CN107598335A - 一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置 - Google Patents

Abstract

一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置，属于先进制造技术领域，解决丝材电弧增材制造时样品尺寸精度及表面质量差，热输入受限、成形效率不高的问题。装置包括成形模具、连接杆、伸长杆、支架、辅助夹具及其连接用螺栓螺母。成形模具安装于连接杆上，连接杆与伸长杆通过螺栓轴、螺母连接，并可绕螺栓轴相对转动，伸长杆穿过支架竖直杆底部孔并利用螺母夹紧固定，支架固定于焊枪上。增材制造过程中始终保持成形模具成形面与熔池金属接触，约束并冷却熔池金属，使熔池金属在模具约束下连续微熔铸凝固成形，从而实现丝材电弧熔铸增材制造，提高样品的尺寸精度和表面质量，并且电弧线能量不再因熔池流淌而受限，从而可提高成形效率。

Description

一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，提供一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置，用于零件及模具的丝材电弧增材制造，提高样品尺寸精度及表面质量，并提高成形效率。

背景技术

丝材电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing， WAAM) 以非熔化极、熔化极或等离子弧等电弧作热源，通过不断熔化丝材逐层堆积成形，具有成形尺寸大、设备简单、成本低、材料利用率和沉积效率高等优势，熔覆率可达50~130g/min，是生产中大型零件的实用方法，已成为可实现高质量金属零件经济快速成形的方法之一。

各种电弧焊方法如TIG（钨极氩弧焊）、GMAW（金属极气体保护焊）、PTA（等离子弧堆焊），微束等离子弧都已用于增材制造技术。TIG焊比GMAW具有较低的能量输入、不易飞溅，组织形貌稳定性高，因此在WAAM中得到了较多的应用。但TIG焊时因电弧、焊丝的非同轴特征，在成形路径复杂多变时，送丝方向与焊枪运动方向的相位关系的保持依赖于行走机构，增大了成形、控制***的复杂性。GMAW方法虽然热输入较高，但是成形速率更快，而且以焊丝作为电极，弧、丝具有同轴性，成形位置的可达性更好。特别是继Fronius公司开发出冷金属过渡(CMT)技术后，克服了常规GMAW的诸多弊端，CMT技术在WAAM成形领域展现出独特的优势。

但WAAM电弧熔池体积较大，冷态原材料、电弧吹力、电源特性等扰动因素的存在，使得熔池成为一个不稳定的***，这限制了热输入的提高，且焊道表面形状不均匀，零件精度及表面质量较差。成形过程中熔池体积及形状的稳定是保证成形精度的基础，其影响因素不但取决于焊接热输入，还与熔池散热条件有关，增材制造过程中随着高度的增加，散热条件发生很大变化，特别是对于单道多层薄壁样品更加明显。散热条件变差导致熔池温度升高，金属液流动性、铺展能力增强，发生金属流淌现象，引起弧长等工艺参数的波动。为了保持熔池的稳定，应采取措施保持熔池散热条件的一致，或者相应调整工艺参数以减小热输入，生产中常采用的措施是保持一定的层间温度，随样品高度的增加适当减小热输入。由于成形过程样品尺寸不断变化，并且热量不断累积，保持熔池散热条件的一致十分困难，而减小热输入又会引起层高的变化，导致层高的不均匀性，并且保持层间温度和降低热输入都降低了熔覆沉积效率。

华中科技大学的张海鸥等人发明了一种用于零件或模具的增量制造方法及一种用于增材制造的变胞成形装置，在熔积成形的同时利用旋转压头对软化半凝固区或已凝固区进行旋转压缩加工，提高成形精度和产品质量，其旋转压头主要是对凝固后或凝固中的金属进行压缩，以保证尺寸精度及表现质量，旋转压头需要采用加压机构，所需装置结构复杂。

本发明针对传统丝材电弧增材制造技术存在的以上问题，设计一种装置，利用固定于焊枪上的结构简单的侧面强制成形模具约束熔池金属形状，实现熔池金属的微熔铸，保证成形过程中焊道宽度的一致性，从而保证熔池尺寸及工艺参数的稳定，并且通过对模具水冷，加强对熔池的冷却，减小冷却条件的变化，保证组织性能的均匀性。

