EA040501B1 - CONTACT TIP ASSEMBLY FOR WELDING METALS WITH METAL ELECTRODE IN INERT GAS - Google Patents

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к контактному наконечнику, предназначенному для электрического соединения и направления электродной проволоки при сварке металлическим электродом в инертном газе (т.н. MIG-сварка, от англ. metal inert gas welding).The present invention relates to a contact tip for electrically connecting and guiding an electrode wire in metal inert gas welding (so-called MIG welding, from metal inert gas welding).

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Структурированные металлические детали, изготовленные из титана или титановых сплавов, обычно изготавливают литьем, ковкой или механической обработкой из заготовки. Эти способы имеют недостаток, заключающийся в высоком расходе материала дорогого металла титана и большом времени ввода в производство.Structured metal parts made from titanium or titanium alloys are usually made by casting, forging or machining from a billet. These methods have the disadvantage of high material consumption of the expensive titanium metal and a long start-up time.

Физические объекты максимальной (теоретической, т.е. без пор) плотности могут быть изготовлены с помощью технологии изготовления, известной как быстрое прототипирование, быстрое изготовление, послойное изготовление, изготовление твердой произвольной формы (т.н. метод SFF, от англ. solid freeform fabrication), аддитивная технология, аддитивное изготовление или трехмерная печать. Этот способ использует программное обеспечение автоматизированного проектирования (САПР), чтобы сначала сконструировать виртуальную модель объекта, который должен быть изготовлен, а затем преобразовать виртуальную модель в тонкие параллельные элементы или слои, обычно горизонтально ориентированные. Физический объект может быть затем выполнен путем наложения последовательных слоев исходного (заготовочного) материала в виде жидкости, пасты, порошка или материала в другой форме, способной растекаться, намазываться, или в текучей форме, такой как расплавленный металл, например, от расплавленной электродной проволоки, или в предварительно сформованном виде, таком как листовой материал, напоминающий форму виртуальных слоев, до тех пор, пока не будет сформирован весь объект. Слои могут быть сплавлены вместе с образованием твердого плотного объекта.Physical objects of maximum (theoretical, i.e. without pores) density can be manufactured using a manufacturing technique known as rapid prototyping, rapid fabrication, layering, solid freeform manufacturing (the so-called SFF method, from English solid freeform). fabrication), additive manufacturing, additive manufacturing or 3D printing. This method uses computer-aided design (CAD) software to first construct a virtual model of the object to be manufactured and then convert the virtual model into thin parallel elements or layers, usually horizontally oriented. The physical object can then be made by applying successive layers of starting (blank) material in the form of a liquid, paste, powder, or material in another form capable of spreading, spreading, or in a fluid form, such as molten metal, for example, from molten electrode wire, or in a preformed form, such as a sheet material resembling the shape of the virtual layers, until the entire object is formed. The layers can be fused together to form a solid dense object.

Технология изготовления твердой произвольной формы представляет собой гибкий способ, позволяющий создавать объекты почти любой формы с относительно быстрыми скоростями производства, обычно от нескольких часов до нескольких дней для каждого объекта. Таким образом, указанный способ пригоден для формирования прототипов и небольших партий изделий и может быть масштабирован для производства большого объема.Solid freeform manufacturing technology is a flexible way to create objects of almost any shape with relatively fast production speeds, typically hours to days for each object. Thus, this method is suitable for prototyping and small batches of products and can be scaled up for high volume production.

Способ послойного изготовления может быть расширен с включением в него осаждения элементов конструкционного материала, т.е. каждый структурный слой виртуальной модели объекта разделен на набор элементов, которые при укладке рядом друг с другом образуют слой. Это позволяет формировать металлические объекты путем приваривания проволоки к подложке в последовательных полосах, формируя каждый слой согласно виртуальной послойной модели объекта, и повторяя процесс для каждого слоя до тех пор, пока не будет сформирован весь физический объект. Точность способа сварки обычно слишком грубая для того, чтобы можно было сразу сформировать объект с приемлемыми размерами. Таким образом, образованный объект обычно рассматривают как неготовый объект или как заготовку, которая должна быть подвергнута механической обработке для достижения приемлемой точности размеров.The layering process can be extended to include the deposition of structural material elements, i.e. each structural layer of the virtual object model is divided into a set of elements, which, when stacked next to each other, form a layer. This allows metal objects to be formed by welding wire to a substrate in successive strips, forming each layer according to a virtual layer-by-layer model of the object, and repeating the process for each layer until the entire physical object is formed. The accuracy of the welding method is usually too coarse to form an object with acceptable dimensions immediately. Thus, the formed object is usually considered as an unfinished object or as a blank, which must be machined to achieve acceptable dimensional accuracy.

