CN112139630B - 一种热输入可调的熔化极电弧增材的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热输入可调的熔化极电弧增材的方法及装置，该装置中，熔化极焊枪、熔化极焊接电源及工件串联成熔化极电弧增材的熔化极电弧回路；TIG焊枪、TIG焊接电源及工件串联成非熔化极电弧回路；TIG焊枪、熔化极焊枪、TIG电源串联成旁路电弧回路。熔化极回路和非熔化极回路、旁路电弧回路之间通过电路智能切换器发生关联。TIG焊枪上安装有温度传感器，温度传感器和电路智能切换器相连，电路智能切换器根据接收到的温度信号对电流做相应的调节。本发明提供的方法和装置解决了熔化极电弧增材热输入与熔敷量关系解耦问题，在保证熔敷效率不变的前提下实现熔化极电弧增材热输入的调控，避免了增材过程中热积累和热量不足，提高了增材件的成形质量。

Description

一种热输入可调的熔化极电弧增材的方法及装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种热输入可调的熔化极电弧增材的方法及装置，用于解决增材制造过程用因热输入过大或过小导致工件成形差的问题。
背景技术
增材制造技术是基于离散—堆积的思想，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法实现实体零件快速成形的技术。其加工过程大致是：首先根据要求，用计算机三维制图软件绘制出要加工零件的三维图像；其次，将绘制好的三维零件图按一定的方式进行分层切片，获得零件的三维数据；接着将获取的零件三维数据导入到机器人操作***里，机器人根据操作***定义的路径进行逐层堆积，进而得到要加工成形的零件。该技术最大的优点是加工过程中省去了加工所用的刀具、模具等，突破了传统加工制造技术在加工复杂结构零件方面的限制，拓宽了加工制造业的加工成形范围。现阶段，增材制造过程中常用的热源主要有激光、电子束和电弧。相对于激光、电子束，以电弧为热源的增材制造因其高效、成本低、应用范围广而受到人们的广泛关注，未来具有很大的发展潜力。
在熔化极电弧增材过程中，增材电流和增材送丝速度密切正相关。当热输入过大需要减小增材电流时，对应的送丝速度会随之减小，导致熔敷效率降低；当提高熔敷量增大送丝速度时，增材电流也会增大，而过大的热输入导致成形质量下降。
目前，针对电弧增材开展的研究有很多，但对于熔化极电弧增材，能够根据工件温度自动调大或调小热输入的方法和装置并不多见。2013年由北京工业大学陈树军、张亮、白立来、门广强、盛珊、龚金龙等人公开的专利号为CN 103521885A的发明专利《双丝间接电弧交替旁路的焊接方法》构想了一种双丝间接电弧交替旁路的焊接方法，具体是：提供的方法中用两把焊枪形成主路+旁路和主路这两个电弧回路，通过换向开关使电弧在这两个回路中来回变换，以期通过此方式实现在提高熔敷量的同时降低焊接热输入，从而实现熔敷量和热输入分开的调节，虽然该发明提供的方法在一定程度上能够实现在提高熔敷量的同时降低焊接热输入，但该发明并不能有效解决在保证熔敷量不变的前提下增大热输入，以解决焊接开始时因基板温度较低、散热较快，导致熔池不能铺展的问题。再者是，2016年由北京工业大学张亮、王军、王会霞、付凯、寿立鹏、陈树君等人公开的专利号为CN 103753024 B的专利激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法构想了一种激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法，该发明提供方法是在专利号为CN 103521885A的专利双丝间接电弧交替旁路的焊接方法的基础上添加了激光源，以期通过激光热源的加入以实现焊接热输入的调节。该发明提供的方法不足之处是：当保证焊接熔敷量不变，降低热输入，换向开关把电路换向主路+旁路这一回路以降低热输入，而此时的激光热源因为要轰击熔滴促使其过渡，因此其能量不能过小或者为零，这就和保证焊接熔敷量不变，降低热输入这一要求相矛盾。同时，由于激光和电弧会发生干涉且两种热源的加热面积存在差异而不能很好复合，影响焊接质量。
发明内容
本发明提供了一种热输入可调的熔化极电弧增材的装置及方法。
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种热输入可调的熔化极电弧增材装置.
