CN112605510B - 一种丝粉复合等离子弧增材制造装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丝粉复合等离子弧增材制造装置及使用方法，涉及金属间化合物合金增材制造领域，装置包括等离子焊接装置、弧高传感器(12)、丝粉复合填材装置和计算机(16)，所述弧高传感器(12)装配在等离子焊接装置上，所述等离子焊接装置、弧高传感器(12)、丝粉复合填材装置分别与计算机(16)相连接。本发明通过在双异种丝材基础上引入粉材添加装置，实现目标金属间化合物合金微量元素的灵活调控，有效提高金属间化合物的各项性能。通过增加弧高传感器反馈调整等离子弧高，有效提升了增材过程等离子弧、熔池、丝粉填材过渡的稳定性，降低了增材构件的缺陷率。

Description

一种丝粉复合等离子弧增材制造装置及使用方法

技术领域

本发明涉及金属间化合物合金增材制造领域，尤其涉及一种丝粉复合等离子弧增材制造装置及使用方法。

背景技术

金属间化合物合金得益于其低密度及在高温、强腐蚀磨损等特殊工作环境下的优异性能，在航空航天(钛铝合金)、化石能源(铁铝合金)、核能利用(铁镍合金)、生物医学(镍钛合金)等工程领域具有广泛的应用前景。然而由于金属间化合物合金自身普遍很高的室温脆性，其在制备与成形过程中极易出现冷裂纹与凝固裂纹等缺陷。所以现有金属间化合物合金制备成形方法诸如精密铸造、真空电弧冶炼、等离子烧结等均需复杂工艺过程导致金属间化合物合金构件制造成本极高且效率与成品率很低。增材制造技术相比传统金属加工技术具有成形灵活度与制造效率高的特点，其在高价值合金构件的快速高效制造中具有明显优势，所以近年来金属间化合物合金的成形制备在增材制造技术领域内进行了诸多探索。

现有面向金属间化合物合金的增材制造技术主要有粉末真空电子束选区熔化增材制造与近年来新兴的基于双丝电弧的金属间化合物增材制造技术，主要原因在与此二种技术在增材制造层间温度控制上均可达到400℃以上，可确保增材金属化合物合金没有裂纹缺陷。真空电子束选区熔化增材制造在航空钛铝金属间化合物合金构件的制造中已进入成熟阶段，相应增材制造钛铝合金构件也已进实现航空发动机产品标准化应用，但该工艺设备与粉材成本过高，且粉末增材构件后处理热等静压工艺也很昂贵，在航空航天之外工程领域难以推广。所以基于双丝电弧的金属间化合物增材制造技术在近年来被提出并得到快速发展，该技术使用钨极氩弧作为增材热源，将二元金属间化合物成分的异种焊丝送入钨极电弧热源，实现目标二元金属间化合物在单一熔池内的原位合金制备成形，相比真空电子束选区熔化增材制造大幅降低了工艺***装备与增材填材成本，并大幅提高了金属间化合物合金沉积效率，使得中大型金属间化合物合金构件的增材制造成为可能。此外，通过使用惰性保护气体拖尾保护罩与高温增材基板加热台，该基于双丝电弧的金属间化合物增材制造技术可有效控制目标合金在原位制备成形过程中的氧/氮化与裂纹缺陷。

目前国外关于双丝电弧的金属间化合物增材制造技术的研发主要是澳大利亚伍伦贡大学，其也是该项技术的首创单位，自2015年以来已经进行了针对铁铝、钛铝、铜铝、铁镍、镍钛等二元金属间化合物的双丝钨极氩弧增材制造原位制备成形。其作为双丝电弧金属间化合物增材***的首个实验平台，主要聚焦于相关科研论文的发表，***也比较简单：使用钨极氩弧焊热源作为增材熔池产生组件，陶瓷电热毯作为基板加热组件，线性机床作为行走机构，具有简单的跟随式惰性气体保护装置。