发明内容

本发明提供一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置， 整体结构呈“［”形，包括成形模具、连接杆、伸长杆、支架、辅助夹具及其连接用螺栓螺母，该装置固定于焊枪上，成形过程中随焊枪一起运动，使成形模具的成形面在增材制造过程中始终保持与熔池金属侧面接触，约束并冷却熔池金属，使熔池金属在模具约束下连续微熔铸凝固成形，从而实现丝材电弧熔铸增材制造，提高成形样品的尺寸精度和表面质量；另一方面，由于采用模具约束熔池金属，可以增大线能量而不必担心因熔池流淌而无法成形，从而提高了成形效率。

成形模具通过螺纹连接安装于连接杆上，连接杆与伸长杆通过螺栓轴连接，并可绕螺栓轴相对转动，伸长杆穿过支架竖直杆底部孔并利用螺母夹紧固定，支架夹紧固定于焊枪上；通过调整支架在焊枪上的夹持位置可以调整增材制造时焊枪喷嘴距样品表面的距离， 或成形模具与熔池在电弧轴线方向的相对位置；通过调整伸长杆在支架上的位置，可以调整模具成形面距电弧中心的距离，从而调整焊道宽度；连接杆相对于伸长杆可以绕其连接轴转动，从而调整模具成形面的倾角。

本发明中作为增材制造热源的电弧可以是熔化极电弧（焊丝作为电极），也可以是非熔化极电弧（钨棒作为电极），即焊接设备可以采用熔化极气体保护焊设备，也可以采用钨极氩弧焊设备，当采用钨极氩弧焊时，焊丝采用单独的送丝机从电弧侧面或前方送进。

对于薄壁样品，只需单道多层熔覆堆积即可成形，此时熔池两侧均需采用强制成形模具，两套装置相对于熔池对称安装，如图1所示。

对于厚大样品，需要进行多道多层熔覆堆积，除每一层的第一道采用双侧成形模具外，其他各道只需采用单侧成形模具，如图2所示。

根据制造样品的结构及成形过程中电弧移动路径的不同，成形模具采用不同的结构设计，成形面可以是平面，也可以是弧形面或其他不规则形状。采用的成形模具内部通水冷却，一是防止模具的过热，二是加强对熔池的冷却，促进熔池的凝固成形，内部通水通道可以采用回旋通道或蛇形通道。成形模的尺寸根据成形样品的材料、成形工艺参数选择，模具成形面长度（或弧长）略大于熔池长度，薄壁样品成形模具的成形面高度约为熔覆堆积层高的2倍，厚大样品成形模具高度比熔覆堆积层高略高2-5mm即可，模具厚度约6-15mm。

由上所述，采用本发明装置，增材制造中熔池成形类似于连续微铸造过程，即利用电弧热将焊丝熔化形成熔池，熔池金属受到模具的约束。由于电弧相对于工件不断运动，所以熔池也是动态的，电弧离开，熔池跟随电弧移动，熔池尾部金属在模具约束下凝固成形，前方形成新的熔池。

附图说明

图1为薄壁样品成形时双侧强制成形装置安装图；图中1为成形模，2为连接杆，3为连接连接杆与伸长杆的螺栓螺母，4为伸长杆，5为夹紧伸长杆的螺母，6为支架，7为安装、夹紧支架的螺栓螺母，8为焊枪喷嘴，9为焊丝，10为电弧，11为熔池，12为增材制造样品，13为底板。

图2为单侧强制成形装置安装图；图中1为成形模，2为连接杆，3为连接连接杆与伸长杆的螺栓螺母，4为伸长杆，5为夹紧伸长杆的螺母，6为支架，7为安装、夹紧支架的螺栓螺母，8为安装支架用的辅助夹具，9为焊枪喷嘴，10为焊丝，11为电弧，12为熔池，13为增材制造样品材料，14为底板。

图3为支架结构图，其中(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；

图4为伸长杆结构图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图；

图5为连接杆结构图，其中(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；

图6为具有平面成形面的成形模具结构图，其中(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；

图7为用于安装支架的辅助夹具结构图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图；

图8为具有弧形凹面成形面的成形模具结构图，其中(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；

图9为具有弧形凸面成形面的成形模具结构图，其中(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图。

具体实施方式

本发明装置的特征在于使成形模具在增材制造过程中保持与电弧位置的相对固定，从而保持模具成形面与熔池金属的接触，使熔池金属在模具约束下凝固成形。

实施例1：

当成形薄壁样品时，需要熔池两侧都采用模具进行约束，成形装置如图1所示，采用两套本发明装置，两侧成形模具及支架等零件相对于熔池对称安装。

支架（6）的结构如图3所示，伸长杆（4）的结构如图4所示，连接杆（2）的结构如图5所示，成形模（1）的结构如图6所示，当制造过程中电弧移动路径为直线时，采用此种结构的成形模。