В непатентном документе Тэмингер и Хэфли (Электронно-лучевое изготовление произвольных форм для экономически эффективного производства форм, приближенных к чистовой, NATO/RTOAVT-139 Встреча специалистов по экономически эффективному производству посредством обработки чистовых форм, Амстердам, Нидерланды, 2006 (НАТО), c. 9-25 (Taminger and Hafley, Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net Shape Manufacture, NATO/RTOAVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing, Amsterdam, the Netherlands, 2006 (NATO), p. 9-25)) раскрыты способ и устройство для изготовления конструкционных металлических деталей непосредственно на основании данных автоматизированного проектирования в сочетании с технологией электроннолучевого изготовления произвольной формы (EBF, от англ. electron beam freeform). Конструкционную деталь создают путем приваривания последовательными слоями металлической электродной проволоки, которую приваривают с помощью тепловой энергии, обеспечиваемой электронным лучом.In a non-patent document, Taminger and Hafli (Electron Beam Freeform Formwork for Cost-Effective Near-Finish Form Production, NATO/RTOAVT-139 Experts' Meeting on Cost-Effective Production Through Finishing Form Machining, Amsterdam, The Netherlands, 2006 (NATO), c. 9-25 (Taminger and Hafley, Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net Shape Manufacture, NATO/RTOAVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing, Amsterdam, the Netherlands, 2006 (NATO), p. 9-25)) a method and apparatus for manufacturing structural metal parts directly based on computer-aided design data in combination with free-form electron beam manufacturing (EBF) technology is disclosed. The structural part is created by welding successive layers of metal electrode wire, which is welded using thermal energy provided by the electron beam.

Способ EBF включает в себя плавление металлической проволоки в ванне расплава, полученной и поддерживаемой сфокусированным электронным лучом в среде высокого вакуума. Позиционирование электронного луча и электродной проволоки получают с использованием электронно-лучевой пушки и исполнительного элемента, поддерживающего подложку, шарнирно подвижную вдоль одной или нескольких осей (X, Y, Z и вращения), и регулируют положение электронно-лучевой пушки и опорной подложки с помощью системы управления движением по четырем осям. Указанный способ, как заявлено, обладает почти 100%-ной эффективностью по расходу материала и 95%-ной эффективностью по потреблению энергии. Способ может быть использован как для осаждения большого объема металла, так и для мелких детализированных осаждений, причем техническим результатом способа заявлено значительное уменьшение времени ввода в производство и уменьшение затрат на материал и обработку по сравнению с обычным подходом обработки металлических деталей. Электроннолучевая технология имеет недостаток, заключающийся в том, что она зависит от высокого вакуума - 10^-1 Па или меньше - в камере осаждения.The EBF process involves melting a metal wire in a molten bath formed and maintained by a focused electron beam in a high vacuum environment. The positioning of the electron beam and the electrode wire is obtained using an electron beam gun and an actuating element supporting the substrate pivotally movable along one or more axes (X, Y, Z and rotation), and the position of the electron beam gun and the supporting substrate is adjusted using the system motion control on four axes. This process is claimed to be nearly 100% material efficient and 95% energy efficient. The method can be used both for large volume deposition of metal and for small detailed deposition, and the technical result of the method is a significant reduction in the time of entry into production and a decrease in material and processing costs compared to the usual approach of processing metal parts. Electron beam technology has the disadvantage that it depends on a high vacuum - 10 ^-1 Pa or less - in the deposition chamber.

- 1 040501- 1 040501

В уровне техники известно использование плазменной дуги для обеспечения тепла для сварки металлических материалов. Этот способ можно применять при атмосферном или более высоком давлении и, таким образом, можно использовать более простое и менее затратное технологическое оборудование. Один такой способ известен как дуговая сварка вольфрамовым электродом в газовой среде (GTAW, от англ. gas tungsten arc welding, также обозначаемая как TIG, от англ. tungsten inert gas welding), в которой между нерасходуемым вольфрамовым электродом и областью сварки образуется плазменная наплавляющая дуга. Плазменная дуга обычно защищена газом, подаваемым через плазменную горелку, с образованием защитной крышки вокруг дуги. Сварка TIG может включать в себя подачу металлической проволоки или металлического порошка в ванну расплава или плазменную дугу в качестве наполнителя.It is known in the art to use a plasma arc to provide heat for welding metallic materials. This method can be used at or above atmospheric pressure and thus simpler and less costly processing equipment can be used. One such method is known as gas tungsten arc welding (GTAW, also referred to as TIG, from tungsten inert gas welding), in which a plasma welding arc is formed between a non-consumable tungsten electrode and the welding area. . The plasma arc is usually protected by gas supplied through the plasma torch, forming a protective cap around the arc. TIG welding may involve feeding a metal wire or metal powder into a molten bath or plasma arc as a filler.