国内针对相关技术研发的单位主要有上海交通大学、天津大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学、南京航空航天大学，并已发表多篇相关科研论文及专利申请。上海交通大学自2018年发表了多篇相关论文与专利申请(申请公布号：CN111390347A)，完成了针对铁镍与镍钛属间化合物的相关研究。天津大学于申请了一项关于双丝送丝夹具的专利(申请公布号：CN109420821A)，也发表了基于双丝钨极氩弧增材制造原位制备钛铝铌三元合金的相关论文。哈尔滨工程大学基于旁路热丝双丝等离子弧增材制造申请了相关专利(申请公布号：CN109014522A、CN111168263A)。哈尔滨工业大学基于双丝TOP-TIG电弧增材申请了专利(申请公布号：CN111390338A)也发表了论文。南京理工大学基于双丝协同送丝等离子增材制造***也发表了相关期刊论文与专利申请(申请公布号：CN109926705A、CN109926695A、CN108067715A)。南京航空航天大学申请了基于双丝双电弧的功能梯度材料制造专利(申请公布号：CN111545870A)。

但是上述国内外开展研究的基于双丝电/等离子弧的金属间化合物增材制造技术在填材方面不够灵活，所增材制备成形合金的成分均受限于丝材自身成分导致微量合金元素调控不够灵活，在指定成分金属间化合物合金制备上缺陷明显。从金属间化合物性能提升方面来说，多种合金元素的添加进而实现合金的晶粒细化与强度提升是必须和必要的。此外，电/等离子弧的弧高对增材成形过程的稳定性影响很大，而现有***无法对弧高实现稳定控制，导致增材构件成形不稳定。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种丝粉复合等离子弧增材制造装置及使用方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在双丝等离子弧熔池内实现原位合金化过程的微量合金元素灵活调控以及如何有效实时稳定控制弧高。

为实现上述目的，本发明提供了一种丝粉复合等离子弧增材制造装置，包括等离子焊接装置、弧高传感器(12)、丝粉复合填材装置和计算机(16)，所述弧高传感器(12)装配在等离子焊接装置上，所述等离子焊接装置、弧高传感器(12)、丝粉复合填材装置分别与计算机(16)相连接。

进一步地，所述丝粉复合填材装置包括送丝***一(7)和送丝***二(8)与送粉***(10)，所述送丝***一(7)和送丝***二(8)、送粉***(10)分别与计算机(16)连接。

进一步地，所述等离子焊接装置等离子弧电源(1)、等离子焊枪(2)、焊接平台和六轴机器人(3)，所述等离子弧电源(1)与等离子焊枪(2)连接，所述等离子焊枪(2)装配在六轴机器人(3)上并与计算机(16)连接，所述焊接平台置于等离子焊枪(2)之下，所述弧高传感器(12)装配在等离子焊枪(2)上。

进一步地，所述焊接平台为机器人焊接平台(4)。

进一步地，所述机器人焊接平台(4)装配有增材层间温度控制***(14)。

进一步地，所述机器人焊接平台(4)装配有增材平台气氛围护装置(15)。

进一步地，所述等离子焊枪(2)配备跟随式惰性气体保护装置(11)。

进一步地，丝粉复合等离子弧增材制造装置的使用方法包括以下步骤：

步骤1、针对目标金属间化合物合金成分选取合适成分的基板(13)，针对所述目标金属间化合物合金成分选取异种成分的丝材一(5)和丝材二(6)，根据所述目标金属间化合物合金除基本二元成分外的其他合金元素含量制备粉材(9)，将基板(13)装夹在增材层间温度控制***(14)上，并将预热/层间温度设置在400-800℃；

步骤2、开启跟随式惰性气体保护装置(11)，让增材平台气氛围护装置(15)中具有一定的惰性气体保护，通过弧高传感器(12)将弧高控制在7-10mm；

步骤3、使用所述六轴机器人(3)将所述等离子焊枪(2)移动到所述基板(13)相应位置，将所述丝材一(5)和丝材二(6)的交汇点设置在所述等离子弧熔池前端，将所述粉材(9)的喷送位置设置在所述等离子弧熔池内；

步骤4、将目标增材构件的单层规划路径输入至所述计算机(16)中，并对所述六轴机器人(3)的行走路径进行示教，确定无误后将所述等离子焊枪(2)移动回初始位置；

步骤5、打开所述等离子电源(1)，所述等离子焊枪(2)与所述跟随式惰性气体保护装置(11)先送出保护气体，在所述等离子焊枪(2)钨极周围形成保护气氛之后开启等离子弧，在初始位置定位不动3-5s形成稳定等离子弧熔池，随后所述送丝***一(7)和送丝***二(8)与送粉***(10)开始向熔池按事先计算输入所述计算机(16)的速度填入所述丝材一(5)、丝材二(6)和所述粉材(9)，原位形成合金化增材制造；

