一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统技术方案

本发明专利技术涉及一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统。该方法是以高

【技术实现步骤摘要】
一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统


[0001]本专利技术涉及金属材料电弧增材制造领域，具体涉及一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统。

技术介绍

[0002]增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是基于离散
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堆积原理，利用三维数据驱动将材料逐层累加形成实体零件的快速成形技术。相比于传统的切削加工技术，AM技术具有产品数字化设计、制造、分析高度一体化的独特优点，能够显著缩短产品研发周期和降低制造成本，尤其对于结构复杂、原材料附加值高的产品生产，其快速高效成形的优势越突出。面对航空航天、国防军工、电力等关键
所涉及的高精度、高性能、低成本和短周期致密金属零部件的制造需求及金属实体结构逐渐向大型化、一体化方向发展趋势，作为AM技术体系中最前沿和最具发展潜力的金属增材制造技术将成为上述领域高性能高附加值产品制造优选的最佳途径。
[0003]金属增材制造目前采用的热源主要有：激光、电子束、等离子弧、电弧等。其中，高能束增材制造技术(激光、电子束和等离子弧) 已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高尖端领域部分关键零部件的制造，但因其热源、原材料的特点，在成形特定结构或特定成分构件及大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性。而基于堆焊技术发展起来的电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）在理论上可适用于大型零部件的低成本、高效快速近净成形，但受电弧增材方法本身的固有缺陷、成形过程的复杂多变及外部环境等多重内外因素的干扰使电弧增材成形件表面质量粗糙，尺寸精度低、组织性能难以保证，距工业化实际应用尚有一段路程。目前，成形尺寸精度低是制约电弧增材制造发展的关键核心要素之一，精确控制电弧增材成形精度是其在工程化应用中成为最迫切的需求。
[0004]WAAM方法本身的缺陷使成形精度降低主要表现在以下两个方面：1）传热和传质过程相互耦合使电弧
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焊丝系统稳定性变差，在单次熔积过程中电弧、熔滴热输入、熔滴尺寸及过渡过程难以达到精确控制，致使每一道熔积过程中存在能量和质量传输误差，宏观表现在熔池几何尺寸的变化和熔积层表面形貌的变化。2）在材料积分过程中，由于成形件结构形状和电弧热沉积等使熔池散热边界条件改变，熔池凝固时间延长、稳定性变差，尤其在零件边缘或端部，熔池液态金属的不稳定流动容易造成液态金属下淌，产生阶梯状形貌，严重影响成形表面质量和尺寸精度，即熔积过程中熔池流态变化产生的成形误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，以解决现有技术中存在的电弧增材制造过程热
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质传输强耦合造成的电弧
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熔滴
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熔池系统稳定性低、成形精度难以精确控制的问题；同时，本专利技术的目的还在于提供一种使用上述精确成形方法的精确成形系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法采用如下技术方案：一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，以高
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低脉冲电流群波形的方式作为电弧电流的输出方式，高
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低脉冲电流群波形包括连续间隔输出的高脉冲电流群波段和低脉冲电流群波段，同时以匹配电流的送丝波形来控制焊丝的送丝时序，在高脉冲电流群波段控制焊丝进行送进，在低脉冲电流群波段控制送丝停止；低脉冲电流群波段电弧用于加热熔化母材和维持电弧稳定燃烧，高脉冲电流群波段电弧用于熔化焊丝形成熔滴并过渡到熔池中且对熔池进行搅拌。
[0007]电弧增材全过程在保护气体下进行。
[0008]实时检测增材过程中沉积层温度变化，在高
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低脉冲电流群波形与焊丝的送丝时序匹配模式不变时，通过调整低脉冲电流群电参数实现对增材过程中熔池电弧热输入和沉积热积累补偿输入的恒定。