Эбботом и др. (Abbott et al.) в патентном документе WO 2006/133034 (2006) раскрыт способ прямого осаждения металла с использованием лазерного/дугового гибридного процесса для изготовления сложных трехмерных форм, включающий в себя обеспечение подложки и нанесение первого слоя расплавленного металла на подложку из металлической заготовки с использованием лазерного излучения и электрической дуги. Электрическая дуга может быть обеспечена посредством дуговой сварки в газовой среде с использованием металлической заготовки в качестве электрода. Эбботом и др. утверждается, что использование лазерного излучения в сочетании с дуговой сваркой металлическим электродом в газовой среде стабилизирует дугу и якобы обеспечивает более высокие скорости обработки. Эббот и др. используют металлическую проволоку, направляемую направляющим устройством для проволоки и выходящую из него. Металл металлической проволоки расплавляют на конце и расплавленный металл осаждают путем размещения конца над точкой осаждения. Необходимое тепло для плавления металлической проволоки обеспечивается электрической дугой вместе с лазерным излучением. Сварка посредством плавления металлической проволоки, нагретой электрической дугой, известна как дуговая сварка металлическим электродом в газовой среде (GMAW, от англ. gas metal arc welding), которая в случае использования нереакционноспособных газов также обозначается как сварка металлическим электродом в инертном газе (MIG-сварка, от англ. metal inert gas).Abbott et al. in patent document WO 2006/133034 (2006) disclosed a method for direct metal deposition using a laser/arc hybrid process to produce complex three-dimensional shapes, including providing a substrate and applying a first layer of molten metal to a substrate from a metal workpiece using laser radiation and an electric arc. The electric arc can be provided by gas arc welding using a metal workpiece as an electrode. Abbott et al. state that the use of laser radiation in combination with gas metal arc welding stabilizes the arc and allegedly provides higher processing speeds. Abbott et al. use a metal wire guided by and exiting a wire guide. The metal of the metal wire is melted at the end and the molten metal is deposited by placing the end over the deposition point. The necessary heat to melt the metal wire is provided by an electric arc together with laser radiation. Welding by melting a metal wire heated by an electric arc is known as gas metal arc welding (GMAW), which, in the case of non-reactive gases, is also referred to as inert gas metal electrode welding (MIG welding). , from English metal inert gas).

Одним существенным параметром в MIG-сварке является расположение наконечника/концевого участка металлической проволоки над точкой осаждения с большой точностью, а также обеспечение стабильного и удовлетворительного электрического контакта с расходуемой проволокой для обеспечения возможности регулирования скорости плавления и, таким образом, скорости осаждения металлической проволоки на обрабатываемую деталь/подложку. Одно из решений этой проблемы раскрыто Вестбергом (Westberg) в патентном документе US 2179108 (1939). В указанном патентном документе раскрыто медное сопло с отверстием, из которого с регулируемой скоростью пропускают металлическую проволоку, которую в виде выпрямленной металлической проволоки подают из источника проволоки. Как медное сопло, так и обрабатываемая деталь электрически соединены с источником электропитания, задающим электрический потенциал между ними. Когда металлическая проволока проходит через медное сопло, она входит в контакт с соплом и, таким образом, электрически соединяется с источником электропитания. Когда конец (концевой участок) металлической проволоки достигает определенного расстояния выше области осаждения/сварки, электрический потенциал создает электрическую дугу, проходящую от точки конца металлической проволоки и вниз до области осаждения/сварки. Электрическая дуга расплавляет конец входящей металлической проволоки и тем самым осаждает расплавленный металлический материал на область осаждения/сварки.One essential parameter in MIG welding is positioning the tip/end of the metal wire over the deposition point with great precision, as well as making stable and satisfactory electrical contact with the consumable wire to allow control of the rate of melting and thus the rate of deposition of the metal wire onto the workpiece. detail/substrate. One solution to this problem is disclosed by Westberg in US Pat. No. 2,179,108 (1939). Said patent document discloses a copper nozzle with an orifice from which a metal wire is passed at a controlled rate, which is supplied as a straightened metal wire from a wire source. Both the copper nozzle and the workpiece are electrically connected to a power source that sets the electrical potential between them. When the metal wire passes through the copper nozzle, it comes into contact with the nozzle and is thus electrically connected to the power supply. When the end (end portion) of the metal wire reaches a certain distance above the deposition/weld area, the electric potential creates an electric arc from the end point of the metal wire and down to the deposition/weld area. The electric arc melts the end of the incoming metal wire and thereby deposits the molten metal material on the deposition/weld area.

