辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法与流程

本发明属于金属构件增材制造技术领域，具体涉及一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法。

背景技术：

电弧增材制造是以焊接电弧作为热源、金属丝材作为填充材料，逐层逐道堆积以获得三维实体零部件的一种技术，该技术具有材料利用率高、生产效率高、设备成本低等优点。

目前，电弧增材制造技术主要有熔化极气体保护电弧增材制造(Gas Metal Arc Additive Manufacturing，GMA-AM)、钨极惰性气体电弧增材制造(Gas Tungsten Arc Additive Manufacturing，GTA-AM)和等离子体弧增材制造(Plasma Arc Additive Manufacturing，PA-AM)。传统电弧增材制造过程中，电弧建立于电极与金属构件之间，电弧不仅用于熔化填充丝材而且直接作用于堆积层，因此对堆积层的热损伤大，甚至造成熔池金属流淌，金属构件无法成形，另一方面，严重的热积累也会导致成形件组织粗大且性能恶化。目前解决这一问题的主要方法有：(1)增加层间冷却时间；(2)采用小电流堆积工艺；(3)在基板底部通入冷却液或使用冷却气体对堆积层进行强制冷却。尽管以上方法对于降低堆积层的热损伤具有明显效果，但是采用方法(1)或方法(2)，易导致成形件的堆积效率降低，而采用方法(3)，则制造成本显著提高。

中国专利申请号：200810064456.9名为“钨极-熔化极间接电弧焊的装置及其焊接方法”提出了一种间接电弧的焊接装置及方法，将钨极焊枪与熔化极焊枪分别与GTA电源的正负极相连，电弧在钨极与焊丝之间产生，该方法解决了传统电弧焊对母材热输入过大、焊缝熔覆率低、稀释率高的问题，但是该方法用于增材制造领域时，其堆积效率较低、无法实现成分的连续调控或制备金属间化合物。因此，仍需对现有方法进行改进。

中国专利申请号：201710855161.2名为“用于梯度材料制造的辅助填丝GMA增材制造装置及方法”提供了一种在GMA-AM基础上，添加两根辅助焊丝以制备梯度材料的方法，该方法通过两根辅助焊丝消耗电弧的能量，从而减小对堆积层的热输入，同时可以实现堆积层成分的连续调节，但是该方法中产生的电弧仍然直接作用于堆积层，对堆积层的损伤较严重，电弧有效热量分配不合理。因此有必要提出一种新方法，以解决传统电弧增材制造过程中堆积层过度损伤，且堆积效率不高这一技术难题。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决传统电弧增材制造过程中堆积层过度损伤，且堆积效率不高这一技术难题，在电弧增材制造的基础上提供一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置进行增材制造的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据待加工金属构件的几何结构进行堆积路径和工艺参数规划，选择试验所需金属丝材质，工艺参数包括堆积电流I、焊接速度v、保护气流量L、第一金属丝5a的送丝速度v1、第二金属丝5b的送丝速度v2；

步骤二：将基板10表面进行机械清理，用丙酮擦拭干净，并将基板10通过夹具固定在工作台上；将焊枪2通过电缆与电弧增材制造电源1的负极连接；所述第二导丝嘴6b的一端通过电缆与电弧增材制造电源1的正极连接；所述第一金属丝5a的一端穿过第一导丝嘴6a，第二金属丝5b的一端穿过第二导丝嘴6b；所述保护气瓶3通过送气软管与焊枪2相连，用于提供保护气体；所述第一送丝机4a与第二送丝机4b分别用于输送第一金属丝5a与第二金属丝5b；所述第一导丝嘴6a的轴线垂直于基板10的上端面，并位于熔池8上方；所述焊枪2的轴线与第二导丝嘴6b的轴线分别位于第一导丝嘴6a的两侧；所述焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧；所述第一导丝嘴6a的轴线与第二导丝嘴6b的轴线之间的夹角θ1为25°-65°，第一导丝嘴6a的轴线与焊枪2的轴线之间的夹角θ2为30°-60°；所述第一导丝嘴6a的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的垂直距离d1为2-5mm；所述第二金属丝5b作为主丝，用于大量熔丝以制造成形件基体部分；所述第一金属丝5a作为辅丝，用于少量熔丝；第二导丝嘴6b的尖端与熔池8的垂直距离d2为3-6mm，焊枪2的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的水平距离d3为3-5mm；