成形模（1）通过螺纹连接安装在连接杆（2）上，连接杆（2）与伸长杆（4）通过螺栓螺母（3）夹紧固定，并利用螺母（5）夹紧安装在支架（6）上，两个支架（3）利用螺栓螺母（7）固定在焊枪的喷嘴（8）上。松开螺栓螺母（7）可以调整支架（6）在焊枪喷嘴（8）上的位置，从而调整成形时的喷嘴至工件表面的距离，或成形模具与熔池在电弧轴线方向的相对位置。松开螺母（5）可以左右调整伸长杆（4）位置（注意：两侧伸长杆对称调整，保证电弧中心在两个成形模成形面的中间），从而调整焊道宽度。松开夹紧连接杆（2）与伸长杆（4）的螺母（3），可以使连接杆（2）绕其与伸长杆（4）的连接轴O转动，从而使成形模的成形面倾斜一定角度。

实施例2：

厚大样品增材制造时，除每层的第一道需双侧采用成形装置对熔池进行约束外，其他各道只需单侧采用成形装置，成形装置如图2所示。

夹具（8）的结构如图7所示，支架（6）的结构如图3所示，伸长杆（4）的结构如图4所示，连接杆（2）的结构如图5所示，成形模（1）的结构如图6所示，此种结构的成形模用于制造过程中电弧移动路径为直线时。

成形模（1）通过螺纹连接安装在连接杆（2）上，连接杆（2）与伸长杆（4）通过螺栓螺母（3）夹紧固定，并利用螺母（5）夹紧安装在支架（6）上，利用螺栓螺母（7）将支架（6）与辅助夹具（8）固定在焊枪的喷嘴（9）上。松开螺栓螺母（7）可以调整支架（6）在焊枪喷嘴（9）上的位置，从而调整成形时的喷嘴至工件表面的距离，或成形模具与熔池在电弧轴线方向的相对位置。松开螺母（5）可以左右调整伸长杆（4）位置，从而调整焊道宽度。松开夹紧连接杆（2）与伸长杆（4）的螺母（3），可以使连接杆（2）绕其与伸长杆（4）的连接轴O转动，从而使成形模的成形面倾斜一定角度，用于成形外壁倾斜的样品。

实施例3：

厚大样品增材制造，当电弧移动路径为圆弧时，成形装置同实施例2（图2）。模具成形面改为圆弧面，如果每一层的增材制造顺序为由内向外，采用凹面成形模，如图8所示；如果每一层的增材制造顺序为由外向内，采用凸面成形模，如图9所示。成形模弧面半径根据电弧移动路径的圆弧半径选择。

Claims (1)

1.一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置，整体结构呈“［”形，包括成形模具、连接杆、伸长杆、支架、辅助夹具及其连接用螺栓螺母，该装置固定于焊枪上，在增材制造过程中始终保持成形模具的成形面与熔池金属接触，约束并冷却熔池金属，使熔池金属在模具约束下连续微熔铸凝固成形，从而实现丝材电弧熔铸增材制造，本发明装置特征在于：

所述成形模具通过螺纹连接安装于连接杆上，连接杆与伸长杆通过螺栓轴连接，并可绕螺栓轴相对转动，伸长杆穿过支架竖直杆底部孔并利用螺母夹紧固定，支架利用辅助夹具及螺栓螺母夹紧固定于焊枪上；

单道薄壁样品成形时采用双侧成形装置，两套上述装置相对于熔池对称安装；厚大样品成形时除每层的第一道外，熔池单侧采用上述成形装置；

通过调整支架在焊枪上的夹持位置可以调整增材制造时焊枪喷嘴距样品表面的距离，或调整成形模具与熔池在电弧轴线方向的相对位置；

通过调整伸长杆在支架上的位置，可以调整模具成形面距电弧中心的距离，从而调整焊道宽度；

所述连接杆相对于伸长杆可以绕其连接轴转动，从而调整模具成形面的倾角；

根据制造样品的结构及成形过程中电弧移动路径的不同，成形模具采用不同的结构设计，成形面可以是平面，也可以是弧形面或其他不规则形状；

采用的成形模具内部通水冷却，一是防止模具的过热，二是加强对熔池的冷却，促进熔池的凝固成形。