一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置及其使用方法与流程

本发明涉及增材制造，具体是一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置及其使用方法。

背景技术：

1、功能梯度金属结构是一种成分、组织或相逐渐向另一成分、组织或相过渡的结构。这种结构能满足金属结构不同部位、不同区域的特殊性能要求，提高材料的性能利用率，充分发挥各部分性能，同时能满足对金属结构的局部轻量化需求，在航空航天等领域具有很广阔的应用前景。功能梯度金属结构可以通过金属熔化增材制造方法进行制备，结合增材制造快速精密制造出任意复杂形状零件的优势，可以制备出形状复杂的功能梯度结构。现有的梯度结构增材制造方法通过改变粉/丝材的成分来进行性能调整；更换材料的过程繁琐，工艺耗时长，限制了该制备方法的应用和发展，同时面临以下问题：

2、由于不同组分的丝材物理特性上的差异，当同时送不同组分丝材时，单一热源很难控制熔点差异较大的材料能够在同一位置同时熔化并一起进入熔池，在增材制造熔池快速熔凝特性下，各组分的材料熔化后在熔池内混合时间短，最终影响成形件相应沉积区内组织成分的均匀性；

3、当采用高能量热源，低熔点材料由于长期处于热源高温区域，会导致材料蒸发剧烈，从而与预计的混合成分出现显著差异；

4、当采用低能量热源，高熔点材料由于受热不够而未达到熔点难以融化，会导致熔池内含有大量为充分熔化的高熔点材料。

5、因此，亟需研发一种组织成分均匀的功能梯度金属零件的激光增材制造方法，本文公开了一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置及方法。利用三个机器人和变位机共用同一个增材制造坐标系，变位机控制增材预制垫板实现6自由度运动，并配合机器人的增材轨迹做位置调整，使用高功率激光a熔化高熔点焊丝a、中功率激光b熔化中熔点焊丝b、低功率激光c熔化低熔点焊丝c，使得具有梯度功能材料的金属零件全方位增材，实现了同一零件在不同部位具有不同材料成分。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置及其使用方法。

2、一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，包括：

3、增材组件，提供增材材料并配合机器人的增材轨迹做位置调整；

4、机器人组件，操作各组分的材料熔化；

5、控制系统组件，在增材制造熔池快速熔凝特性下，控制各组分的材料熔化后在熔池内混合时间。

6、所述的增材组件包括增材预制垫板、控制增材预制垫板实现增材零件六自由度运动的变位机。

7、所述的增材预制垫板与变位机采用焊接方式相连接。

8、所述的零件在增材预制垫板上增材所形成。

9、所述的机器人组件包括焊丝a、焊丝b、焊丝c、机器人e、机器人d、机器人f、通过螺栓与机器人e、机器人d、机器人f相连接的激光头、激光头h、激光头i。

10、所述的焊丝a、焊丝b、焊丝c的熔点由高到低为：焊丝a＞焊丝b＞焊丝c。

11、所述的机器人e、机器人d、机器人f之间既可以单独运动熔化一种焊丝形成单成分熔池、也可以协同运动熔化多种焊丝形成多成分熔池。

12、所述的控制系统组件包括激光发生器、控制系统、通过激光发生器同时输出多束、多功率的激光的激光束a、激光束b、激光束c。

13、所述的激光束a专门加热熔化焊丝a，激光束b专门加热熔化焊丝b502，激光束c专门加热熔化焊丝c。

14、一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置的使用方法，其具体步骤如下：

15、s1、划分成分：根据金属零件的形状尺寸及综合性能需求，划分金属零件不同成分区域，并进行成分梯度结构设计、建模；

16、s2、模型切片：将三维实体零件模型图经切片分层处理后的数据以导入控制系统中；

17、s3、计算增材轨迹：控制系统根据零件不同部位所需要的成分进行计算，确定需要单成分、双成分、多成分的部位，结合这些部位在零件中所占的空间位置计算出增材轨迹；

18、s301、计算并在控制系统中设置焊丝a送丝长度以及与之匹配的激光束a输出时间和功率；

19、s302、计算并在控制系统中设置焊丝b送丝长度以及与之匹配的激光束b输出时间和功率；

20、s303、计算并在控制系统中设置焊丝c送丝长度以及与之匹配的激光束c输出时间和功率；

21、s4、启动：开启机器人e、机器人d、机器人f、变位机、激光发生器；

22、s5、单一成分a或b或c沉积过程：控制系统控制激光器输出熔化焊丝a或焊丝b或焊丝c所需要的单书激光，机器人e或机器人d或机器人f带动激光头由原点位置运动至步骤s3计算完成的单一成分增材轨迹处，激光束a或激光束b或激光束c或激光头g或激光头h或激光头i加热熔化焊丝a或焊丝b或焊丝c，变位机控制增材预制垫板配合机器人e或机器人d或机器人f的增材轨迹做位置调整，受热熔化单一成分焊丝形成单熔池进行增材，增材完成零件单一成分部位后，控制系统关闭激光器的激光输出，机器人e或机器人d或机器人f带动激光头g或激光头h或激光头i回到原点位置；