步骤三：将辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至路径起始点，在焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧，待电弧燃烧0.5-2s后送入第一金属丝5a，开始按照规划路径进行堆积过程；第二金属丝5b的送丝速度v2为0.8-2.5m/min，第一金属丝5a的送丝速度v1与第二金属丝5b的送丝速度v2的比值η为0.1-0.5；电弧燃烧0.5-2s后送入第一金属丝5a的原因是若电弧燃烧时间小于0.5s送入第一金属丝5a时，此时电弧不稳定，易影响堆积层的成形质量，若电弧燃烧时间大于2s送入第一金属丝5a时，则弱化第一金属丝5a的作用。

步骤四：当辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至路径终点时，停止输送第二金属丝5b，0.1-0.5s后停止输送第一金属丝5a，完成一层堆积过程；0.1-0.5s后停止输送第一金属丝5a的原因是若第一金属丝5a先于第二金属丝5b停止送丝，则易弱化第一金属丝5a的作用，在实际情况中难以保证第一金属丝5a与第二金属丝5b同时停止送丝，故留出0.1-0.5s的时间余量用于停止输送第一金属丝5a，若大于0.5s后停止输送第一金属丝5a时，第一金属丝5a易扎到堆积层，影响表面成形质量。

步骤五：待成形件9冷却至30-100℃，将辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至下一路径起始点；

步骤六：反复执行步骤三、步骤四与步骤五，直至完成整个成形件9的成形。

作为优选方式，所述步骤一具体为：

步骤一：根据待加工金属构件的几何结构特征进行二维切分，根据切分获得的二维模型进行堆积路径和工艺参数规划，选择试验所需金属丝材质，堆积路径规划包括二维模型中路径起始点、路径终点和堆积过程中焊枪或工作台的旋转角度的确定，工艺参数包括堆积电流I、焊接速度v、保护气流量L、第一金属丝5a的送丝速度v1、第二金属丝5b的送丝速度v2。

作为优选方式，堆积电流I为100-250A，保护气流量L为10-30L/min。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置，包括电弧增材制造电源1、焊枪2、保护气瓶3、第一送丝机4a、第二送丝机4b、第一金属丝5a、第二金属丝5b、第一导丝嘴6a、第二导丝嘴6b；

所述焊枪2通过电缆与电弧增材制造电源1的负极连接；所述第二导丝嘴6b的一端通过电缆与电弧增材制造电源1的正极连接；所述第一金属丝5a的一端穿过第一导丝嘴6a，第二金属丝5b的一端穿过第二导丝嘴6b；所述保护气瓶3通过送气软管与焊枪2相连，用于提供保护气体；所述第一送丝机4a与第二送丝机4b分别用于输送第一金属丝5a与第二金属丝5b；所述第一导丝嘴6a的轴线垂直于基板10的上端面，并位于熔池8上方；所述焊枪2的轴线与第二导丝嘴6b的轴线分别位于第一导丝嘴6a的两侧；所述焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧；所述第一导丝嘴6a的轴线与第二导丝嘴6b的轴线之间的夹角θ1为25°-65°，第一导丝嘴6a的轴线与焊枪2的轴线之间的夹角θ2为30°-60°；所述第一导丝嘴6a的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的垂直距离d1为2-5mm；所述第二金属丝5b作为主丝，用于大量熔丝以制造成形件基体部分；所述第一金属丝5a作为辅丝，用于少量熔丝；第二导丝嘴6b的尖端与熔池8的垂直距离d2为3-6mm，焊枪2的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的水平距离d3为3-5mm；第二金属丝5b的送丝速度v2为0.8-2.5m/min，第一金属丝5a的送丝速度v1与第二金属丝5b的送丝速度v2的比值η为0.1-0.5。

