一种形性一体化的金属构件增材制造系统的制作方法

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种形性一体化的金属构件增材制造系统。

背景技术：

电弧熔化金属丝材增材制造技术，是一种以电弧作为热源熔化金属丝材，并使得熔化的丝材按照所设定的成形路径不断堆积成形的快速增材制造方法。由于电弧熔化金属丝材增材制造技术具备成本低、效率高、空间任意曲面成形等特点，因而在各类大型复杂金属构件的制造成形中获得了广泛应用。

然而，进一步的研究表明，现有技术中的电弧熔化金属丝材增材制造装备仍存在以下的缺陷或不足：首先，目前的设备大多使用的是弧焊电源加机器人的构造，其组件复杂，难于操控；其次，在增材制造过程往往采用手动编程或者离线编程，堆积成形构件的尺寸、质量一般是在成形完成后，利用一些后续的检测设备和方法对成形尺寸、性能进行检测，无法实现金属构件尤其是大型复杂金属构件形、性一体化协同增材制造；最后，在常规的电弧熔丝堆积过程中，不仅普遍存在电弧不稳定的情况，而且热积累往往会使堆积成形金属构件晶粒粗大，造成性能恶化，不能满足大型金属构件的高性能要求。相应地，本领域亟需作出进一步的完善和改进，以便更好地符合日益提升的质量要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种形性一体化的金属构件增材制造系统，其中通过对该制造系统的整体构造组成及布局重新进行研究和设计，同时对其中一些关键组件如多电弧协同作业模块、激光压缩电弧模块、负反馈监控单元等的具体组成结构、设置方式和工作原理等多个方面进行改进，相应能够以结构紧凑、布局巧妙、便于操控、自动化程度高和制造精度高的方式来高效率执行各类大型金属构件的电弧增材制造全过程，同时较好地满足形、性一体化协同增材制造的要求，因而尤其适用于高性能要求且结构复杂的大型金属构件制造成形应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种形性一体化的金属构件增材制造系统，其特征在于，该系统包括载物平台、多电弧协同作业模块、电弧摄像检测单元、成形尺寸三维测量单元、堆积成形数字化监测模块、和负反馈监控模块，其中：

所述载物平台包括龙门架、工作台和导轨，其中该龙门架作为系统的主体框架结构，可沿着所述导轨相对于所述工作台执行y轴方向的移动，它的横梁则可沿着z轴方向上下移动；此外，该龙门架的横梁上还安装有第一六轴机器人和第二六轴机器人；

所述多电弧协同作业模块整体安装在所述第一六轴机器人上，并配备有多个相互独立的电弧枪，这些电弧枪各自既可沿着x轴、y轴和z轴方向执行直线移动，也可执行以z轴为转动轴的角度调整，从而使得它们彼此之间的相对位置和工作姿态发生自由改变；

所述电弧摄像检测单元、成形尺寸三维测量单元均安装在所述第二六轴机器人上，它们依照所述电弧枪的电弧运动轨迹保持同步运行，并分别用于对电弧的稳定性状态、金属构件制造成形过程中的实际三维尺寸执行实时检测，同时将相关数据发送至所述负反馈监控单元；

所述堆积成形数字化监测平台用于设置在所述载物平台的一侧，并用于对金属构件堆积成形过程中的相关工艺参数执行实时监测，同时将相关数据一并发送至所述负反馈监控单元；

所述负反馈监控单元布置在所述载物平台的另外一侧，并用于对所接受的数据执行统一反馈处理。

作为进一步优选地，上述系统还优选包括同样设置在所述载物台一侧的电弧稳定调控平台和成形尺寸控制平台，其中对于该电弧稳定调控平台而言，它与所述电弧摄像检测单元信号相连，并用于对所采集的图像数据执行分析处理以便实时监控电弧的稳定性状态，同时根据所述处理所述负反馈监控单元的反馈信号，对电弧的稳定性状态予以调节；