23、s6、a+b或b+c或a+c双成分沉积过程：控制系统控制激光器输出熔化焊丝a和焊丝b或焊丝b和焊丝c或焊丝a与焊丝c所需要的双束激光，与之对应的机器人带动激光头由原点位置运动至步骤s3计算完成的双成分增材轨迹处，两束激光分别加热熔化与之匹配的焊丝，变位机控制增材预制垫板配合机器人的增材轨迹做位置调整，受热熔化两种成分焊丝形成双熔池进行增材，增材完成零件双成分部位后，控制系统关闭激光器的激光输出，机器人e或机器人d或机器人f带动激光头g或激光头h或激光头i回到原点位置；

24、s7、a+b+c三成分沉积过程：控制系统控制激光器输出熔化焊丝a、焊丝b、焊丝c所需要的三束激光，机器人e、机器人d、机器人f带动激光头g、激光头h、激光头i由原点位置运动至步骤s3计算完成的三成分增材轨迹处，激光头g、激光头h、激光头i输出激光束a、激光束b、激光束c加热熔化焊丝a、焊丝b、焊丝c，变位机控制增材预制垫板配合机器人e、机器人d、机器人f的增材轨迹做位置调整，受热熔化三种成分焊丝形成三熔池进行增材，增材完成零件三成分部位后，控制系统关闭激光器的激光输出，机器人e、机器人d、机器人f带动激光头g、激光头h、激光头i回到原点位置。

25、s8、重复制造：重复s5、s6、s7直至完成零件所有的单一成分、双成分、三成分部位的制造。

26、本发明的有益效果是：使用高功率的激光束a熔化高熔点焊丝a、中功率的激光束b熔化中熔点焊丝b、低功率的激光束c熔化低熔点焊丝c，既可以单独熔化一种成分焊丝形成单熔池增材、又可以两两组合熔化双种成分焊丝形成双熔池增材、也可以共同组合熔化三种成分焊丝形成三熔池增材，能使得具有梯度功能材料的金属零件全方位增材。

技术特征：

1.一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的增材组件包括增材预制垫板(2)、控制增材预制垫板(2)实现增材零件(3)六自由度运动的变位机(1)。

3.根据权利要求2所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的增材预制垫板(2)与变位机(1)采用焊接方式相连接。

4.根据权利要求2所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的零件(3)在增材预制垫板(2)上增材所形成。

5.根据权利要求1所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的机器人组件包括焊丝a(501)、焊丝b(502)、焊丝c(503)、机器人e(601)、机器人d(602)、机器人f(603)、通过螺栓与机器人e(601)、机器人d(602)、机器人f(603)相连接的激光头g(901)、激光头h(902)、激光头i(903)。

6.根据权利要求5所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的焊丝a(501)、焊丝b(502)、焊丝c(503)的熔点由高到低为：焊丝a(501)＞焊丝b(502)＞焊丝c(503)。

7.根据权利要求5所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的机器人e(601)、机器人d(602)、机器人f(603)之间既可以单独运动熔化一种焊丝形成单成分熔池、也可以协同运动熔化多种焊丝形成多成分熔池。

8.根据权利要求1所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的控制系统组件包括激光发生器(7)、控制系统(8)、通过激光发生器(7)同时输出多束、多功率的激光的激光束a(401)、激光束b(402)、激光束c(403)。

9.根据权利要求8所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置，其特征在于：所述的激光束a(401)专门加热熔化焊丝a(501)，激光束b(402)专门加热熔化焊丝b(502)，激光束c(403)专门加热熔化焊丝c(503)。

10.利用权利要求1至9中任一项所述的一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置的使用方法，其特征在于：其具体步骤如下：

技术总结
本发明涉及一种多激光束多焊丝增材制造梯度材料装置及其使用方法，该装置包括：增材组件、机器人组件、控制系统组件，使用方法步骤如下：S1、划分成分；S2、模型切片；S3、计算增材轨迹；S4、启动；S5、单一成分a或b或c沉积过程；S6、a+b或b+c或a+c双成分沉积过程；S7、a+b+c三成分沉积过程；S8、重复制造；使用高功率的激光束A熔化高熔点焊丝a、中功率的激光束B熔化中熔点焊丝b、低功率的激光束C熔化低熔点焊丝c，既可以单独熔化一种成分焊丝形成单熔池增材、又可以两两组合熔化双种成分焊丝形成双熔池增材、也可以共同组合熔化三种成分焊丝形成三熔池增材，能使得具有梯度功能材料的金属零件全方位增材。

技术研发人员：王磊磊,白兵,程宗辉,陈云鹏
受保护的技术使用者：国营芜湖机械厂
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16