θ1设定为25°-65°是因为θ1过小或过大，焊枪2与第二金属丝5b之间电弧的稳定性下降，不利于成形件的制备；θ2设定为30°-60°是因为θ2过小或过大，焊枪2与第二金属丝5b之间电弧的稳定性下降，不利于成形件的制备；d1设定为2-5mm是因为d1过小，干扰焊枪2与第二金属丝5b之间产生的电弧，导致电弧稳定性下降，d1过大，降低生产效率；d2设定为3-6mm是因为d2过小，焊枪2与第二金属丝5b之间产生的电弧易加热堆积层，降低该装置的作用，d2过大，熔滴7在空气中停留时间过长，导致难以形成熔池8；d3设定为3-5mm是因为d3过小，电弧过短，且无法送入第一金属丝5a，d3过大，起弧困难，且电弧稳定性下降，不利于成形件的制备；η设定为0.1-0.5是因为η过小，辅丝的熔化量减少，弱化该装置的作用，η过大，电弧能量无法将第二金属丝5b完全熔化，易造成扎丝现象，影响成形质量。

作为优选方式，电弧增材制造电源1为恒流电源。

作为优选方式，第一金属丝5a与第二金属丝5b为同质金属丝，或异质金属丝。辅丝与主丝采用同质金属丝时，可显著提高堆积效率，辅丝与主丝采用异质金属丝时，可制备功能梯度材料或金属件化合物。

作为优选方式，第一金属丝5a与第二金属丝5b采用304不锈钢、碳素钢等低热传导效率的材料。

本发明所述辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法的技术难题为：与传统的间接电弧工艺相比，所述辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法中，辅丝直接送入电弧中，难以保持电弧稳定性；在不同的热输入工艺下，存在调整辅丝的送丝速度以保持成形件的堆积效率与成形质量的技术难题。本发明所述辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法的有效益果为：

(1)所述辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置，在电弧增材制造过程中，成形件不与电弧增材制造电源连接，减少堆积层的过度损伤，电弧建立于主丝与焊枪之间，辅丝直接送入电弧，电弧产生的热量直接用于熔化金属丝，增大能量利用效率。

(2)所述主丝与辅丝采用同质金属丝时，可显著提高电弧增材制造技术的堆积效率。

(3)所述主丝与辅丝采用异质金属丝时，可调节辅丝的送丝速度制备不同成分的金属间化合物构件，也可制备功能梯度材料。

附图说明

图1为辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置的结构示意图。

图2为金属丝与焊枪位置关系示意图。

图中：1为电弧增材制造电源、2为焊枪、3为保护气瓶、4a为第一送丝机、4b为第二送丝机、5a为第一金属丝、5b为第二金属丝、6a为第一导丝嘴、6b为第二导丝嘴、7为熔滴、8为熔池、9为成形件、10为基板。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置进行增材制造的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据待加工金属构件的几何结构进行堆积路径和工艺参数规划，选择试验所需金属丝材质，工艺参数包括堆积电流I、焊接速度v、保护气流量L、第一金属丝5a的送丝速度v1、第二金属丝5b的送丝速度v2；堆积电流I为100-250A，保护气流量L为10-30L/min。