对于该成形尺寸控制平台而言，它则与所述成形尺寸三维测量单元信号相连，并用于对所采集的尺寸数据执行分析处理以便实时监控成形件的成形精度，同时根据所述处理所述负反馈监控单元的反馈信号，对成形件的三维尺寸予以调节。

作为进一步优选地，上述系统还优选包括缺陷除去平台，该缺陷除去平台同样设置在所述载物平台的一侧，并用于对金属构件成形件的质量缺陷执行实时检测，同时将相关数据发送至所述负反馈监控单元，然后在其控制之下使得位于所述龙门架上的悬臂铣刀对缺陷执行铣削处理。

作为进一步优选地，对于所述堆积成形数字化监测平台而言，它所监控的金属构件堆积成形过程中的相关工艺参数包括：堆积电流、堆积电压、电弧枪的行走速度等。

作为进一步优选地，对于所述多电弧协同作业模块而言，它的各个电弧枪分别配备有独立电源，并且其中一部分或全体电弧枪还额外配备有激光器光源；该激光器光源用于在金属丝材熔融过程中，对所形成的电弧弧柱施加稳定的激光激励；以此方式，在激光的直接作用下，电弧弧柱中的金属成分发生气化和电离并形成大量的带电粒子，由此提高了电弧的稳定性，此外电弧弧柱中的中性粒子也发生电离成为等离子体且发生压缩现象，由此使得电弧的直径得以缩小，进而改善金属构件的表面成形精度。

作为进一步优选地，所述激光激励的工艺参数优选设定如下：功率为300w～700w，脉宽为3ms～6ms，频率为20hz～50hz。

作为进一步优选地，所述多电弧协同作业模块具有5个以上的电弧枪，并且这些电弧枪各自配有位置及姿态调节机构。

作为进一步优选地，对于所述多电弧协同作业模块而言，它的一部分或全体电弧枪的送丝系统装有相同或不同的金属丝材，并可根据工况需求，采用下列工作模式中的一种或任意组合来执行金属构件的多电弧系统增材制造过程：

(i)共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为小于10mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较快的第一冷却速度；

(ii)不共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定为大于18mm，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得相对较慢的第二冷却速度；

(iii)部分共熔池工作模式：将所述多个电弧枪彼此之间的相对间距设定处于[10mm,18mm]的区间范围，由此在此状态下通过多个电弧枪的配合，使得堆积过程的金属构件获得第三冷却速度，其中该第三冷却速度介于所述第一冷却速度与所述第二冷却速度之间。

作为进一步优选地，所述共熔池工作模式下，各个电弧枪相对于z轴的夹角优选处于(30°,60°]的区间范围；所述不共熔池工作模式下，各个电弧枪相对于z轴的夹角优选处于(0°,10°]的区间范围；此外，所述部分共熔池工作模式下，各个电弧枪相对于z轴的夹角优选处于(10°,30°]的区间范围。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对该制造系统的整体构造组成及布局重新进行研究和设计，不仅能够以结构紧凑、布合理、便于操控的方式来高效率执行各类大型金属构件的电弧增材制造全过程，而且可在制造过程中全面掌控成形尺寸、成形精度、成形质量等方面的指标要求，相应可有效满足大型金属构件多电弧协同形、性一体化的增材制造要求；

2、本发明中还对一些关键组件的具体结构组成及其设置方式、工作方式等方面做出了改进，其中通过采用多束电弧协同增材制造，实际测试表明可有效调控温度场，使得堆积过程的金属构件在冷却过程尤其是从800℃到300℃的重要阶段可获得更高韧性和更高强度的组织构造，同时避免晶粒过分长大；此外，该设计还便于多种不同材料的同步增材制造，并且多种模式可根据需求灵活调整，因而尤其适用于多材料梯度结构的高性能金属构件制造场合；

3、本发明通过对电弧弧柱施加高能量密度的激光，不仅显著提高了电弧弧柱的稳定性，而且还能够同步使得电弧弧柱本身的直径发生缩小，相应可实现金属构件的高质量、高精度制造成形，并尤其适用于对表面平齐度要求很高之类的金属构件增材制造应用场合；

