CN113352011B - 基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法，涉及电弧增材制造技术领域，以解决现有技术中梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的问题。该装置包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制***连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，等离子弧焊接电源、等离子弧焊枪的钨极与工件形成主回路；各台非熔化极焊接电源在钨极与丝材之间产生旁路电弧，三台非熔化极焊接电源、等离子弧焊枪的钨极和对应的丝材之间形成旁路回路，产生旁路电弧。

Description

基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法

技术领域

本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法。

背景技术

梯度功能材料是通过连续变化的组成和细微结构使得材料的结构性能逐渐变化，以满足不同环境需求，应用于温度、压强、腐蚀性、耐磨性等工作环境随位置变化的极端工况，改善单一材料无法同时满足多种高性能需求的问题，增强不同材料之间的界面结合强度。梯度功能材料的传统制备工艺包括粉末冶金、等离子喷涂、气相沉积等。

基于3D打印(增材制造)原理的集成制造技术被认为是制备梯度功能材料最有前景的方法之一。增材制造技术按热源类型可分为激光、电子束和电弧，基于激光热源的梯度材料制备技术，因其存在粉末浪费严重、熔敷效率低、气孔缺陷、设备成本高等问题，目前多用于小体积、高价值构件的制造；基于电子束热源的梯度材料制备技术，成形构件尺寸受限于真空腔体体积；丝材电弧增材(WAAM)制造技术以电弧为热源，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，是一种兼具材料利用率高、成本低、效率高、成形构件力学性能好等特点的梯度功能材料制备方法。

目前多基于熔化极气体保护焊或钨极氩弧焊进行梯度功能材料的丝材电弧增材制造，由于并没有改变电弧热源的成弧机理，故传统电弧热源在热质力等方面的强耦合性，使梯度功能材料制备过程中成形质量、成形精度等不可避免地受到非预期的冲击。同时，目前常见的梯度功能材料的丝材电弧增材制造方法中，多使材料成分沿垂直熔覆层方向梯度变化，即每层熔覆层的成分相同而与垂直熔覆层方向上的相邻层之间存在成分梯度，但在实际应用过程中，尤其在大型金属构件的梯度功能材料制备过程中，存在需要每层熔覆层成分梯度连续变化的问题，即每层熔覆层从起点到终点成分梯度连续变化，这就需要针对不同材料针对性的提供能量并实现有效控制。

因此，迫切需要提出一种新的高效梯度功能材料制备方法，通过对梯度功能材料增材制造过程中传热传质解耦控制，将工件与各异质丝材间能量动态分配，达到能量按需动态连续调配的目的，实现沿熔覆层成形路径方向成分梯度连续变化的梯度功能材料制造方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法，通过各旁路电流的按需动态实时调节，实现工件热输入和各丝材热输入的解耦控制，在不影响工件热输入前提下不实现各旁路回路不同材质丝材熔化量的连续动态变化，实现熔覆层沿成形路径方向成分梯度连续变化的梯度材料增材制造，以解决现有技术中梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制***连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，其中：所述等离子弧焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极与所述工件形成主回路，且所述等离子弧焊接电源能产生主弧等离子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第一送丝机构上的第一丝材形成第一旁路回路，所述第二非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和第二送丝机构上的第二丝材形成第二旁路回路，所述第三非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第三送丝机构上的第三丝材形成第三旁路回路；所述第一非熔化极焊接电源、所述第二非熔化极焊接电源和所述第三非熔化极焊接电源分别在各自回路中产生旁路电弧；

所述第一送丝机构、所述第二送丝机构和所述第三送丝机构均是相互独立的，各旁路回路中的送丝机构与对应的非熔化极焊接电源相互独立，均受到电流与送丝速度协同控制***调控，实现各自独立调节。

可选地，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质均为金属，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质各不相同或部分相同。

可选地，所述第一丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第二丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第三丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm。

可选地，所述第一丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30°～90°，所述第二丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30°～90°，所述第三丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30°～90°，所述第一丝材、所述第二丝材与所述第三丝材三者中两两之间的夹角为30°～120°。

可选地，所述等离子弧焊枪的压缩喷嘴距所述工件上表面的距离为5.0～15.0mm，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材熔化末端与所述压缩喷嘴之间的垂直距离为2.0mm～13.0mm，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材熔化末端距主弧轴线的距离为0～1.5mm。