步骤二：将基板10表面进行机械清理，用丙酮擦拭干净，并将基板10通过夹具固定在工作台上；将焊枪2通过电缆与电弧增材制造电源1的负极连接；所述第二导丝嘴6b的一端通过电缆与电弧增材制造电源1的正极连接；所述第一金属丝5a的一端穿过第一导丝嘴6a，第二金属丝5b的一端穿过第二导丝嘴6b；所述保护气瓶3通过送气软管与焊枪2相连，用于提供保护气体；所述第一送丝机4a与第二送丝机4b分别用于输送第一金属丝5a与第二金属丝5b；所述第一导丝嘴6a的轴线垂直于基板10的上端面，并位于熔池8上方；所述焊枪2的轴线与第二导丝嘴6b的轴线分别位于第一导丝嘴6a的两侧；所述焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧；所述第一导丝嘴6a的轴线与第二导丝嘴6b的轴线之间的夹角θ1为25°-65°，第一导丝嘴6a的轴线与焊枪2的轴线之间的夹角θ2为30°-60°；所述第一导丝嘴6a的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的垂直距离d1为2-5mm；所述第二金属丝5b作为主丝，用于大量熔丝以制造成形件基体部分；所述第一金属丝5a作为辅丝，用于少量熔丝；第二导丝嘴6b的尖端与熔池8的垂直距离d2为3-6mm，焊枪2的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的水平距离d3为3-5mm；

步骤三：将辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至路径起始点，在焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧，待电弧燃烧0.5-2s后送入第一金属丝5a，开始按照规划路径进行堆积过程；第二金属丝5b的送丝速度v2为0.8-2.5m/min，第一金属丝5a的送丝速度v1与第二金属丝5b的送丝速度v2的比值η为0.1-0.5；

步骤四：当辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至路径终点时，停止输送第二金属丝5b，0.1-0.5s后停止输送第一金属丝5a，完成一层堆积过程；

步骤五：待成形件9冷却至30-100℃，将辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至下一路径起始点；

步骤六：反复执行步骤三、步骤四与步骤五，直至完成整个成形件9的成形。

实施例2

一种利用辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置进行增材制造的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据待加工金属构件的几何结构进行堆积路径和工艺参数规划，选择试验所需金属丝材质，工艺参数包括堆积电流I、焊接速度v、保护气流量L、第一金属丝5a的送丝速度v1、第二金属丝5b的送丝速度v2；堆积电流I为100-250A，保护气流量L为10-30L/min。

本实施例所述的不锈钢构件为多层单道薄壁件，构件宽度为6mm，总高度为25mm，成形路径长度为160mm。本试验由福尼斯焊机提供电弧增材制造电源，运动执行装置为ABB机器人，辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置(如图1所示)固定于ABB机器人，基板为304不锈钢薄板，基板尺寸为200mm×80mm×6mm，第一金属丝5a与第二金属丝5b均采用ER304不锈钢金属丝，使用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，

步骤二：将基板10表面进行机械清理，用丙酮擦拭干净，并将基板10通过夹具固定在工作台上；将焊枪2通过电缆与电弧增材制造电源1的负极连接；所述第二导丝嘴6b的一端通过电缆与电弧增材制造电源1的正极连接；所述第一金属丝5a的一端穿过第一导丝嘴6a，第二金属丝5b的一端穿过第二导丝嘴6b；所述保护气瓶3通过送气软管与焊枪2相连，用于提供保护气体；所述第一送丝机4a与第二送丝机4b分别用于输送第一金属丝5a与第二金属丝5b；所述第一导丝嘴6a的轴线垂直于基板10的上端面，并位于熔池8上方；所述焊枪2的轴线与第二导丝嘴6b的轴线分别位于第一导丝嘴6a的两侧；所述焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧；所述第一导丝嘴6a的轴线与第二导丝嘴6b的轴线之间的夹角θ1为45°，第一导丝嘴6a的轴线与焊枪2的轴线之间的夹角θ2为30°-60°；所述第一导丝嘴6a的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的垂直距离d1为3mm；所述第二金属丝5b作为主丝，用于大量熔丝以制造成形件基体部分；所述第一金属丝5a作为辅丝，用于少量熔丝；第二导丝嘴6b的尖端与熔池8的垂直距离d2为3mm，焊枪2的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的水平距离d3为5mm；

步骤三：将辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至路径起始点，在焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧，待电弧燃烧0.5-2s后送入第一金属丝5a，开始按照规划路径进行堆积过程；试验工艺参数为：堆积电流I为150A，焊接速度v为0.6m/min，第一金属丝5a的送丝速度v1为0.5m/min、第二金属丝5b的送丝速度v2为2m/min，气体流量为15L/min。