4、本发明通过配备电弧摄像检测单元、成形尺寸三维测量单元、电弧稳定调控平台、成形尺寸控制平台和缺陷除去平台等多个组件，可很好地实时获取成形尺寸、电弧稳定性以及包含电弧电流、电压、电弧枪行走速度等在内的关键参数，并在负反馈监控模块的统一协调管理下实现高响应和高精度的自动化控制，因而进一步确保大型金属构件多电弧协同形、性一体化的增材制造。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的金属构件增材制造系统的整体构造示意图；

图2是用于显示图1中所示整体系统的工作原理示意图；

图3是以5束电弧为例，示范性显示按照本发明所构建的多电弧协同作业模块中的多个电弧布置示意图；

图4a是用于具体显示按照本发明的共熔池工作模式下的电弧枪位置示意图；

图4b是用于具体显示按照本发明的不共熔池工作模式下的电弧枪位置示意图；

图4c是用于具体显示按照本发明的部分熔池工作模式下的电弧枪位置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电弧枪体夹持装置2-电弧稳定调控平台3-成形尺寸控制平台4-缺陷除去平台5-堆积成形数字化监测平台6-工作台7-导轨8-负反馈监控单元9-独立电源10-机器人控制平台11-激光器光源12-龙门架13-第一六轴机器人14-第二六轴机器人15-电弧摄像检测单元16-成形尺寸三维测量单元

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的金属构件增材制造系统的整体构造示意图，图2是用于显示图1中所示整体系统的工作原理示意图。如图1和图2中所示，该金属构件增材制造系统主要包括载物平台、多电弧协同作业模块、电弧摄像检测单元、成形尺寸三维测量单元、堆积成形数字化监测模块、和负反馈监控模块等组件，下面对其逐一进行具体解释说明。

所述载物平台包括龙门架12、工作台6和导轨7，其中该龙门架12作为系统的主体框架结构，上面安装有2台高精度的六轴机器人。它可沿着导轨7相对于处于载物平台下方的工作台6执行y轴方向也即垂直于纸面的方向上的移动，它的横梁则可沿着z轴方向也即上下竖直方向的移动(x轴方向则如图所示，是左右水平方向)。此外，该龙门架的横梁上还安装有第一六轴机器人13和第二六轴机器人14；这两机器人除了能够完成自身的六轴运动外，还可以在龙门架上左右、上下移动。

在第一六轴机器人13上，整体安装有作为关键组件之一的所述多电弧协同作业模块。该模块经由电弧枪体夹持装置1配备有多个相互独立的电弧枪(如图4所示譬如为5个)，这些电弧枪各自既可沿着x轴、y轴和z轴方向执行直线移动，也可执行以z轴为转动轴譬如发生[0°,60°]范围内的角度调整，从而使得它们彼此之间的相对位置和工作姿态发生自由改变。

与此对应地，在载物平台的另一侧(图中显示为右侧)，安装有与多个电弧枪配套的多个电源部件，包括2台激光器光源11、5台cmt电源9和5台机器人控制装置10，由此可独立调控5束电弧与激光的工艺参数。

之所以采用多电弧执行协同制造，主要是考虑对电弧增材制造堆积金属构件组织起决定作用的是堆积过程中金属构件的温度场，特别是从800℃到300℃的冷却速度。相应地，本申请考虑通过更为精细去调控温度场的方式，确保可获得适当的不同冷却速度来通过高韧性组织转变区，进而确保金属构件在组织转变过程中形成高韧性、高强度的组织，并尽量避免晶粒过分成长的问题。

更具体而言，如图3所示，以5束电弧为例进行说明。这5束电弧的空间距离、姿态均可独立调控，也即这些相互独立的5束电弧按一定的形式排列，各电弧独立，并各自有独立电源与位置及姿态调节机构等，可灵活地调整弧电弧枪的位置与姿态。以此方式，通过调节5束电弧之间的相对位置关系及作业姿势等，使5束电弧之间形成共熔池、部分共熔池、不共熔池三种状态，不同状态下金属构件从800℃到300℃的冷却速度不同，获得不同的组织与性能，实现电弧增材制造金属构件组织与性能的调控。