可选地，所述第一丝材能通过所述第一送丝机构引入第一导电嘴，所述第二丝材能通过所述第二送丝机构引入第二导电嘴，所述第三丝材能通过所述第三送丝机构引入第三导电嘴，所述等离子弧焊枪与所述第一导电嘴、所述第二导电嘴、所述第三导电嘴通过转接板固定连接。

一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造方法，包括以下步骤：

步骤S1：对工件表面进行熔覆前的预处理，并将预处理后的工件固定于工作台上；

步骤S2：连接上述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，并根据梯度功能材料成分选择第一丝材、第二丝材、第三丝材；

步骤S3：根据待加工梯度功能材料的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据每层熔覆层沿成形路径方向成分梯度变化计算熔覆过程中各旁路回路异质丝材熔化量的实时动态变化，制定相应的送丝速度和电流匹配变化方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置中；

步骤S4：将等离子弧焊枪移动到熔覆层起始点，开启等离子弧焊接电源，开启维弧，待稳定后开启主弧并关闭维弧，开启第一非熔化极焊接电源、第二非熔化极焊接电源、第三非熔化极焊接电源、第一送丝机构、第二送丝机构、第三送丝机构以及电流与送丝速度协同控制装置，开始送丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；

步骤S5：当等离子弧焊枪移动至熔覆层结束点，依次关闭第一送丝机构、第二送丝机构、第三送丝机构、电流与送丝速度协同控制装置、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊接电源，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；

步骤S6：待熔覆层冷却40～90s后，开始熔覆下一层；

步骤S7：重复步骤S4～步骤S6，直至按要求完成梯度功能材料增材制造。

本发明提供的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，利用等离子弧焊接电源和多台非熔化极焊接电源配合，形成以等离子弧为主弧的多旁路电弧复合电弧，等离子弧焊接电源在钨极(接等离子弧焊接电源负极)与工件(接等离子弧焊接电源正极)之间产生主弧等离子弧，非熔化极焊接电源在钨极(接非熔化极焊接电源负极)与丝材(接非熔化极焊接电源正极)之间产生旁路电弧，本发明共有三个旁路电弧；主弧主要向工件提供热输入，各旁路电弧调节各丝材热输入，通过对主弧电流和各旁路电流的动态匹配和实时调整，实现对工件热输入和各异质丝材热输入的实时动态调整，辅助各旁路回路异质丝材的按需独立送进，可实现工件热输入基本保持恒定状态下各异质丝材熔化量的按需实时动态调整，进而实现沿路径方向熔覆层成分梯度的连续变化，充分利用等离子弧高能量密度的同时降低了工件热输入，实现了各异质丝材热输入与工件热输入的解耦控制，提高了熔覆效率；以等离子弧作为主弧，增加了多旁路***的稳定性；利用等离子弧的强指向性，辅以各旁路回路电流动态变化特性，实现熔滴过渡行为和过渡路径的控制，有利于提升增材制造精度；利用等离子弧的高能量密度提高了熔池温度，使熔池表面张力对流增强且降低冷却速度，使得熔池中的异质组分可以充分混合，进而使熔覆层的成分分布更加均匀，具有增材制造效率高、稳定性强、成本低、灵活度高等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置的工作示意图；