该装置包括熔化极焊枪、熔化极焊接电源、熔化极送丝机、TIG焊枪、TIG焊接电源、电路智能切换器和温度传感器；其中，熔化极焊枪、熔化极电源及工件串联成熔化极回路；TIG焊枪、TIG焊接电源及工件串联成非熔化极回路；TIG焊枪、熔化极焊枪、TIG电源串联成旁路电弧回路；熔化极回路和非熔化极回路、旁路电弧回路之间通过电路智能切换器发生关联，从而实现增材过程中熔敷量和热输入的分开调节；电路智能切换器切换到旁路电弧回路，旁路电弧分流减小熔化极电弧增材热输入；电路智能切换器切换到非熔化极电弧回路，加入TIG电弧的增加熔化极电弧增材热输入；电路智能切换器断开时，只有熔丝回路工作；安装在TIG焊枪上的温度传感器与电路智能切换器相连，温度传感器将感知到的温度传递给电路智能切换器，电路智能切换器对接收到的温度电信号进行分析，根据分析的结果对熔化极回路、非熔化极回路旁路电弧回路进行切换。
进一步的，装置中，焊枪的个数为两个，分别为熔化极焊枪和TIG焊枪与工作台面以角度放置；两把焊枪固定在一起做相同运动且二者所产生的电弧的作用位置相同。
进一步的，装置中熔化极焊枪内部设有焊丝，通过熔化极送丝机将丝材送进熔化极焊枪；TIG焊枪不安装送丝机构。
进一步的，装置可形成三个电路：熔化极焊枪、熔化极电源及工件串联成熔化极回路；TIG焊枪、熔化极焊接电源、TIG焊接电源及工件串联成旁路电弧回路；TIG焊枪、TIG焊接电源及工件串联成非熔化极回路；三个回路通过电路智能切换器将电路切换成熔化极熔丝回路+非熔化极电弧旁路、熔化极熔丝回路+非熔化极电弧回路和单独的熔化极熔丝回路。
进一步的，温度传感器测量的是熔池后方工件的温度，并将所测得的温度转化为电信号传递给电路智能切换器；电路智能切换器对接收到的温度电信号进行分析，根据分析的结果对电路进行智能切换。
热输入可调的熔化极电弧增材装置的热输入可调的熔化极电弧增材的方法，包括以下步骤：
步骤1.将各部分安装到相应位置并紧固；
步骤2.打开设备并设定好各项增材参数，具体为送丝速度4～8m/min、堆覆速度4～8mm/s、气体流量20L/min；
步骤3.开始增材温度传感器将检测到基板温度为室温，电路智能切换器自动把电路切换到非熔化极电弧回路，以增大热输入，非熔化极电弧回路电流70～150A；根据温度传感器检测到的温度来选择工作电路；
步骤4.根据材料种类来确定焊接电流大小；
步骤5.电路智能切换器实时工作，以单道为增材单元，逐道反复循环以至完成增材。
进一步的，根据温度传感器检测到的温度来选择工作电路具体为：
当温度传感器检测到的温度超过设定的值200℃时，电路智能切换器将把电路切换到非熔化极旁路，以减小热输入，非熔化极旁路电流100～200A，根据当前温度及材料种类来确定；
当温度传感器检测到的温度低于设定的值80℃时，电路智能切换器将把电路切换到非熔化极电弧回路，以增大热输入；
当温度传感器检测到的温度处于设定的值80℃～200℃时，电路智能切换器将把电路切换到熔化极回路，不需要增大或减小热输入。
