CN114951930A - 一种等离子电弧增材制造装置及方法 - Google Patents

一种等离子电弧增材制造装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子电弧增材制造装置及方法，装置包括丝粉结合等离子复合电弧枪体；所述丝粉结合等离子复合电弧枪体由内到外依次包括内腔体、水冷腔体、保护气腔体，所述内腔体中设有钨极，所述水冷腔体和保护气腔体通过夹层隔开，所述夹层内设有送丝通道和送粉通道。本申请以丝材为主，粉材为辅，利用粉材来进行工艺和组织性能调控，有效提高等离子电弧增材制造的成形质量和成形性能，设计的等离子电弧增材制造装置将送丝通道与送粉通道相结合组成一个复合结构的电弧枪，结构紧凑、便于操作。

Description

一种等离子电弧增材制造装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种等离子电弧增材制造装置及方法。
背景技术
钛合金具有密度低、强度高的优点，同时，钛合金具有良好的耐腐蚀性以及高温力学性能，被广泛地制造航空航天、石油化工、汽车制造、冶金行业中的关键结构件。然而，钛合金容易氧化，使用传统的加工方式制造钛合金构件时，制造的工艺往往比较复杂，且生产效率低、成本高、成品率低。近年来，随着等离子电弧增材制造技术的发展，利用等离子电弧增材制造技术来制造钛合金构件成为一种可能，越来越多的学者或研究机构都开始着力于等离子电弧增材制造钛合金构件相关领域的研究。
由于等离子电弧增材制造成形构件完全由堆积金属构成，堆积金属的组织与性能直接取决于堆积所使用材料的化学成分。当前主要用于钛合金等离子电弧增材制造的材料主要为单一的丝材或者单一的粉材。所使用的钛合金丝材一般为拉拔焊丝，其虽然成本低，但是加工工序复杂、丝材化学成分调整复杂；而在利用粉材进行等离子增材制造时，由于等离子电弧增材制造对粉材的粒度、流动性和化学成分都有严格的要求，粉材的制造成本昂贵，且利用粉材堆积得到的钛合金构件的致密性较低，因此，现阶段并无有效的方式实现钛合金高性能的等离子电弧增材制造。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种等离子电弧增材制造装置及方法。本申请以丝材为主，粉材为辅，利用粉材来进行工艺和组织性能调控，有效提高等离子电弧增材制造的成形质量和成形性能，设计的等离子电弧增材制造装置将送丝通道与送粉通道相结合组成一个复合结构的电弧枪，结构紧凑、便于操作。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供了一种等离子电弧增材制造装置，包括丝粉结合等离子复合电弧枪体；
所述丝粉结合等离子复合电弧枪体由内到外依次包括内腔体、水冷腔体、保护气腔体，所述内腔体中设有钨极，所述水冷腔体和保护气腔体通过夹层隔开，所述夹层内设有送丝通道和送粉通道。
进一步地，所述内腔体为中空圆柱腔体，所述钨极位于内腔体的中心轴线上，所述钨极的一端与等离子电弧电源相接。
进一步地，所述送丝通道的数量为一个，所述送粉通道的数量为三个，四个通道呈90°分布。
进一步地，所述送丝通道送丝方向与丝粉结合等离子复合电弧枪体中心轴线的夹角为45°～60°；所述送粉通道送粉方向与丝粉结合等离子复合电弧枪体中心轴线方向的夹角为45°～60°。
进一步地，所述送丝通道所适用的丝材的直径为0.8～1.6mm；所用送粉通道所适用的粉材的粒度为60～80目。
进一步地，所述内腔体通过通入工作气体，用于形成钨极与工件之间的等离子弧。
进一步地，所述水冷腔体通过加入循环冷却水形成热压缩作用，压缩电弧。
进一步地，所述保护气腔体通过通入保护气体，对整个等离子电弧增材制造过程进行保护。
另一方面，本发明提供了一种基于上述任一所述的等离子电弧增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：
1)根据堆积成形构件的化学成分和力学性能要求，确定堆积金属的化学成分，之后，根据合金化公式确定所需丝材、粉材的种类以及含量，其中丝材的直径为0.8～1.6mm，所用粉材的粒度为60～80目；
2)根据合金元素的种类、含量、过渡系数等参数，计算得到用于堆积成形的丝材、粉材的进给速度；
