑜，黄继强，邹勇，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：