进一步的，焊接电流大小具体设定为：不锈钢100A，铜合金150A，铝合金70～100A。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1.本发明提供了一种热输入可调的熔化极电弧增材的方法及装置，所提供的装置中可形成三个电弧回路，熔化极回路和非熔化极回路、旁路电弧回路，有效地解决了熔化极电弧增材热输入与熔敷量关系解耦问题，可以在保证熔敷效率不变的前提下实现熔化极电弧增材热输入的调控，避免了增材过程中热积累和热量不足等问题，提高了增材件的成形质量；2.本发明的装置可以解决熔化极电弧增材过程中增材电流和送丝速度与熔敷效率和成形质量之间的矛盾关系这一问题，但又不局限于电弧增材制造，还可用于解决熔化极气体保护焊过程中出现的热积累和热量不足等问题。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的装置切换到非熔化极电弧回路后的工作示意图。
图3是本发明的装置切换到非熔化极旁路电弧后的工作示意图。
图4是本发明的装置的电路智能切换器断开后的工作示意图。
图5是实施例1中增材件外观形貌及切开后样件截面图。
图6是实施例1中增材件内部显微结构图。
图7是实施例1中增材件拉伸断口微观形貌图。
图中：1是熔化极焊枪；2是TIG焊枪；3是电路智能切换器；4是TIG焊接电源；5是熔化极焊接电源；6是工件台；7是熔化极送丝机；8是温度传感器。
具体实施方式
为了使本发明的创新点以及所要解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面将结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
以熔化极电弧增材在一个长180mm×宽120mm×高10mm的钢板上增材一个长110mm×宽8mm×高80mm高强钢直壁体为例。
如图1所示，是所述装置的结构示意图。图中包括熔化极焊枪1、熔化极焊接电源5、熔化极送丝机7、TIG焊枪2、TIG焊接电源4、电路智能切换器3和温度传感器8。其中，熔化极焊枪1、熔化极焊接电源5及工件串联成熔化极回路；熔化极焊接电源、TIG焊接电源、TIG焊枪、工件串联成非熔化极旁路电弧回路；TIG焊枪2、TIG焊接电源4及工件串联成非熔化极电弧回路。三个回路通过电路智能切换器将电路切换成熔化极回路和非熔化极回路、旁路电弧回路。
电弧增材开始前，安装好各部件并紧固。设定送丝速度为6m/min，堆覆速度5mm/s，95％Ar+5％Co2作为保护气体，气体流量设为20L/min、丝材直径1.2mm；电弧增材开始后，安装到TIG焊枪上的温度传感器首先检测要增材位置的温度，此时温度接近室温，电路智能切换器3将接通非熔化极电弧回路这一电路，以增大热输入对基板进行预热。此时的装置工作示意图如图2所示；增材过程中，温度传感器检测当前道温度，如果检测到的温度低于100℃，电路智能切换器3将继续接通非熔化极电弧回路这一电路，以增大热输入。当温度传感器检测到的温度在100℃～200℃时，电路智能切换器将自动断开，此时只有熔化极电弧回路工作，装置工作示意图如图4所示；随着堆覆层数的增加，工件温度不断上升。当温度传感器8测量到当前道温度高于200℃时，电路智能切换器3则将电路切换到旁路电弧回路，以减小热输入。此时的装置工作示意图如图3所示。按引照此方法，层间等待时间大大缩短，增材效率明显提高。同时得到的增材件成形良好，内部无明显缺陷，抗拉强度达到850MPa。内部因热积累和热量不足引起的缺陷明显减少。
装置选用两把焊枪，一把熔化极焊枪1，一把TIG焊枪2。熔化极焊枪1和TIG焊枪2与工作台面以一定的角度放置。两把枪固定在一起作相同运动且二者产生的电弧作用位置相同。
装置中熔化极焊枪1内部设有焊丝，通过熔化极送丝机7将丝材送进熔化极焊枪1；TIG焊枪2不安装送丝机构，只提供电弧。