Для обеспечения надежного прохождения проволоки из металла/металлической проволоки через отверстие/направляющий канал медного сопла необходимо иметь несколько больший диаметр отверстия, чем диаметр металлической проволоки. Относительно малый механический контакт между медным соплом и металлической проволокой приводит к проблемам, связанным с неприемлемым электрическим контактом между металлической проволокой и направляющим устройством для проволоки, что приводит к проблемам неустойчивых электрических дуг и электрических разрядов/искрения внутри отверстия, что, в свою очередь, локально расплавляет/отрывает части металлической проволоки и приводит к блокировке отверстия. Эти проблемы, как утверждается, решены Вестбергом за счет того, что концевой участок медного сопла, ближайший к месту осаждению, имеет форму полуцилиндра за счет удаления приблизительно половины стенки цилиндра, для того чтобы обеспечить прижатие металлической проволоки вниз к полуцилиндрическому направляющему каналу посредством подпружиненного роликового колеса и тем самым обеспечить увеличение площади электрического контакта между медным соплом и металлической проволокой. Аналогичное решение раскрыто Цильотто (Zigliotto) в патентном документе ЕР 1108491 (2001), в котором описан контактный наконечник для сварочных горелок для MIG-сварки, содержащий корпус, имеющий соединительные средства для крепления корпуса к сварочной горелке, и осевое отверстие для подачи проволоки, причем контактный наконечник снабжен V-образным пазом, который проходит от внешней стенки к оси, при этом осевое отверстие ведет к дну паза. Дно паза наклонено и отклоняется по направлению к оси, примыкающей к соплу. Контактный наконечник у Цильотто снабжен прижимающим средством, входящим внутрь паза для прижатия электродной проволоки к дну паза и стенкам, причем прижимающее средство состоит из пружины, входящей в паз и опирающейся на электродную проволоку, причем пружина содержит средство для соединения с корпусом наконечника.In order to ensure that the metal wire/metal wire passes through the bore/guide of the copper nozzle, it is necessary to have a slightly larger hole diameter than the metal wire. Relatively little mechanical contact between the copper nozzle and the metal wire leads to problems with unacceptable electrical contact between the metal wire and the wire guide, which leads to problems of intermittent electric arcs and electric discharges/sparks inside the hole, which in turn is local melts/pulls off parts of the metal wire and causes the hole to be blocked. These problems are said to have been solved by Westberg by making the end portion of the copper nozzle closest to the deposition site shaped like a semi-cylinder by removing approximately half of the cylinder wall to allow the metal wire to be pressed down against the semi-cylindrical guide duct by means of a spring-loaded roller wheel. and thereby ensure an increase in the area of electrical contact between the copper nozzle and the metal wire. A similar solution is disclosed by Zigliotto in patent document EP 1108491 (2001), which describes a contact tip for MIG welding torches, comprising a body having connecting means for attaching the body to the welding torch, and an axial hole for wire feed, and the contact tip is provided with a V-shaped groove which extends from the outer wall towards the axis, the axial hole leading to the bottom of the groove. The bottom of the groove is inclined and deviates towards the axis adjacent to the nozzle. The contact tip at Cigliotto is provided with a pressing means that enters the groove to press the electrode wire to the bottom of the groove and the walls, and the pressing means consists of a spring entering the groove and resting on the electrode wire, and the spring contains a means for connecting to the body of the tip.