图2是本发明提供的等离子弧焊枪与各旁路回路的丝材间的位置关系示意图。

附图标记：1、等离子弧焊接电源；2、第一非熔化极气体保护焊电源；3、第二非熔化极气体保护焊电源；4、第三非熔化极气体保护焊电源；5、电流与送丝速度协同控制装置；6、工件；7、钨极；8、压缩喷嘴；9、第一送丝机构；10、第一导电嘴；11、第一丝材；12、第三丝材；13、第三送丝机构；14、第二送丝机构；15、第二丝材；16、等离子弧焊枪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明提供的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，包括等离子弧焊枪16、工件6以及与电流与送丝速度协同控制***连接的等离子弧焊接电源1、第一非熔化极气体保护焊电源2、第二非熔化极气体保护焊电源3、第三非熔化极气体保护焊电源4、第一送丝机构9、第二送丝机构14和第三送丝机构13，其中，等离子弧焊接电源1、等离子弧焊枪16的钨极7与工件6形成主回路，等离子弧焊接电源1在钨极7与工件6之间产生主弧等离子弧，熔化工件6形成熔池，通过调整主弧电流实现对工件6热输入的调控；第一非熔化极焊接电源、等离子弧焊枪16的钨极7和第一送丝机构9上的第一丝材11形成第一旁路回路，第二非熔化极焊接电源、等离子弧焊枪16的钨极7和第二送丝机构14上的第二丝材15形成第二旁路回路，第三非熔化极焊接电源、等离子弧焊枪16的钨极7和第三送丝机构13上的第三丝材12形成第三旁路回路；第一非熔化极焊接电源、第二非熔化极焊接电源和第三非熔化极焊接电源分别在各自回路中产生旁路电弧，在各旁路回路安装独立送丝机构，实现各旁路回路间丝材送丝速度的相互独立和送丝速度与旁路回路电流的相对独立，连接电流与送丝速度协同控制装置5达到各旁路回路丝材送丝速度的实时动态调控并与各自旁路回路电流匹配。在旁路电弧辅助下，利用等离子弧的强指向性，异质丝材熔化形成熔滴并过渡至熔池，通过对各旁路电弧电流的实时动态调控实现异质丝材熔化量和熔滴过渡的主动实时控制，同时，通过对各旁路电弧电流和主弧电流的动态调控实现对工件6热输入和各异质丝材热输入的解耦控制和动态匹配调控，可实现***总热量保持不变情况下各异质丝材和工件6间热输入的按需动态调控；其中，主弧电弧与各旁路电弧的电流均受到电流与送丝速度协同控制装置5的调控，根据制造梯度功能材料成分梯度变化需求实时动态匹配调整各路电流进而实现对工件6及各异质丝材热输入的动态匹配调控，实现各旁路回路的丝材熔化量的实时动态控制；其中，梯度功能材料的成分梯度可沿着熔覆层成形路径方向变化，即从熔覆层的起始点到结束点成分梯度连续变化，相同层的不同位置具有不同的成分梯度，不同层的相同位置具有相同的成分梯度，也可沿着熔覆层堆积方向，也可实现均质高效增材制造。

所述各旁路送丝机构均是相互独立的，各旁路回路中送丝机构和非熔化极焊接电源相互独立，均受到电流与送丝速度协同控制***调控，实现各自独立调节；根据制造梯度功能材料成分梯度变化需求实时动态匹配调整各路电流，实现对工件及各异质丝材热输入的动态匹配调控，进而实现各旁路回路丝材熔化量的实时动态控制。

等离子弧焊电源可输出直流或者脉冲电流，非熔化极焊接电源可输出直流或者脉冲电流。各旁路回路丝材的送丝速度均是相互独立的，且送丝速度与旁路电弧电流也是相互独立的，均可实现独立调节；通过电流与送丝速度协同控制装置5的控制，可实现各旁路回路丝材送丝速度的实时动态调控并与各自旁路电流匹配。

第一丝材11、第二丝材15和第三丝材12均为金属丝，材质可以为铜合金、钛合金、不锈钢或者镍基合金，但不限于这些材质。其中，第一丝材11、第二丝材15和第三丝材12的材质可以各不相同，也可以部分相同。另外，第一丝材11的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，第二丝材15的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，第三丝材12的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm。

如图2所示，第一丝材11与等离子弧焊枪16的钨极7之间的夹角α1为30°～90°，第二丝材15与等离子弧焊枪16的钨极7之间的夹角为30°～90°，第三丝材12与等离子弧焊枪16的钨极7之间的夹角为30°～90°，第一丝材11、第二丝材15与第三丝材12三者中两两之间的夹角α2为30°～120°。

等离子弧焊枪16的压缩喷嘴8距工件6上表面的距离为5.0～15.0mm，第一丝材11、第二丝材15和第三丝材12熔化末端与压缩喷嘴8之间的垂直距离为2.0mm～13.0mm，第一丝材11、第二丝材15和第三丝材12熔化末端距主弧轴线的距离为0～1.5mm。

第一丝材11能通过第一送丝机构9引入第一导电嘴10，第二丝材15能通过第二送丝机构14引入第二导电嘴，第三丝材12能通过第三送丝机构13引入第三导电嘴，等离子弧焊枪16与第一导电嘴10、第二导电嘴、第三导电嘴通过转接板固定连接，可实现同步运动。

