CN115091000A - 一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法。该设备包括：热丝机、导电嘴、送丝机、基板和工作台；送丝机用于将丝材送入至导电嘴，以在基板上制造无支撑杆件基板置于工作台上；丝材穿过导电嘴与无支撑杆件接触；热丝机与导电嘴电连接；通过采用热丝机提供的热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路的方式，产生电阻热，将丝材熔入熔池，能够提高无支撑杆单元成形效率，以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。

Description

一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法

技术领域

本发明涉及增材制造术领域，特别是涉及一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法。

背景技术

点阵结构具有轻质、高比刚度、高比强度等优点，还具有减震、吸能等功能。是许多结构用于轻量化、提高强度和刚度的最佳选择。由于金属点阵空间结构复杂，传统的加工方法，从工艺和成本上都难以满足其制备需求，增材制造技术的出现极大的解决了复杂空间点阵结构的制备难题。

增材制造技术是一种自下而上的逐层堆积技术，理论上能够制备各种结构。虽然目前铺粉式的增材制造(如激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术)在制备点阵结构方面已经具有很成熟的工艺及应用但该类方法不仅存在成本高、成形尺寸小等缺点而且成形效率非常低。

电弧送丝增材制造技术(wire arc additive manufacturing，WAAM)，其包括熔化极气体保护焊增材制造(GMAW)、等离子增材制造(PAW)以及钨极气体保护焊(GTAW)，在制备大尺寸结构件上具备高效低成本等优点，其为大尺寸点阵结构件的高效制备提供了一种新的可能，但目前关于电弧增材制造制备点阵结构尚处于初始阶段，其相关研究也较少。

日本埼玉大学TakeyukiAbea(2019)等人使用GMAW技术制备了倾角90°-30°的低碳钢无支撑杆以及BCC点阵结构，沉积效率为1.5mm/min。以及华中科技大学的LiYongjie等人(2020)也使用GMAW技术制备倾角为90°-15°的铝合金无支撑杆以及点阵机构。苏黎世联邦理工学院VA Silvestru等人使用GMAW技术制备金属杆的效率约为1mm/min。使用GMAW技术制备无支撑点阵结构的方法式为：起弧熔化丝材→息弧等待熔池冷却→起弧熔化丝材。该方法频繁起弧息弧，中间还需等待熔池冷却，极大的降低了沉积效率。相比于GMAW增材制造技术，GTAW具有更稳定，以及飞溅少等优点，可以提高零件表面质量。另外由于热源与送丝独立，可以单独增加热丝装置，来辅助热丝，进而减少电弧热输入。北京理工大学增材制造课题组徐田秋等人(2021)已经成功利用热丝辅助GTAW增材制造技术制备出90°至0°的钛合金无支撑杆以及点阵夹芯板，制备效率为15mm/min,为GMAW技术的10倍。

GTAW技术利用脉冲成形技术，利用基值电流期间使熔池快速冷却，避免了息弧冷却造成的时间浪费，效率提升至15mm/min。GTAW技术以电弧产生的热量作为主要热输入，如果继续提升效率，需要提高电弧的热输入，而较大的电弧热输入会造成熔池坍塌，无法成形。因此限制效率的进一步提升。同时在成形效率低的时候，杆单元熔池凝固速率低，易于晶粒生长，会导致晶粒粗大，杆单元力学性能较差。

综上，目前现有的无支撑杆电弧增材制备技术中，GMAW的制备效率在1-1.5mm/min,使用GTAW技术的制备效率为15mm/min。在制备大尺寸点阵结构中，提高杆件成形效率，能够极大的提升点阵结构的制备效率。

基于此，本领域亟需提供一种新型增材制造技术，能够提高无支撑杆单元成形效率，同时还可以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。

发明内容

本发明的目的是提供一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法，以热丝产生的电阻热作为增材制造过程中的主要热输入，电弧热作为辅助热输入，用来提高无支撑杆单元成形效率，同时可以增加凝固速度，控制晶粒形貌。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，包括：热丝机、导电嘴、送丝机、基板和工作台；

所述送丝机用于将丝材送入至所述导电嘴，以在所述基板上制造无支撑杆件；所述基板置于所述工作台上；所述丝材穿过所述导电嘴与所述无支撑杆件或基板接触；所述热丝机与所述导电嘴电连接；

优选地，所述丝材直径值为0.8-3.2mm。

优选地，送丝机的送丝速度为300-3000mm/min。

所述热丝机用于提供热丝电流；所述热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路。

优选地，还包括：焊枪、焊机和数控***；

所述数控***分别与所述焊枪、所述焊机和所述送丝机电连接；所述焊枪与所述焊机电连接；所述焊机用于为所述焊枪提供电弧电流。

优选地，所述热丝电流为直流。

优选地，所述热丝电流的电流值为100-200A。

优选地，所述电弧电流为恒流或脉冲电流。

优选地，所述电弧平均电流的电流值为5-30A。

优选地，还包括：气罐；

所述气罐的输出气口与所述焊机的进气口管道连接；所述气罐用于存储保护气体。

优选地，所述保护气体为氩气。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，通过采用热丝机提供的热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路的方式，产生电阻热，将丝材熔入熔池，能够提高无支撑杆单元成形效率，同时可以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。