- 2 040501- 2 040501

Другое решение той же проблемы предложено Беднарзом и др. (Bednarz et al.) в патентном документе WO 2003/039800 (2003), в котором раскрыт контактный наконечник, предназначенный для электродуговой сварки с использованием металлической проволоки, содержащий корпус, который определяет канал, через который может проходить электрод, чтобы электрическому току от сварочного источника питания обеспечить возможность прохождения от корпуса к электроду. На участке длины канала между входным концом и выходным концом корпус имеет по меньшей мере одну область - первичную контактную область, в которой корпус выполнен с возможностью обеспечения первичного электрического контакта с электродом. Вдоль остальной части длины канала корпус выполнен таким образом, что любой вторичный контакт между корпусом и электродом вдоль остальной части по существу не замыкает первичный электрический контакт в области первичного контакта канала. В некоторых вариантах осуществления у Беднарза и др. участок канала/направляющего канала ниже корпуса/электрического контакта, прижатый к металлической проволоке, может иметь больший диаметр для облегчения прохождения металлической проволоки. Этот расположенный ниже по потоку участок направляющего канала также может быть электрически изолирован от основного корпуса контактного наконечника посредством вставления электроизолирующего цилиндрического материала, имеющего центральный канал.Another solution to the same problem is proposed by Bednarz et al. in patent document WO 2003/039800 (2003), which discloses a contact tip designed for arc welding using metal wire, containing a body that defines a channel through which the electrode can pass to allow the electric current from the welding power source to pass from the body to the electrode. In the section of the channel length between the inlet end and the outlet end, the housing has at least one region - the primary contact region, in which the housing is configured to provide primary electrical contact with the electrode. Along the remainder of the length of the channel, the housing is designed such that any secondary contact between the housing and the electrode along the remainder does not substantially complete the primary electrical contact in the region of the primary contact of the channel. In some embodiments of Bednarz et al., the channel/guide portion below the housing/electrical contact pressed against the metal wire may have a larger diameter to facilitate passage of the metal wire. This downstream section of the guide channel can also be electrically isolated from the main body of the contact tip by inserting an electrically insulating cylindrical material having a central channel.

Из опыта авторов изобретения следует, что существуют проблемы, связанные с забиванием направляющего канала вследствие искровой эрозии (непреднамеренные электрические разряды) между контактным наконечником и металлической проволокой, которая может приводить к образованию расплавленных капель металлического материала проволоки внутри направляющего канала, что может забивать канал или привести к отклонениям в расположении металлической проволоки. Также в данной области техники существует потребность в экономичном способе прямого осаждения металлов. Кроме того, в данной области существует потребность в способе повышения производительности и выхода продуктов прямого осаждения металлов.It appears from the experience of the inventors that there are problems associated with clogging of the liner due to spark erosion (unintentional electrical discharges) between the contact tip and the metal wire, which can lead to the formation of molten droplets of the metal material of the wire inside the liner, which can clog the channel or lead to to deviations in the location of the metal wire. There is also a need in the art for an economical method for the direct deposition of metals. In addition, there is a need in the art for a method for improving the productivity and yield of direct metal deposition products.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить узел контактного наконечника для MIG-сварки, который значительно смягчает проблемы, связанные с искровой эрозией внутри направляющего канала направляющего устройства контактного наконечника. Другая задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ быстрого многослойного изготовления металлических объектов, в частности объектов, содержащих Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Та, Ti, V, W, Zr или их композиты, или сплавы. Примеры металлических объектов содержат титан или титановый сплав.It is an object of the present invention to provide a MIG welding contact tip assembly that greatly alleviates the problems associated with spark erosion within the guide channel of the contact tip guide. Another object of the invention is to provide a method for the rapid multilayer production of metal objects, in particular objects containing Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, Ti, V, W , Zr or their composites or alloys. Examples of metal objects include titanium or a titanium alloy.

Настоящее изобретение направлено на удовлетворение потребности в улучшенном, экономичном способе осуществления прямого осаждения металла. Данное изобретение, кроме того, направлено на удовлетворение потребности в способе увеличения производительности и выхода готовых изделий, сформированных посредством прямого осаждения металла, которые не содержат искажений и имеют гладкие, хорошо определенные границы осаждения.The present invention addresses a need for an improved, economical method for performing direct metal deposition. The present invention further addresses a need for a method for increasing the productivity and yield of finished articles formed by direct metal deposition that are distortion-free and have smooth, well-defined deposition margins.