温度传感器8测量的是当前道的温度，并将所测得的温度转化为电信号传递给电路智能切换器3。电路智能切换器3对接收到的温度电信号进行分析，根据分析的结果对电路进行智能切换。
层间等待时间具体由温度传感器检测到的温度值而定，即当温度传感器检测到的温度值低于100℃时，电源启动。
需要说明的是，本发明没有改变焊枪所必须的气路和水路接法，依然遵循常规接法，故这里不再进行说明。
实施例2
以熔化极电弧增材在一个长150mm×宽150mm×高10mm的钢板上增材一个长80mm×宽80mm×高80mm高氮钢块体为例。
本实施例2采用如图1所示的装置结构。图中包括熔化极焊枪1、熔化极焊接电源5、熔化极送丝机7、TIG焊枪2、TIG焊接电源4、电路智能切换器3和温度传感器8。其中，熔化极焊枪1、熔化极焊接电源5及工件串联成熔化极回路；熔化极焊接电源、TIG焊接电源、TIG焊枪、工件串联成非熔化极电弧旁路；TIG焊枪2、TIG焊接电源4及工件串联成非熔化极电弧回路。三个回路通过电路智能切换器将电路切换成熔化极回路和非熔化极回路、旁路电弧回路。
电弧增材开始前，安装好各部件并紧固。设定送丝速度为5m/min，堆覆速度6mm/s，98％Ar+5％N2+1.5％O2作为保护气体，气体流量设为25L/min、丝材直径1.2mm；电弧增材开始后，安装到TIG焊枪上的温度传感器首先检测要增材位置的温度，此时温度接近室温，电路智能切换器3将接通非熔化极电弧回路这一电路，以增大热输入对基板进行预热。此时的装置工作示意图如图2所示；增材过程中，温度传感器检测当前道温度，如果检测到的温度低于80℃，电路智能切换器3将继续接通非熔化极电弧回路这一电路，以增大热输入。当温度传感器检测到的温度在80℃～200℃时，电路智能切换器将自动断开，此时只有熔化极电弧回路工作，装置工作示意图如图4所示；随着堆覆层数的增加，工件温度不断上升。当温度传感器8测量到当前道温度高于200℃时，电路智能切换器3则将电路切换到非熔化极电弧旁路，以减小热输入。此时的装置工作示意图如图3所示。
进一步地，装置选用两把焊枪，一把熔化极焊枪，一把TIG焊枪。熔化极焊枪和TIG焊枪与工作台面以一定的角度放置。两把枪固定在一起作相同运动且二者产生的电弧作用位置相同。
进一步地，装置中熔化极焊枪内部设有焊丝，通过熔化极送丝机7将丝材送进熔化极焊枪；TIG焊枪2不安装送丝机构，只提供电弧。
进一步地，温度传感器8测量的是当前道的温度，并将所测得的温度转化为电信号传递给电路智能切换器3。电路智能切换器3对接收到的温度电信号进行分析，根据分析的结果对电路进行智能切换。
进一步地，层间等待时间具体由温度传感器检测到的温度值而定，即当温度传感器检测到的温度值低于80℃时，电源启动。
需要说明的是，本发明没有改变焊枪所必须的气路和水路接法，依然遵循常规接法，故这里不再进行说明。

Claims (8)

1.一种热输入可调的熔化极电弧增材装置，其特征在于，该装置包括熔化极焊枪(1)、熔化极焊接电源(5)、熔化极送丝机(7)、TIG焊枪(2)、TIG焊接电源(4)、电路智能切换器(3)和温度传感器(8)；其中，熔化极焊枪(1)、熔化极焊接电源(5)及工件串联成熔化极电弧回路；TIG焊枪(2)、TIG焊接电源(4)及工件串联成非熔化极电弧回路；TIG焊枪(2)、熔化极焊接电源(5)、TIG焊接电源(4) 及工件串联成旁路电弧回路；熔化极电弧回路和非熔化极电弧回路、旁路电弧回路之间通过电路智能切换器(3)发生关联，从而实现增材过程中熔敷量和热输入的分开调节；电路智能切换器(3)切换到旁路电弧回路，旁路电弧分流减小熔化极电弧增材热输入；电路智能切换器(3)切换到非熔化极电弧回路，加入TIG电弧增加熔化极电弧增材热输入；电路智能切换器(3)断开时，只有熔化极电弧回路工作；安装在TIG焊枪(2)上的温度传感器(8)与电路智能切换器(3)相连，温度传感器(8)将感知到的温度传递给电路智能切换器(3)，电路智能切换器(3)对接收到的温度电信号进行分析，根据分析的结果对熔化极电弧回路、非熔化极电弧回路、旁路电弧回路进行切换。