步骤6、在所述等离子焊枪(2)行走过程中，所述弧高传感器(12)实时向所述计算机(16)输入弧高信息，所述计算机(16)通过计算向所述六轴机器人(3)输出动态反馈调整信息，对弧高进行稳定控制；

步骤7、所述送丝***一(7)和送丝***二(8)与送粉***(10)停止填材，关闭等离子弧，所述等离子焊枪(2)与所述跟随式惰性气体保护装置(11)保持惰性气体送气，待原位增材金属间化合物合金冷却后停止送气；

步骤8、等所述基板(13)温度降回所述增材层间温度控制***(14)的600℃后，所述六轴机器人(3)将所述等离子焊枪(2)移动至下一层增材初始位置，重复上述步骤进行下一层增材制造。

进一步地，步骤5所述丝材一(5)和丝材二(6)送入等离子弧前端时，熔点低的金属丝材在上，熔点高的金属丝材在下，形成以相互搭接的形式进入等离子弧熔池，熔点低的金属丝材部分熔化并由熔点高的金属丝材带入等离子弧熔池。

进一步地，步骤6所述等离子焊枪(2)行走过程中与基板(13)保持垂直。

本发明的技术效果如下：

1)通过在双异种丝材基础上引入粉材添加装置，实现目标金属间化合物合金微量元素的灵活调控，有效提高金属间化合物的各项性能；

2)等离子弧的集中度好能量密度更高，有效降低了同等增材量下的热输入量，在提高增材成形精度的同时降低了增材构件残余应力；

3)通过增加弧高传感器反馈调整等离子弧高，有效提升了增材过程等离子弧、熔池、丝粉填材过渡的稳定性，降低了增材构件的缺陷率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于丝粉复合等离子弧增材制造的金属间化合物合金原位制备成形***装置示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的***装置中等离子弧丝粉复合增材制造填材装置示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的***装置中丝粉复合增材制造过程的丝材与粉材和等离子弧熔池之间位置关系示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的***装置中丝粉复合等离子弧增材制造弧高控制部分示意图；

其中，1-等离子弧电源，2-等离子焊枪，3-六轴机器人，4-机器人焊接平台，5-丝材一、6-丝材二，7-送丝***一、8-送丝***二，9-粉材，10-送粉***，11-跟随式惰性气体保护装置，12-弧高传感器，13-基板，14-增材层间温度控制***，15-增材平台气氛围护装置，16-计算机。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

如图1所示为本发明的一种基于丝粉复合等离子弧增材制造的金属间化合物原位制备成形装置示意图，其中增材基板部分：针对目标金属间化合物合金成分选取合适成分的基板13，将基板13装夹在增材层间温度控制***14上，并使用增材层间温度控制***14针对目标金属间化合物合金进行合适的预热/层间温度控制，预热/层间温度为400到800摄氏度。装夹有基板13的增材层间温度控制***14固定在具有增材平台气氛围护装置15的机器人焊接平台4上。

增材等离子弧热源部分：等离子焊枪2装配在六轴机器人3上，在运行过程中等离子焊枪2与基板13保持垂直，并通过装配在等离子焊枪2上的弧高传感器12将等离子弧高稳定控制在设定的数值。

丝粉填材部分：针对目标金属间化合物合金成分选取异种成分的丝材一5和丝材二6，分别使用两个相互独立的送丝***一7和送丝***二8送入等离子弧的前端。根据目标金属间化合物合金除基本二元成分外的其他合金元素含量制备粉材9，使用送粉***10将粉材喷涂于等离子弧熔池位置并与送入的丝材金属形成有效原位合金化。在等离子弧熔池后方配备跟随式惰性气体保护装置11避免原位合金化的目标金属间化合物合金在冷却过程中被氧/氮化。

***架构与控制部分：等离子弧电源1提供增材等离子弧热源部分所需能量。六轴机器人3携带的等离子焊枪2增材路径由计算机16生成。弧高传感器12得到的弧高信息由计算机16处理反馈至六轴机器人3实时调节单层增材电弧高度至设定值。等离子焊枪2的行走速度、两个相互独立的送丝***一7和送丝***二8的送丝速度、送粉***10的送粉速率均通过事先计算输入计算机16进行控制。