Изобретение основано на понимании того, что проблема, связанная с забиванием направляющего канала вследствие искрения или других причин, может быть значительно облегчена посредством электрического изолирования направляющего устройства от металлической проволоки и использования отдельного электрического контакта для подачи электрического тока к металлической проволоке. В системах, устройствах и способах, предложенных в настоящем документе, расходуемый контактный наконечник является отдельным от направляющего устройства, а металлическую проволоку приводят в контакт с контактным наконечником после прохождения металлической проволоки через концевой участок направляющего устройства. Следует отметить, что хотя изобретение описывается в связи с использованием металлической проволоки, может использоваться любая проводящая структура, которая может быть направлена и расплавлена для осаждения материала, например может быть использован любой расходуемый электрод подходящего размера и формы.The invention is based on the understanding that the problem associated with plugging of the guide channel due to sparking or other causes can be greatly alleviated by electrically isolating the guide device from the metal wire and using a separate electrical contact to supply electrical current to the metal wire. In the systems, devices, and methods provided herein, the sacrificial contact tip is separate from the guide, and the metal wire is brought into contact with the contact tip after the metal wire passes through the end portion of the guide. It should be noted that while the invention is described in connection with the use of a metal wire, any conductive structure that can be directed and melted to deposit the material may be used, for example any consumable electrode of a suitable size and shape may be used.

Как показано на фиг. 1А-7В, предусмотрен узел 100 контактного наконечника, который включает в себя направляющее устройство 120, имеющее продольную центральную ось А-А', первый конец 140 и противоположный второй конец 150, и центральный канал 130, проходящий вдоль продольной центральной оси направляющего устройства 120 от его первого конца 140 до его второго конца 150. Узел 100 контактного наконечника также может включать в себя электроизолирующую обшивку 160, которая находится внутри центрального канала 130 и которая проходит по меньшей мере от первого конца 140 до второго конца 150 направляющего устройства 120. Электроизолирующая обшивка 160 включает в себя направляющий канал 170, имеющий входное отверстие 145 на первом конце 140 и выходное отверстие 155 на втором конце 150 и проходящий через линейную электроизолирующую обшивку 160 вдоль продольной центральной оси А-А', а электроизолирующая обшивка 160 направляет металлическую проволоку 180, проходящую через линейный цилиндрический направляющий канал 170, от входного отверстия 145 в направлении выходного отверстия 155 и дальше от него. Узел 100 контактного наконечника также включает в себя электрический контактный блок 200, содержащий контактный наконечник 215, находящийся в электрическом контакте с источником электроэнергии. Электрический контактный блок 200 может быть расположен в вырезанном участке 115, который обнажает металлическую проволоку 180 для контактного наконечника 215 электрического контактного блока 200, как показано на фиг. 1А. ЭлектричеAs shown in FIG. 1A-7B, a contact tip assembly 100 is provided that includes a guide 120 having a longitudinal center axis A-A', a first end 140 and an opposite second end 150, and a central channel 130 extending along the longitudinal center axis of the guide 120 from its first end 140 to its second end 150. The contact tip assembly 100 may also include an electrically insulating sheath 160 that resides within the central channel 130 and that extends from at least the first end 140 to the second end 150 of the guide 120. The electrically insulating sheath 160 includes a guiding channel 170 having an inlet 145 at a first end 140 and an outlet 155 at a second end 150 and extending through a linear insulating sheath 160 along a longitudinal central axis A-A', and the insulating sheath 160 guides a metal wire 180 passing through linear cylindrical guide channel 170, from the inlet 145 towards the outlet 155 and away from it. The contact tip assembly 100 also includes an electrical contact block 200 including a contact tip 215 in electrical contact with an electrical power source. The electrical contact block 200 may be located in the cut-out portion 115 that exposes the metal wire 180 for the contact tip 215 of the electrical contact block 200, as shown in FIG. 1A. Electric

- 3 040501 ский контактный блок 200 может быть расположен на некотором расстоянии от выходного отверстия 155, как показано на фиг. 2, 3, 4А и 5. Узел может включать в себя узел 210 прижатия контактного элемента для прижатия контактного наконечника 215 электрического контактного элемента 200 к металлической проволоке 180, как показано на фиг. 1А, 2 и 3. Узел может включать в себя узел 190 прижатия проволоки для прижатия металлической проволоки 180 для образования контакта с контактным наконечником 215 электрического контактного элемента 200, как показано на фиг. 4А и 5. Узел может включать в себя узел 190 прижатия проволоки и узел 210 прижатия контактного элемента (не показан на фигурах).- 3 040501 The contact block 200 may be located at some distance from the outlet 155, as shown in FIG. 2, 3, 4A, and 5. The assembly may include a contact element pressing assembly 210 for pressing the contact tip 215 of the electrical contact element 200 against the metal wire 180 as shown in FIG. 1A, 2 and 3. The assembly may include a wire pressing assembly 190 for pressing the metal wire 180 into contact with the contact tip 215 of the electrical contact member 200 as shown in FIG. 4A and 5. The assembly may include a wire pressure assembly 190 and a contact element pressure assembly 210 (not shown in the figures).