本发明提供的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，利用等离子弧焊接电源1和多台非熔化极焊接电源配合，送丝机构的数量与非熔化极气体保护焊电源个数要相等，形成以等离子弧为主弧的多旁路电弧复合电弧，等离子弧焊接电源1在钨极7(接等离子弧焊接电源1负极)与工件6(接等离子弧焊接电源1正极)之间产生主弧等离子弧，非熔化极焊接电源在钨极7(接非熔化极焊接电源负极)与丝材(接非熔化极焊接电源正极)之间产生旁路电弧，本发明共有三个旁路电弧，需要说明的是，旁路电弧个数不限于3个，可以为2、3、4、5或更多，根据实际需求≥2。主弧主要向工件6提供热输入，各旁路电弧调节各丝材热输入，通过对主弧电流和各旁路电流的动态匹配和实时调整，实现对工件6热输入和各异质丝材热输入的实时动态调整，辅助各旁路回路异质丝材的按需独立送进，可实现工件6热输入基本保持恒定状态下各异质丝材熔化量的按需实时动态调整，进而实现沿路径方向熔覆层成分梯度的连续变化，充分利用等离子弧高能量密度的同时降低了工件6热输入，实现了各异质丝材热输入与工件6热输入的解耦控制，提高了熔覆效率；以等离子弧作为主弧，增加了多旁路***的稳定性；利用等离子弧的强指向性，辅以各旁路回路电流动态变化特性，实现熔滴过渡行为和过渡路径的控制，有利于提升增材制造精度；利用等离子弧的高能量密度提高了熔池温度，使熔池表面张力对流增强且降低冷却速度，使得熔池中的异质组分可以充分混合，进而使熔覆层的成分分布更加均匀，具有增材制造效率高、稳定性强、成本低、灵活度高等特点。本发明中三个旁路中的熔滴过渡形式为搭桥过渡、大滴过渡、射滴过渡或者射流过渡中的一种或者几种。

此外，本发明还提供了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造方法，包括以下步骤：

步骤S1：对工件6表面进行熔覆前的预处理，打磨、清洗后，将预处理后的工件6固定于工作台上；

步骤S2：进行气路、水路、电路及上述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置的连接，并根据梯度功能材料成分选择第一丝材11、第二丝材15、第三丝材12；

步骤S3：根据待加工梯度功能材料的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据每层熔覆层沿成形路径方向成分梯度变化计算熔覆过程中各旁路回路异质丝材熔化量的实时动态变化，制定相应的送丝速度和电流匹配变化方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置5中；

步骤S4：将等离子弧焊枪16移动到熔覆层起始点，开启等离子弧焊接电源1，开启维弧，待稳定后开启主弧并关闭维弧，开启第一非熔化极焊接电源、第二非熔化极焊接电源、第三非熔化极焊接电源、第一送丝机构9、第二送丝机构14、第三送丝机构13以及电流与送丝速度协同控制装置5，开始送丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；

步骤S5：当等离子弧焊枪16移动至熔覆层结束点，依次关闭第一送丝机构9、第二送丝机构14、第三送丝机构13、电流与送丝速度协同控制装置5、第一非熔化极气体保护焊电源2、第二非熔化极气体保护焊电源3、第三非熔化极气体保护焊电源4、等离子弧焊接电源1，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；

步骤S6：待熔覆层冷却40～90s后，开始熔覆下一层；

步骤S7：重复步骤S4～步骤S6，直至按要求完成梯度功能材料增材制造。

本发明提供的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造方法的工作原理为通过对旁路电弧电流/送丝独立控制，分别调节流入各丝材和工件6的电流值，以不同丝材送进速度控制丝材端部在等离子弧内的空间位置，结合不同丝材上的电流(从主弧分出的电流)大小，辅以等离子弧的强指向性，实现异质丝材的熔滴状态控制，并控制主弧内的剩余电流调整工件6热输入，实现异质金丝材熔化状态与工件6状态的解耦控制，极大增强了梯度材料和异质合金原位制造的可控性，使以往难以制造的创新结构和材料结构功能一体化制造成为可能。