本发明基于丝粉复合等离子弧增材制造的金属间化合物原位制备方法如下：

步骤1：针对目标航空钛铝4822合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb)成分，选择纯钛板作为增材基板13，将其固定在装配于机器人焊接平台4上的增材层间温度控制***14上，并将预热/层间温度设置在600℃。选取0.8mm直径钛丝与铝丝作为丝材一5和丝材二6分别装入两个相互独立的送丝***一7和送丝***二8，选取由100μm粒径的纯铬粉与纯铌粉混合而成的粉材9装入送粉***10，根据目标合金成分，在考虑等离子弧元素烧损的情况下设置送丝与送粉速率。

步骤2：进行增材制造前，检查等离子焊枪2与跟随式惰性气体保护装置11的保护气，开启保护气一段时间让增材平台气氛围护装置15中具有一定的惰性气体保护。通过弧高传感器12将弧高控制在7到10mm。

步骤3：使用六轴机器人3将等离子焊枪2移动到基板13相应位置，将丝材一5和丝材二6的交汇点设置在等离子弧熔池前端，将粉材9的喷送位置设置在等离子弧熔池内。

步骤4：将目标增材构件的单层规划路径输入至计算机16中并对六轴机器人3的行走路径进行示教，确定无误后将等离子焊枪2移动回初始位置。

步骤5：打开等离子电源1在初始位置停留3s后两个相互独立的送丝***一7和送丝***二8与送粉***10开始向熔池按设置速度填入钛与铝丝材一5和丝材二6和铬/铌混合的粉材9，在原位形成有效合金化增材制造成形。

步骤6：在等离子焊枪2行走过程中，弧高传感器12实时向计算机16输入弧高信息，计算机16通过计算向六轴机器人3输出动态反馈调整信息，对弧高进行稳定有效的控制。

步骤7：单层增材制造结束之后，两个相互独立的送丝***一7和送丝***二8与送粉***10停止填材，等离子弧电源1关闭等离子弧，等离子焊枪2与跟随式惰性气体保护装置11保持惰性气体送气60s，保证在冷却过程中的惰性气体保护。

步骤8：等待基板13温度降回增材层间温度控制***14的600℃后，六轴机器人3将等离子焊枪2移动至下一层增材初始位置，重复上述步骤进行下一层增材制造。

如图2所示，在异种丝材一5和丝材二6送入等离子弧前端时，熔点低的金属丝材在上，熔点高的金属丝材在下，形成以相互搭接的形式进入等离子弧熔池，熔点低的金属丝材部分熔化并由熔点高的金属丝材带入等离子弧熔池。粉材9原位送入等离子弧熔池内。

如图3所示为本发明丝粉复合增材制造过程中粉材9与异种丝材一5和丝材二6之间的位置关系示意图。粉材9通过满足各种熔点粉材异型的等离子喷嘴，送入并覆盖等离子弧熔池位置。增材堆积方向如图中箭头所示，两根异种丝材一5和丝材二6在送入熔池之前，熔点相对高的丝材一5在下，熔点相对低的丝材二6在上，在等离子弧前端交叉，形成以相互搭接的形式进入等离子弧熔池，熔点低的金属丝材部分熔化并由熔点高的金属丝材带入等离子弧熔池。

如图4所示为本发明等离子弧高控制过程示意图。在等离子弧增材过程中，弧高传感器12实时读取等离子弧电压值传输给计算机16，计算机16将计算出的反馈调整高度值传输给六轴机器人3，进而通过控制等离子焊枪2与增材位置熔池表面的距离，保证等离子弧增材过程中弧高的一致性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种丝粉复合等离子弧增材制造装置，针对金属间化合物合金的增材成形，包括等离子焊接装置、弧高传感器(12)、丝粉复合填材装置和计算机(16)，所述弧高传感器(12)装配在所述等离子焊接装置上，所述等离子焊接装置、所述弧高传感器(12)、所述丝粉复合填材装置分别与所述计算机(16)相连接；其特征在于，所述丝粉复合填材装置还包括送丝***一(7)、送丝***二(8)与送粉***(10)，所述送丝***一(7)和所述送丝***二(8)为两个相互独立的送丝***，分别将丝材一(5)和丝材二(6)通过旁轴方式送入等离子弧的前端，熔点低的金属丝材在上，熔点高的金属丝材在下，形成以相互搭接的形式进入等离子弧熔池，所述熔点低的金属丝材部分熔化并由所述熔点高的金属丝材带入所述等离子弧熔池，所述丝材一(5)和所述丝材二(6)为针对目标金属间化合物合金成分选取的异种成分的丝材，所述送粉***(10)将粉材(9) 喷涂于所述等离子弧熔池位置，并与送入的所述丝材金属形成有效原位合金化，所述粉材(9)为根据目标金属间化合物合金除基本二元成分外的其他合金元素含量制备，通过所述弧高传感器(12)将弧高控制在7-10mm。