其中如图4a所示，当5束电弧彼此之间的相对间距设定为小于10mm，并且可进一步优选使得各个电弧枪相对于z轴的夹角譬如处于(30°,60°]的区间范围时，此时处于共熔池工作模式；在此模式下，电弧热在堆积金属构件的积累大，堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度较慢；进一步的研究发现，此工作模式适宜于合金含量较高，易形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造。

接着如图4b所示，当5束电弧彼此之间的彼此之间的相对间距设定为大于18mm，此时可还进一步优选使得各个电弧枪相对于z轴的夹角譬如处于(0°,10°]的区间范围时，此时处于非熔池工作模式；在此模式下，电弧热在堆积金属构件的热积累较小，堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度快；进一步的研究发现，此工作模式适宜于低碳钢，微合金钢，不易形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造。

此外，如图4c所示，当5束电弧彼此之间的相对间距设定处于[10mm,18mm]的区间范围，此时还可进一步优选将各个电弧枪相对于z轴的夹角譬如处于(10°,30°]的区间范围时，此时处于部分熔池工作模式；在此模式下，电弧热在堆积金属构件的热积累介于共熔池和不共熔池之间，堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度也介于共熔池和不共熔池之间；进一步的研究发现，此工作模式下适宜于低合金钢，有可能形成马氏体组织的金属构件电弧增材制造。

在第二六轴机器人14上，安装有所述电弧摄像检测单元15、成形尺寸三维测量单元16。它们依照所述电弧枪的电弧运动轨迹保持同步运行，并分别用于对电弧的稳定性状态、金属构件制造成形过程中的实际三维尺寸执行实时检测，同时将相关数据发送至所述负反馈监控单元8。

与此相对应地，在载物平台的一侧(图中显示为左侧)，还依次布置有四个平台，具体包括电弧稳定调控平台2、成形尺寸控制平台3，缺陷除去平台4和堆积成形数字化监测平台5。

更具体地，电弧稳定调控平台2与所述电弧摄像检测单元15信号相连，并用于对所采集的图像数据执行分析处理以便实时监控电弧的稳定性状态，同时根据所述处理所述负反馈监控单元8的反馈信号，对电弧的稳定性状态予以调节；成形尺寸控制平台3则与所述成形尺寸三维测量单元16信号相连，并用于对所采集的尺寸数据执行分析处理以便实时监控成形件的成形精度，同时根据所述处理所述负反馈监控单元8的反馈信号，对成形件的三维尺寸予以调节。

此外，堆积成形数字化监测平台5对金属构件堆积成形过程中的相关工艺参数、包括堆积电流、电压、电弧枪的行走速度等执行实时监测，同时将相关数据一并发送至所述负反馈监控单元8；缺陷除去平台4同样设置在所述载物平台的一侧，并用于对金属构件成形件的质量缺陷执行实时检测，同时将相关数据发送至所述负反馈监控单元8，然后在其控制之下使得位于所述龙门架上的悬臂铣刀对缺陷执行铣削处理。

最后，四个平台还可将所有分析处理的数据传达至负反馈监控单元8中，并优选通过对比相关的数据库等方式，进行相应的负反馈调节，实现对成形件成形精度、成形尺寸和成形质量的精确控制。此负反馈监控单元8布置在所述载物平台的另外一侧，并处于cmt电源9的下部，负责对整个成形系统进行监控和负反馈调节。

作为本发明的另一关键改进，多电弧协同作业模块的各个电弧枪分别配备有独立电源，并且其中一部分或全体电弧枪还额外配备有激光器光源；该激光器光源用于在金属丝材熔融过程中，对所形成的电弧弧柱施加稳定的激光激励；以此方式，在激光的直接作用下，电弧弧柱中的金属成分发生气化和电离并形成大量的带电粒子，由此提高了电弧的稳定性，此外电弧弧柱中的中性粒子也发生电离成为等离子体且发生压缩现象，由此使得电弧的直径得以缩小，进而改善金属构件的表面成形精度。