此外，本发明还提供了一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法，该方法包括：

根据杆件轴线进行G代码编程，生成焊枪移动轨迹；

开启上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备；

安装基板或工件，并将焊枪移动至初始点；

设置制造参数；所述制造参数包括：焊机峰值电流、基值电流、占空比、电流频率、送丝速度和热丝电流；

启动焊机，使用所述热丝电流对基板或工件进行预热，以形成熔池；

预热后启动热丝和送丝机；

丝材送至熔池，热丝电流形成回路，丝材开始加热，并熔化进熔池；

电弧持续，提供热量维持熔池稳定；

焊枪按编程轨迹进行移动；

焊枪移动至终点，杆件制备完毕；

关闭所述电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备。

优选地，所述熔池的尺寸与所述工件的尺寸相同。

因本发明提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法实现的技术效果与上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备实现的技术效果相同，故在此不再进行赘述。

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为本发明提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备的结构示意图；

图2为本发明提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法流程图；

图3为本发明实施例提供的不同效率的熔池形貌效果图；其中，图3(a)部分为12mm/min的熔池形貌效果图；图3(b)部分为24mm/min的熔池形貌效果图；图3(c)部分为36mm/min的熔池形貌效果图；图3(d)部分为48mm/min的熔池形貌效果图；

图4为本发明实施例提供的不同效率的316L不锈钢杆单元成形的微观组织形貌图；其中，图4(a)为12mm/min的316L不锈钢杆单元成形的微观组织形貌图；图4(b)为24mm/min的316L不锈钢杆单元成形的微观组织形貌图；图4(c)为36mm/min的316L不锈钢杆单元成形的微观组织形貌图；图4(d)为48mm/min的316L不锈钢杆单元成形的微观组织形貌图；

图5为本发明实施例提供的不同效率制备的无支撑杆件的样品照片图；其中，沿页面从左到右的制备效率依次为12mm/min、24mm/min、36mm/min和48mm/min；

图6为本发明实施例提供的为杆径8mm时在不同送丝速度下的通电率示意图。

符号说明：

1-热丝机，2-导电嘴，3-送丝机，4-数控***，5-焊机，6-焊枪，7-气罐，8-无支撑杆件，9-基板，10-工作台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法，能够提高无支撑杆单元成形效率，以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，包括：热丝机1、导电嘴2、送丝机3、基板9和工作台10。

送丝机3用于将丝材送入至导电嘴2，以在基板9上制备无支撑杆件8。基板9置于工作台10上。丝材穿过导电嘴2与基板9或无支撑杆件8接触。热丝机1与导电嘴2电连接。送丝机的送丝速度优选为300-3000mm/min

热丝机1用于提供热丝电流。热丝电流经导电嘴2、丝材、无支撑杆件8、基板9和工作台10形成回路，由于丝材直径很小(0.8～3.2mm)，所以电阻很大，能够产生大量的电阻热，将丝材加热熔化。其中，热丝电流为可以是直流，其电流值可以为100-200A，但不限于此。在本发明中，基板9也可是需要制造无支撑杆件8的其他零部件。工作台10还可以用于固定工件和形成接地端。

进一步，为了保持在无支撑杆件8上形成熔池的温度的恒定，本发明上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备中还设置有：焊枪6、焊机5和数控***4。

数控***4分别与焊枪6、焊机5和送丝机3电连接，以便采用数控***4控制送丝速度。焊枪6与焊机5电连接，焊枪6还可以连接多轴机械臂或机床，由数控***4进行控制移动。焊机5通过焊枪6，在丝材与无支撑杆件8间产生电弧，将丝材熔化连接至无支撑杆件8上。在本发明中，采用的电弧电流为恒流或脉冲电流，其电流值可以为5-30A。

进一步，为了提高设备制造丝材过程中的抗氧化性，本发明提供的设备中也设置有气罐7。气罐7的输出气口与焊机5的进气口管道连接，以便通过焊机5传至焊枪6处将熔融金属从大气中保护起来。气罐7用于存储保护气体，保护气体一般采用氩气。

基于本发明提供的上述设备结构，可以通过增加送丝速度，来提高增材的通电时间，从而达到提高热输入的目的。利用丝材产生的电阻热将丝材熔化至熔池，电弧热辅助热丝产生电阻热维持熔池的稳定，从而实现无支撑杆件8的制备。并且，在增材制备过程中，丝材在与杆件接触时形成回路，产生电阻热，将丝材熔入熔池，电弧仅提供少量的热源辅助电阻热维持熔池稳定。

热输入是制备无支撑杆的关键，热输入主要有2部分组成，即电弧热输入和热丝热输入，单位时间热输入可由以下公式计算：

H_i＝H_a+H_w

H_a＝I_a×V_a×η

其中H_i为熔池单位时间热输入，H_a为电弧提供的热输入和H_w为热丝热输入，I_a为电弧平均电流，V_a为电弧平均电压，η为焊机效率，I_w为丝材电流，R_w为丝材电阻(导电嘴到熔池间丝材电阻)，ω为热丝通电率，ζ为热丝效率。