3)依次确定等离子电弧的堆积电流为150～200A，保护气流量为10～15L/min，等离子气流量为1～3L/min；
4)按照确定的工艺参数以及设定好的路径进行堆积成形，等离子电弧增材制造过程中，等离子电弧在熔化丝材的同时也会熔化粉材，熔化后的丝材与粉材共同做成堆积金属熔池，得到完整的金属构件。
本发明的有益效果是：1)本发明以丝材为主，粉材为辅，通过外加粉材调控电弧稳定性以及成形构件的组织，能够实现对等离子电弧增材制造成形构件力学性能的精确调控，具体的，本发明在利用等离子电弧熔化丝材的过程中，利用丝粉结合等离子复合电弧枪体部分的送粉通道，向等离子电弧弧柱区域添加不同种类的金属合金粉或强化相，利用引入的合金粉或强化相调控丝材堆积过程中的工艺稳定性，并利用合金化改善等离子电弧增材制造构件的组织，提高等离子电弧增材制造构件的力学性能。
2)本发明中所使用的丝材为普通市售丝材，所使用的粉材为混合均匀的合金粉或强化相，材料成本低，且污染性小；
3)本发明等离子电弧增材制造装置整体结构设计紧凑、便于操控；
4)钛合金的成形难度较大，本发明充分结合了丝材和粉材的优势，较好地解决了等离子电弧增材制造钛合金构件时材料合金化的问题，可实现对等离子电弧增材制造成形构件组织与性能的精确调控，尤其适用于一些对力学性能要求较高的金属构件的成形。
附图说明
图1为本发明等离子电弧增材制造装置的结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明进行钛合金堆积成形的原理图；
其中：1.丝粉结合等离子复合电弧枪体，2.内腔体，3.水冷腔体，4.保护气腔体，5.钨极，6.夹层，7.送丝通道，8.送粉通道，9.冷却水进出口，10.丝材，11.粉材，12.丝材熔滴，13.粉材熔滴14.金属熔池。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种等离子电弧增材制造装置，将丝材进给通道、粉材进给通道以及等离子电弧较好的融合成一个紧凑的整体结构，如图1-3所示，其包括丝粉结合等离子复合电弧枪体1；所述丝粉结合等离子复合电弧枪体1由内到外依次包括内腔体2、水冷腔体3、保护气腔体4，所述内腔体2中设有钨极5，所述水冷腔体3和保护气腔体4通过夹层6隔开，所述夹层6内设有送丝通道7和送粉通道8；所述钨极5的一端与等离子电弧电源相接；所示送丝通道7与送丝机构相连。
所述送丝通道7内部用于放置丝材，所述送粉通道8内部用于放置混合均匀后的合金粉或强化相，合金粉或强化相通过送粉通道8加入到堆积金属中。
所述内腔体2通过通入工作气体(比如空气或者氩气)，用于形成钨极5与工件之间的等离子弧。
所述水冷腔体3通过冷却水进出口9加入循环冷却水形成热压缩作用，压缩电弧。
所述保护气腔体4通过通入保护气体(比如氩气)，对整个等离子电弧增材制造过程进行保护。
作为本发明的一个优选实施例，所述内腔体2为中空圆柱腔体，所述钨极5位于内腔体2的中心轴线上。作为本发明的一个优选实施例，所述送丝通道7的数量为一个，所述送粉通道8的数量为三个，四个通道呈90°分布。这样分布是为了更好的合金化。
作为本发明的一个优选实施例，所述送丝通道7送丝方向与丝粉结合等离子复合电弧枪体1中心轴线的夹角为45°～60°；所述送粉通道8送粉方向与丝粉结合等离子复合电弧枪体1中心轴线方向的夹角为45°～60°。此范围以外存在一定的工艺不稳定性。
作为本发明的一个优选实施例，所述送丝通道7所适用的丝材的直径为0.8～1.6mm；所用送粉通道8所适用的粉材的粒度为60～80目。
本申请等离子电弧增材制造装置具有结构紧凑、便于操作，合金粉或强化相加入方式简单，普适应性强等特点。
本发明进行堆积成形的原理图如图4所示，在等离子电弧增材制造时，丝材、粉材分别进给，并在等离子电弧作用下同时熔化形成金属熔池。
一种基于上述任一所述的等离子电弧增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：
1)根据堆积成形构件的化学成分和力学性能要求，确定堆积金属的化学成分，之后，根据合金化公式(如C合金＝C丝*β合金1*w过渡丝+C粉*β合金2*w过渡粉，式中，C丝、C粉分别为丝、粉的含量，β合金1、β合金2分别为合金元素在丝、粉中的含量，w过渡丝、w过渡粉分别为丝、粉中合金元素的过渡系数)确定所需丝材、粉材的种类以及含量，其中丝材的直径为0.8～1.6mm，所用粉材的粒度为60～80目；