步骤四：当辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至路径终点时，停止输送第二金属丝5b，0.1-0.5s后停止输送第一金属丝5a，完成一层堆积过程；

步骤五：待成形件9冷却至60℃，将辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置移动至下一路径起始点；

步骤六：反复执行步骤三、步骤四与步骤五，直至完成整个成形件9的成形。

辅丝与主丝采用同质金属丝时，可显著提高堆积效率，辅丝与主丝采用异质金属丝时，可制备功能梯度材料或金属件化合物。

实施例3

本发明还提供一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置，包括电弧增材制造电源1、焊枪2、保护气瓶3、第一送丝机4a、第二送丝机4b、第一金属丝5a、第二金属丝5b、第一导丝嘴6a、第二导丝嘴6b；

所述焊枪2通过电缆与电弧增材制造电源1的负极连接；所述第二导丝嘴6b的一端通过电缆与电弧增材制造电源1的正极连接；所述第一金属丝5a的一端穿过第一导丝嘴6a，第二金属丝5b的一端穿过第二导丝嘴6b；所述保护气瓶3通过送气软管与焊枪2相连，用于提供保护气体；所述第一送丝机4a与第二送丝机4b分别用于输送第一金属丝5a与第二金属丝5b；所述第一导丝嘴6a的轴线垂直于基板10的上端面，并位于熔池8上方；所述焊枪2的轴线与第二导丝嘴6b的轴线分别位于第一导丝嘴6a的两侧；所述焊枪2与第二金属丝5b之间产生电弧；所述第一导丝嘴6a的轴线与第二导丝嘴6b的轴线之间的夹角θ1为25°-65°，第一导丝嘴6a的轴线与焊枪2的轴线之间的夹角θ2为30°-60°；所述第一导丝嘴6a的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的垂直距离d1为2-5mm；所述第二金属丝5b作为主丝，用于大量熔丝以制造成形件基体部分；所述第一金属丝5a作为辅丝，用于少量熔丝；第二导丝嘴6b的尖端与熔池8的垂直距离d2为3-6mm，焊枪2的尖端与第二导丝嘴6b的尖端之间的水平距离d3为3-5mm；第二金属丝5b的送丝速度v2为0.8-2.5m/min，第一金属丝5a的送丝速度v1与第二金属丝5b的送丝速度v2的比值η为0.1-0.5。

θ1设定为25°-65°是因为θ1过小或过大，焊枪2与第二金属丝5b之间电弧的稳定性下降，不利于成形件的制备；θ2设定为30°-60°是因为θ2过小或过大，焊枪2与第二金属丝5b之间电弧的稳定性下降，不利于成形件的制备；d1设定为2-5mm是因为d1过小，干扰焊枪2与第二金属丝5b之间产生的电弧，导致电弧稳定性下降，d1过大，降低生产效率；d2设定为3-6mm是因为d2过小，焊枪2与第二金属丝5b之间产生的电弧易加热堆积层，降低该装置的作用，d2过大，熔滴7在空气中停留时间过长，导致难以形成熔池8；d3设定为3-5mm是因为d3过小，电弧过短，且无法送入第一金属丝5a，d3过大，起弧困难，且电弧稳定性下降，不利于成形件的制备；η设定为0-0.5是因为η过小，辅丝的熔化量减少，弱化该装置的作用，η过大，电弧能量无法将第二金属丝5b完全熔化，易造成扎丝现象，影响成形质量。

电弧增材制造电源1为恒流电源。

第一金属丝5a与第二金属丝5b为同质金属丝，或异质金属丝。辅丝与主丝采用同质金属丝时，可显著提高堆积效率，辅丝与主丝采用异质金属丝时，可制备功能梯度材料或金属件化合物。

第一金属丝5a与第二金属丝5b采用304不锈钢、碳素钢等低热传导效率的材料。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。