Узел контактного наконечника может включать в себя нижнее отверстие 125 в нижней части направляющего устройства 120, как показано на фиг. 1В и 4В. Нижнее отверстие 125 позволяет пыли или кусочкам проволоки покидать направляющее устройство 120 до того, как они приблизятся к формируемой детали. Нижнее отверстие 125 может проходить до второго конца 150 с формированием канала. Направляющее устройство 120 может быть выполнено из Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Та, Ti, V, W, Zr, или их композитов, или сплавов, или комбинаций. Приводимое в качестве примера направляющее устройство 120 может быть выполнено из титана или титанового сплава или может включать в себя титан или титановый сплав.The contact tip assembly may include a bottom opening 125 at the bottom of the guide 120 as shown in FIG. 1B and 4B. The bottom opening 125 allows dust or pieces of wire to leave the guide 120 before they approach the part to be formed. The bottom opening 125 may extend to the second end 150 to form a channel. The guide 120 may be made of Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, Ti, V, W, Zr, or composites or alloys or combinations thereof. The exemplary guide 120 may be made of titanium or a titanium alloy, or may include titanium or a titanium alloy.

Контактный наконечник 215 может быть выполнен из меди, или медного сплава, или медного композита, или может включать в себя медь, или медный сплав, или медный композит. В некоторых вариантах осуществления контактный наконечник 215 включает в себя Cu/W композит.The contact tip 215 may be made of copper, or a copper alloy, or a copper composite, or may include copper, or a copper alloy, or a copper composite. In some embodiments, contact tip 215 includes a Cu/W composite.

Если направляющее устройство 120 включает в себя электроизолирующую обшивку 160, которая образует направляющий канал 170, на поверхность электроизолирующей обшивки 160 может быть нанесено покрытие 165, как показано на фиг. 6А-7В. Покрытие 165 обращено к металлической проволоке 180 при прохождении металлической проволоки 180 через направляющий канал 170. Узел контактного наконечника, предложенный в данном документе, также может включать в себя изолирующий наконечник 195 на поверхности узла 190 прижатия проволоки, который входит в контакт с металлической проволокой 180. Иллюстративный вариант осуществления показан на фиг. 4А и 4В.If the guide device 120 includes an electrically insulating sheath 160 that defines a guide channel 170, a coating 165 may be applied to the surface of the electrically insulating sheath 160 as shown in FIG. 6A-7B. The cover 165 faces the metal wire 180 as the metal wire 180 passes through the guide channel 170. The contact tip assembly provided herein may also include an insulating lug 195 on the surface of the wire pressure assembly 190 that comes into contact with the metal wire 180. An exemplary embodiment is shown in FIG. 4A and 4B.

Вариант системы, содержащей узел контактного наконечника, предложенный в данном документе, проиллюстрирован на фиг. 12. Электрический контактный блок 200 может включать в себя электрическое соединение 230, которое соединяет контактный наконечник 215 с источником питания, и изолирующий соединитель 240, который соединяет контактный наконечник 215 с опорой 220 контактного наконечника. Узел контактного наконечника также может включать в себя вырезанный участок 115, который обнажает металлическую проволоку 180 для контактного наконечника 215 электрического контактного блока 200.An embodiment of the system comprising the contact tip assembly provided herein is illustrated in FIG. 12. The electrical contact block 200 may include an electrical connection 230 that connects the contact tip 215 to a power source and an insulating connector 240 that connects the contact tip 215 to the contact tip support 220. The contact tip assembly may also include a notched portion 115 that exposes the metal wire 180 for the contact tip 215 of the electrical contact block 200.

Как показано на фиг. 12, узел контактного наконечника, предложенный в настоящем документе, также может включать в себя опорный элемент 300, к которому для опоры могут быть подсоединены направляющее устройство 120 и электрический контактный блок;As shown in FIG. 12, the contact tip assembly proposed herein may also include a support member 300 to which a guide device 120 and an electrical contact block may be connected for support;

источник 400 подачи металлической проволоки; и раму 500, к которой может быть прикреплен опорный элемент 300.metal wire feed source 400; and a frame 500 to which a support member 300 can be attached.