如图2所示，本发明提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法，其具体流程如下：

根据杆件轴线进行G代码编程，生成焊枪移动轨迹；

开启上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备。包括热丝机、机床、数控***、焊机、送丝机等；

安装基板或工件，并将焊枪移动至初始点；

设置制造参数。制造参数包括焊机峰值电流、基值电流、占空比、电流频率、送丝速度和热丝电流；

启动焊机，使用大电流对基板或工件进行预热，使其形成杆径大小熔池；

预热后启动热丝和送丝机；

丝材送至熔池，热丝电流形成回路，丝材开始加热，并熔化进熔池；

电弧持续，提供部分热量维持熔池稳定；

焊枪按编程轨迹进行移动；

焊枪移动至终点，杆件制备完毕；

关闭送丝、热丝、以及息弧；

关闭各设备。

下面以316L不锈钢为例，对采用上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备进行增材制备的过程进行说明。

316L不锈钢的制造参数如1所示。316L不锈钢制备模式以电弧为主，热丝为辅，逐渐过渡多以热丝为主，电弧为辅。

其中，在制备效率为12mm/min的情况下，如电弧热输入较大，丝材的熔化主，要依靠电弧热输入，热丝辅助加热丝材，如3(a)部分所示。热丝直接与熔池接触的时间较小，通电率仅有0.28，这是目前使用的热丝辅助电弧增材制造技术。

如要提高制备杆件效率，需要提高扫描速度，同时相应增大送丝速度。随着送丝速度的增加，电弧的热输入无法满足熔化丝材的需要，如果增大电弧热输入，会造成熔池过大，使得熔池坍塌。因此，需要提高热丝热输入，使得热丝将丝材熔化。在提高送丝速度的同时，适当减小电弧电流，就可以避免电弧将热丝熔断，这样就可以延长热丝电流形成回路时间，增加热丝的热输入。从3(b)到图3(d)部分中可以看出，随着效率增加，熔滴的过渡形式从滴状自由过渡，转到液桥过渡最后变成接触过渡。热丝电流的导通率分别为0.28、0.52、0.74和0.97。如图6所示，热丝通电率增大，单位时间产生的电阻热也得到提高。使得制备效率由12mm/min提高至48mm/min提高4倍。

不同制备效率下的316L不锈钢无支撑杆电弧增材制造参数如表1所示，制备的316L不锈钢杆件的微观组织如4(a)-(d)部分所示，可见在成形速率较小时，微观组织为柱状晶，晶粒随着成形效率增大而减小，当成形速率较大时，晶粒转变为等轴晶。最终在不同效率制备的无支撑杆件的照片样本如图5的(a)-(d)部分所示。

表1不同制备效率下的316L不锈钢无支撑杆电弧增材制造参数表

基于上述描述，本发明使用热丝作为主要热输入，电弧作为辅助热输入，高效制备无支撑杆件，其效率可达到48mm/min，是GMAW技术32倍，GTAW技术的3.2倍。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，包括：热丝机、导电嘴、送丝机、基板和工作台；

所述送丝机用于将丝材送入至所述导电嘴，以在所述基板上制造无支撑杆件所述基板置于所述工作台上；所述丝材穿过所述导电嘴与所述无支撑杆件接触；所述热丝机与所述导电嘴电连接；

所述热丝机用于提供热丝电流；所述热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路。

2.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述丝材直径值为0.8-3.2A。

3.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述送丝机的送丝速度为300-3000mm/min。

4.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，还包括：焊枪、焊机和数控***；

所述数控***分别与所述焊枪、所述焊机和所述送丝机电连接；所述焊枪与所述焊机电连接；所述焊机用于为所述焊枪提供电弧电流。

5.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述热丝电流为直流。

6.根据权利要求5所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述热丝电流的电流值为100-200A。

7.根据权利要求4所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述电弧电流为恒流或脉冲电流。

8.根据权利要求7所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述电弧电流的电流值为5-30A。

9.根据权利要求4所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，还包括：气罐；

所述气罐的输出气口与所述焊机的进气口管道连接；所述气罐用于存储保护气体。

10.根据权利要求9所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述保护气体为氩气。

11.一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法，其特征在于，包括：

根据杆件轴线进行G代码编程，生成焊枪移动轨迹；

开启如权利要求1-10任意一项所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备；

安装基板或工件，并将焊枪移动至初始点；

设置制造参数所述制造参数包括：焊机峰值电流、基值电流、占空比、电流频率、送丝速度和热丝电流；

启动焊机，使用所述热丝电流对基板或工件进行预热，以形成熔池；

预热后启动热丝和送丝机；

丝材送至熔池，热丝电流形成回路，丝材开始加热，并熔化进熔池；

电弧持续，提供热量维持熔池稳定；

焊枪按编程轨迹进行移动；

焊枪移动至终点，杆件制备完毕；

关闭所述电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备。

12.根据权利要求11所示的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法，其特征在于，所述熔池的尺寸与所述工件的尺寸相同。

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