与现有技术相比，本发明方法可以更大程度的提高异质金属丝材熔化状态与工件6熔化状态解耦控制的自主性，增强对熔滴过渡状态的可控性，提高制造精度。采用多丝旁路方式，通过对旁路电弧电流和主弧电流的动态匹配调控，实现各旁路回路异质丝材与工件6间热量的合理动态分配和实时调控，辅以各异质丝材送丝速度的独立调节，实现各异质丝材差异性熔化量和工件6状态的实时动态调节，进而实现沿路径方向熔覆层成分梯度的连续变化，充分利用等离子弧高能量密度的同时降低了工件6热输入，实现了各异质丝材热输入与工件6热输入的解耦控制，提高了熔覆效率；以等离子弧作为主弧，增加了多旁路***的稳定性；利用等离子弧的强指向性，辅以各旁路回路电流动态变化特性，实现熔滴过渡行为和过渡路径的控制，有利于提升增材制造精度；利用等离子弧的高能量密度提高了熔池温度，使熔池表面张力对流增强且降低冷却速度，使得熔池中的异质组分可以充分混合，进而使熔覆层的成分分布更加均匀，本发明方法具有电弧丝材增材制造的效率高、稳定性强、成本低、灵活度高等特点。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制***连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，其中：

所述等离子弧焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极与所述工件形成主回路，且所述等离子弧焊接电源能产生主弧等离子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化极气体保护 焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第一送丝机构上的第一丝材形成第一旁路回路，所述第二非熔化极气体保护 焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和第二送丝机构上的第二丝材形成第二旁路回路，所述第三非熔化极气体保护 焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第三送丝机构上的第三丝材形成第三旁路回路；所述第一非熔化极气体保护焊接电源、所述第二非熔化极气体保护 焊接电源和所述第三非熔化极气体保护 焊接电源分别在各自回路中产生旁路电弧；

所述第一丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30°～90°，所述第二丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30°～90°，所述第三丝材与所述等离子弧焊枪的钨极之间的夹角为30°～90°，所述第一丝材、所述第二丝材与所述第三丝材三者中两两之间的夹角为30°～120°；

所述第一送丝机构、所述第二送丝机构和所述第三送丝机构均是相互独立的，各旁路回路中的送丝机构与对应的非熔化极焊接电源相互独立，均受到电流与送丝速度协同控制***调控，实现各自独立调节。

2.根据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质均为金属，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材的材质各不相同或部分相同。

3.据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述第一丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第二丝材的直径为0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第三丝材的直径为0.8mm、1.0mm 或者1.2mm。

4.据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述等离子弧焊枪的压缩喷嘴距所述工件上表面的距离为5.0～15.0mm，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材熔化末端与所述压缩喷嘴之间的垂直距离为2.0mm～13.0mm，所述第一丝材、所述第二丝材和所述第三丝材熔化末端距主弧轴线的距离为0～1.5mm。

5.据权利要求1所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，其特征在于，所述第一丝材能通过所述第一送丝机构引入第一导电嘴，所述第二丝材能通过所述第二送丝机构引入第二导电嘴，所述第三丝材能通过所述第三送丝机构引入第三导电嘴，所述等离子弧焊枪与所述第一导电嘴、所述第二导电嘴、所述第三导电嘴通过转接板固定连接。

6.一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对工件表面进行熔覆前的预处理，并将预处理后的工件固定于工作台上；

步骤S2：连接权利要求1～5任一项所述的基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，并根据梯度功能材料成分选择第一丝材、第二丝材、第三丝材；

步骤S3：根据待加工梯度功能材料的三维模型进行分层切片，并基于机器人进行成形路径规划；根据每层熔覆层沿成形路径方向成分梯度变化计算熔覆过程中各旁路回路异质丝材熔化量的实时动态变化，制定相应的送丝速度和电流匹配变化方案，设置于电流与送丝速度协同控制装置中；

步骤S4：将等离子弧焊枪移动到熔覆层起始点，开启等离子弧焊接电源，开启维弧，待稳定后开启主弧并关闭维弧，开启第一非熔化极焊接电源、第二非熔化极焊接电源、第三非熔化极焊接电源、第一送丝机构、第二送丝机构、第三送丝机构以及电流与送丝速度协同控制装置，开始送丝并实时调整送丝速度及电流，按照规划的成形路径进行行走；

步骤S5：当等离子弧焊枪移动至熔覆层结束点，依次关闭第一送丝机构、第二送丝机构、第三送丝机构、电流与送丝速度协同控制装置、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、等离子弧焊接电源，再通15～30s保护气防止熔覆层氧化；

步骤S6：待熔覆层冷却40～90s后，开始熔覆下一层；

步骤S7：重复步骤S4～步骤S6，直至按要求完成梯度功能材料增材制造。

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