利用以上搭建完毕的增材制造系统可高精度、高效率、便于操控地进行各类复杂的大型高性能金属构件多电弧协同增材制造成形，尤其可满足形性一体化成形的需求，其具体操作步骤如下：

1、三维建模与路径规划：可采用ug或pro/e三维造型软件绘制出增材制造的大型金属构件的三维cad模型，并规划出成形路径；

2、选定材料，确定成形5束电弧参数：依据成形金属构件性能与几何尺寸，选定材料，并确定电流、电压、弧焊枪运行速度；

3、激光稳定和约束电弧：根据成形电弧稳定性的要求和成形精度要求，选定激光的功率、脉宽、离焦量等参数，在保证电弧稳定的同时，约束电弧弧柱到确定的尺寸；

4、多束电弧位置调控：由成形金属材料的成分，根据cct图确定堆积金属构件从800℃到300℃的冷却速度，使冷却速度通过需要得到的组织区域，调节多电弧之间的相对位置成为共熔池、部分共熔池与不共熔池中特定的状态；

5、直接成形：按照选定的激光工艺参数和电弧工艺参数，进行电弧增材制造，获得高性能和成形尺寸符合要求的成形金属构件。

6、负反馈监控协同平台接受到接收高速摄像电弧监控系统、成形尺寸三维测量系统、堆积电流、电压、弧焊枪行走速度数字化监控系统的反馈信号，负反馈监控协同平台根据其内部存储的工艺参数数据库的数据进行匹配，通过工艺参数调节进行修正，将修改信息发送至弧焊电源，改变堆积电流、电压、弧焊枪行走速度参数值。

如果堆积成形形成缺陷，停止电弧堆积成形，用负反馈监控协同平台分析缺陷的位置，进行缺陷清除，缺陷处理完成后，用单丝电弧修补缺陷处，修补完成后，继续堆积成形。

下面继续给出不同应用场合的多个具体实施例，以便更为清晰地解释本发明。

实施例1

某大型舰船的关键构件，其结构尺寸与性能有较高要求。性能要求在1000mpa以上，成形的尺寸精度为±1.5mm。为了保证电弧增材制造金属构件的性能与成形精度，采用多电弧协同形性一体化增材制造装备进行增材制造，具体的步骤如下：

1、三维模型建立：采用ug三维造型软件绘制出零部件的三维cad模型，生成机器人数控代码与成形路径软件；

2、选定成形材料，设定成形电弧参数：增材制造过程中选用合金含量较高的成形材料，成形采用co2保护气，金属丝材的直径为1.2mm，其成形为电流100a，电压20v，弧焊枪的行走速度为28.8m/h；

3、激光稳定和约束电弧：根据成形电弧稳定性的要求和成形精度要求，采用500w的光纤脉冲激光器，输出功率为300w、脉宽为5ms、频率为30hz，离焦量为-0.3mm；

4、5束电弧位置调控：成形中采用的是合金含量较高的材料，成形过程中的800℃到300℃的冷却速度不宜过快，为保证冷却速度位于所要求的范围内，调节5束电弧的距离，保证其相互之间的距离为6mm(10mm以内即为共熔池状态)，电弧枪体与z轴的夹角为30°，5束电弧为共熔池状态；

5、直接成形：开启5束电弧协同形性一体化装备，按照选定的激光工艺参数和电弧工艺参数，进行电弧增材制造，获得高性能和成形尺寸符合要求的成形金属构件。

所获得的金属构件的性能数据实测如下表1所示：

表1

综上，本发明涉及一种是适用于高性能大型金属构件的多电弧协同增材制造系统，该装备系统有激光压缩电弧功能组件、高速摄像电弧监控功能组件、堆积电流/电压/弧焊枪行走速度数字化监控功能组件、成形尺寸三维测量功能组件，缺陷除去功能组件，以及配套的负反馈监控功能组件，并能够高质量、高精度和高效率地实现对大型金属构件形、性一体化电弧增材制造。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。