[0009]本专利技术的一种采用上述精确成形方法的精确成形系统采用如下技术方案：一种采用上述精确成形方法和精确成形系统，其特征在于：包括工作台，用于放置工件；焊枪机构，位于工作台上方，焊枪机构包括焊枪和焊枪移动结构；送丝机构，包括送丝机和送丝机控制模块，送丝控制模块用于控制焊丝送丝和停止以及控制焊丝送丝和抽回；焊接电源，为增材过程的电弧提供能量以及为其他模块或机构提供电能；波形设计模块，设计电流的输出波形，同时匹配电流的输出波形设计焊丝的送丝控制时序波形；波形输出模块，与波形设计模块和焊接电源连接，按照波形设计模块的设定输出对应的电流波形以作为电弧电流的输出方式，以高
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低脉冲电流群波形的方式控制电弧电流输出，高
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低脉冲电流群波形包括连续间隔输出的高脉冲电流群波段和低脉冲电流群波段，同时该波形输出模块还与送丝机控制模块连接来控制送丝机以匹配电流的送丝波形来控制送丝机的送丝及启停时序，在高脉冲电流群波段控制送丝机进行送丝，在低脉冲电流群波段控制送丝机停止送丝，低脉冲电流群波段电弧用于加热熔化母材和维持电弧稳定燃烧，高脉冲电流群波段电弧用于熔化焊丝形成熔滴并过渡到熔池中且对熔池进行搅拌。
[0010]该精确成形系统还包括连接于波形输出模块与焊接电源之间的实时修正模块以对电流参数进行实时修正，在焊接电源与焊枪之间的连接线路上设置有电流/电压采集模块，电流/电压采集模块与实时修正模块相连接。
[0011]该精确成形系统还包括与实时修正模块连接的红外热成像温度检测模块以检测增材过程中沉积层温度变化，在高
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低脉冲电流群波形与焊丝的送丝时序匹配模式不变时，通过调整低脉冲电流群电参数实现对增材过程中熔池电弧热输入和沉积热积累补偿输入的恒定。
[0012]该精确成形系统还包括保护气装置，保护气装置包括气瓶，气瓶的出气口处或气管上设置有电控阀。
[0013]所述波形设计模块上集成有显示屏，用于显示电流/电压采集模块采集的电流/电压参数以及电流波形。
[0014]本专利技术的有益效果：电弧电流输出为低脉冲电流群时，此时焊丝不送进，此时电弧
仅加热熔化母材形成一定尺寸的熔池和维持电弧稳定燃烧，通过调节脉冲电流参数可精确控制电弧能量及熔池几何尺寸，减小沉积层热积累的影响。电弧电流输出为高脉冲电流群时，以匹配电流输出波形的模式控制焊丝进行送丝，高脉冲电流群产生更高的电弧能量和电弧力，促使填充焊丝迅速熔化形成熔滴并过渡到熔池中，且高脉冲电流群对熔池具有强烈的搅拌作用，有利于细化沉积层组织晶粒改善成形件力学性能。本专利技术采用高
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低脉冲电流群控制电弧电流输出并匹配送丝时序波形的控制方法，从根本上解决了熔化极电弧增材中电弧—熔滴—熔池系统热
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力强耦合、过程稳定性难于控制、成形精度低的固有问题，实现了增材过程中微小体积熔池
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熔滴
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电弧系统的热
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质交互独立精确控制，保证了单次熔积中熔池能量和质量传输的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，其特征在于：以高
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低脉冲电流群波形的方式作为电弧电流的输出方式，高
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低脉冲电流群波形包括连续间隔输出的高脉冲电流群波段和低脉冲电流群波段，同时以匹配电流的送丝波形来控制焊丝的送丝时序，在高脉冲电流群波段控制焊丝进行送进，在低脉冲电流群波段控制送丝停止；低脉冲电流群波段电弧用于加热熔化母材和维持电弧稳定燃烧，高脉冲电流群波段电弧用于熔化焊丝形成熔滴并过渡到熔池中且对熔池进行搅拌。2.根据权利要求1所述的TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，其特征在于：电弧增材全过程在保护气体下进行。3.根据权利要求2所述的TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，其特征在于：实时检测增材过程中沉积层温度变化，在高
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低脉冲电流群波形与焊丝的送丝时序匹配模式不变时，通过调整低脉冲电流群电参数实现对增材过程中熔池电弧热输入和沉积热积累补偿输入的恒定。4.一种采用上述精确成形方法和精确成形系统，其特征在于：包括工作台，用于放置工件；焊枪机构，位于工作台上方，焊枪机构包括焊枪和焊枪移动结构；送丝机构，包括送丝机和送丝机控制模块，送丝控制模块用于控制焊丝送丝和停止以及控制焊丝送丝和抽回；焊接电源，为增材过程的电弧提供能量以及为其他模块或机构提供电能；波形设计模块，设计电流的输出波形，同时匹配电流的输出波形设计焊丝的送丝控制时序波形；波形输出模块，与波形设计模块和焊接电源连接，按照波形设计模块的设定输出对应的电流波形以作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，朱珍文，石玗，朱明，顾玉芬，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：