2.如权利要求1所述的丝粉复合等离子弧增材制造装置，其特征在于，所述送丝***一(7)、所述送丝***二(8)、所述送粉***(10)分别与所述计算机(16)连接，所述丝粉复合填材装置使用非熔化极的形式将丝粉填材送入熔池。

3.如权利要求2所述的丝粉复合等离子弧增材制造装置，其特征在于，所述等离子焊接装置包括等离子弧电源(1)、等离子焊枪(2)、焊接平台和六轴机器人(3)，所述等离子弧电源(1)与等离子焊枪(2)连接，所述等离子弧电源(1)和所述丝粉复合填材装置独立，所述等离子焊枪(2)装配在六轴机器人(3)上并与计算机(16)连接，所述焊接平台置于等离子焊枪(2)之下，所述弧高传感器(12)装配在等离子焊枪(2)上，所述等离子焊枪(2)配备跟随式惰性气体保护装置(11)。

4.如权利要求3所述的丝粉复合等离子弧增材制造装置，其特征在于，所述焊接平台为机器人焊接平台(4)，所述机器人焊接平台(4)装配有增材层间温度控制***(14)，所述增材层间温度控制***(14) 温度控制范围为400-800℃，所述机器人焊接平台(4)装配有增材平台气氛围护装置(15)。

5.如权利要求4所述的一种丝粉复合等离子弧增材制造装置的使用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、针对目标金属间化合物合金成分选取合适成分的基板(13)，针对所述目标金属间化合物合金成分选取异种成分的所述丝材一(5)和所述丝材二(6)，根据所述目标金属间化合物合金除基本二元成分外的其他合金元素含量制备所述粉材(9)，将所述基板(13)装夹在所述增材层间温度控制***(14)上，并将预热/层间温度设置在400-800℃；

步骤2、开启所述跟随式惰性气体保护装置(11)，让所述增材平台气氛围护装置(15)中具有一定的惰性气体保护，通过所述弧高传感器(12)将弧高控制在7-10mm；

步骤3、使用所述六轴机器人(3)将所述等离子焊枪(2)移动到所述基板(13)相应位置，将所述丝材一(5)和所述丝材二(6)的交汇点设置在所述等离子弧熔池前端，将所述粉材(9)的喷送位置设置在所述等离子弧熔池内；

步骤4、将目标增材构件的单层规划路径输入至所述计算机(16)中，并对所述六轴机器人(3)的行走路径进行示教，确定无误后将所述等离子焊枪(2)移动回初始位置；

步骤5、打开所述等离子电源(1)，所述等离子焊枪(2)与所述跟随式惰性气体保护装置(11)先送出保护气体，在所述等离子焊枪(2)钨极周围形成保护气氛之后开启等离子弧，在初始位置定位不动3-5s形成稳定所述等离子弧熔池，随后所述送丝***一(7)和所述送丝***二(8)与所述送粉***(10)开始向熔池按事先计算输入所述计算机(16)的速度填入所述丝材一(5)、所述丝材二(6)和所述粉材(9)，原位形成合金化增材制造；

步骤6、在所述等离子焊枪(2)行走过程中，所述弧高传感器(12)实时向所述计算机(16)输入弧高信息，所述计算机(16)通过计算向所述六轴机器人(3)输出动态反馈调整信息，对弧高进行稳定控制；

步骤7、所述送丝***一(7)和所述送丝***二(8)与所述送粉***(10)停止填材，关闭等离子弧，所述等离子焊枪(2)与所述跟随式惰性气体保护装置(11)保持惰性气体送气，待原位增材金属间化合物合金冷却后停止送气；

步骤8、等所述基板(13)温度降回到所述增材层间温度控制***(14)设置的600℃后，所述六轴机器人(3)将所述等离子焊枪(2)移动至下一层增材初始位置，重复上述步骤进行下一层增材制造。

6.如权利要求5所述的丝粉复合等离子弧增材制造装置的使用方法，其特征在于，步骤6所述等离子焊枪(2)行走过程中与所述基板(13)保持垂直。

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