2)根据合金元素的种类、含量、过渡系数，计算得到用于堆积成形的丝材、粉材的进给速度；
3)依次确定等离子电弧的堆积电流为150～200A，保护气流量为10～15L/min，等离子气流量为1～3L/min；
4)按照确定的工艺参数以及设定好的路径进行堆积成形，等离子电弧增材制造过程中，等离子电弧在熔化丝材的同时也会熔化粉材，熔化后的丝材与粉材共同做成堆积金属熔池，得到完整的金属构件。即在利用等离子电弧熔化金属丝材时，通过丝粉结合等离子复合电弧枪体部分的送粉通道，向堆积金属均匀加入特定成分、特定含量的合金粉或强化相，对等离子堆积金属进行合金化，精确调控等离子电弧增材制造堆积成形构件的组织和性能，可以显著提高等离子电弧增材制造构件的力学性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而以，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种等离子电弧增材制造装置，其特征在于，包括丝粉结合等离子复合电弧枪体(1)；
所述丝粉结合等离子复合电弧枪体(1)由内到外依次包括内腔体(2)、水冷腔体(3)、保护气腔体(4)，所述内腔体(2)中设有钨极(5)，所述水冷腔体(3)和保护气腔体(4)通过夹层(6)隔开，所述夹层(6)内设有送丝通道(7)和送粉通道(8)。
2.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述内腔体(2)为中空圆柱腔体，所述钨极(5)位于内腔体(2)的中心轴线上，所述钨极(5)的一端与等离子电弧电源相接。
3.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述送丝通道(7)的数量为一个，所述送粉通道(8)的数量为三个，四个通道呈90°分布。
4.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述送丝通道(7)送丝方向与丝粉结合等离子复合电弧枪体(1)中心轴线的夹角为45°～60°；所述送粉通道(8)送粉方向与丝粉结合等离子复合电弧枪体(1)中心轴线方向的夹角为45°～60°。
5.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述送丝通道(7)所适用的丝材的直径为0.8～1.6mm；所用送粉通道(8)所适用的粉材的粒度为60～80目。
6.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述内腔体(2)通过通入工作气体，用于形成钨极(5)与工件之间的等离子弧。
7.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述水冷腔体(3)通过加入循环冷却水形成热压缩作用，压缩电弧。
8.根据权利要求1所述的等离子电弧增材制造装置，其特征在于，所述保护气腔体(4)通过通入保护气体，对整个等离子电弧增材制造过程进行保护。
9.一种基于权利要求1-7任一项所述的等离子电弧增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据堆积成形构件的化学成分和力学性能要求，确定堆积金属的化学成分，之后，根据合金化公式确定所需丝材、粉材的种类以及含量，其中丝材的直径为0.8～1.6mm，所用粉材的粒度为60～80目；
2)根据合金元素的种类、含量、过渡系数，计算得到用于堆积成形的丝材、粉材的进给速度；
3)依次确定等离子电弧的堆积电流为150～200A，保护气流量为10～15L/min，等离子气流量为1～3L/min；
4)按照确定的工艺参数以及设定好的路径进行堆积成形，等离子电弧增材制造过程中，等离子电弧在熔化丝材的同时也会熔化粉材，熔化后的丝材与粉材共同做成堆积金属熔池，得到完整的金属构件。
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