2.如权利要求1所述的热输入可调的熔化极电弧增材装置，其特征在于，所述装置中，焊枪的个数为两个，分别为熔化极焊枪(1)和TIG焊枪(2)与工作台面以角度放置；两把焊枪固定在一起做相同运动且二者所产生的电弧的作用位置相同。
3.如权利要求2所述的热输入可调的熔化极电弧增材装置，其特征在于，所述装置中熔化极焊枪(1)内部设有焊丝，通过熔化极送丝机(7)将丝材送进熔化极焊枪；TIG焊枪(2)不安装送丝机构。
4.如权利要求1所述的热输入可调的熔化极电弧增材装置，其特征在于，所述装置可形成三个电路：熔化极焊枪(1)、熔化极焊接电源(5)及工件串联成熔化极电弧回路；TIG焊枪(2)、熔化极焊接电源(5)、TIG焊接电源(4)及工件串联成旁路电弧回路；TIG焊枪(2)、TIG焊接电源(4)及工件串联成非熔化极电弧回路；三个回路通过电路智能切换器(3)将电路切换成熔化极电弧回路+非熔化极电弧旁路、熔化极电弧回路+非熔化极电弧回路和单独的熔化极电弧回路。
5.如权利要求1所述的热输入可调的熔化极电弧增材装置，其特征在于，温度传感器8测量的是熔池后方工件的温度，并将所测得的温度转化为电信号传递给电路智能切换器(3)；电路智能切换器(3)对接收到的温度电信号进行分析，根据分析的结果对电路进行智能切换。
6.如权利要求1-5任一项所述的热输入可调的熔化极电弧增材装置的热输入可调的熔化极电弧增材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将装置各部分安装到相应位置并紧固；
（2）打开装置并设定好各项增材参数，具体为送丝速度4~8m/min、堆覆速度4~8mm/s、气体流量20L/min；
（3）开始增材温度传感器将检测到基板温度为室温，电路智能切换器自动把电路切换到非熔化极电弧回路，以增大热输入，非熔化极电弧回路电流70~150A；根据温度传感器检测到的温度来选择工作电路；
（4）根据材料种类来确定焊接电流大小；
（5）电路智能切换器实时工作，以单道为增材单元，逐道反复循环以至完成增材。
7.如权利要求6所述的热输入可调的熔化极电弧增材的方法，其特征在于，根据温度传感器检测到的温度来选择工作电路具体为：
当温度传感器检测到的温度超过设定的值200℃时，电路智能切换器将把电路切换到旁路电弧回路，以减小热输入，旁路电弧回路电流100~200A，根据当前温度及材料种类来确定；
当温度传感器检测到的温度低于设定的值80℃时，电路智能切换器将把电路切换到非熔化极电弧回路，以增大热输入；
当温度传感器检测到的温度处于设定的值80℃~200℃时，电路智能切换器将把电路切换到熔化极电弧回路，不需要增大或减小热输入。
8.如权利要求6所述的热输入可调的熔化极电弧增材的方法，其特征在于，焊接电流大小具体设定为：不锈钢100A，铜合金150A，铝合金70~100A。
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