Между всеми соединениями может присутствовать теплоизолирующий материал 310. На фиг. 12 показан теплоизолирующий материал 310 между опорным элементом 300 и направляющим устройством 120, а также между опорным элементом 300 и рамой 500. Узел контактного наконечника в общем расположен таким образом, что после прохождения металлической проволоки 180 через направляющее устройство 120 металлическую проволоку 180 помещают в плазменную дугу горелки с плазменной наплавляющей дугой (РТА, от англ. plasma transfer arc) над точкой осаждения обрабатываемой детали. В узле контактного наконечника, предусмотренном в настоящем документе, контактный наконечник 215 может быть пространственно изолирован от горелки РТА.Thermal insulation material 310 may be present between all connections. FIG. 12 shows the heat insulating material 310 between the support member 300 and the guide 120, and between the support member 300 and the frame 500. The contact tip assembly is generally positioned such that after the metal wire 180 has passed through the guide 120, the metal wire 180 is placed in the plasma arc. torches with a plasma welding arc (PTA, from the English plasma transfer arc) above the deposition point of the workpiece. In the contact tip assembly provided herein, the contact tip 215 may be spatially isolated from the PTA burner.

Также предложены способы подачи электрического тока на металлическую проволоку во время изготовления трехмерного объекта из металлического материала в процессе изготовления твердой произвольной формы. Способы включают в себя подачу металлической проволоки через направляющее устройство;Methods are also provided for applying an electric current to a metal wire during the manufacture of a three-dimensional object from a metal material in the process of manufacturing a solid arbitrary shape. The methods include feeding a metal wire through a guide;

обеспечение контактного наконечника, отдельного от направляющего устройства; и приведение в контакт металлической проволоки с контактным наконечником после прохождения металлической проволоки через концевой участок направляющего устройства.providing a contact tip separate from the guide; and bringing the metal wire into contact with the contact tip after the metal wire passes through the end portion of the guide device.

Также предложены способы изготовления трехмерного объекта из металлического материала посредством изготовления твердой произвольной формы. Способы включают в себя осаждение последовательных слоев металлического материала на базовый материал, причем каждый последующий осажденный слой получают путем подачи металлической проволоки через направляющее устройство в электрический контактный блок, выполненный с возможностью приведения металлической проволоки в контакт с контактным наконечником за концом направляющего устройства;Also provided are methods for manufacturing a three-dimensional object from a metallic material by manufacturing a solid arbitrary shape. The methods include depositing successive layers of metallic material onto a base material, each successive deposited layer being obtained by feeding a metallic wire through a guide device into an electrical contact block configured to bring the metal wire into contact with a contact tip behind the end of the guide device;

использование сварочной горелки с плазменной дугой (горелки PAW, от англ. plasma arc welding) для нагрева и плавления проволоки таким образом, чтобы расплавленный металлический материал сте- 4 040501 кал каплями на предварительно нагретую область базового материала; и перемещение базового материала и/или горелки PAW в заданной конфигурации таким образом, чтобы последовательные осажденные слои расплавленного металлического материала затвердевали и образовывали трехмерный объект.using a plasma arc welding torch (PAW torch, from plasma arc welding) to heat and melt the wire so that the molten metal material drips onto the preheated area of the base material; and moving the base material and/or the PAW torch in a predetermined configuration such that successive deposited layers of molten metal material solidify and form a three-dimensional object.

Опционально вторая горелка PAW может быть использована для предварительного нагрева базового материала в положении, в котором должен быть осажден металлический материал. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть базового материала расплавляют во время предварительного нагрева, для того чтобы сделать базовый материал более восприимчивым. Предварительный нагрев способствует сплавлению между базовым материалом и расплавленным металлическим материалом путем заглубления расплава в базовый материал. В некоторых вариантах осуществления достаточное количество тепла прикладывают во время предварительного нагрева, чтобы сформировать ванну расплава в базовом материале, где должен быть осажден металлический материал. Металлическая проволока может быть любой формы. Металлическая проволока может быть выполнена из или содержать Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Та, Ti, V, W, Zr, или их композиты, или сплавы. В некоторых вариантах осуществления металлическая проволока представляет собой проволоку, которая содержит Ti или сплав Ti.Optionally, a second PAW burner can be used to preheat the base material at the position where the metal material is to be deposited. In some embodiments, at least a portion of the base material is melted during preheating in order to make the base material more receptive. Preheating promotes fusion between the base material and the molten metal material by deepening the melt into the base material. In some embodiments, sufficient heat is applied during preheating to form a pool of molten material in the base material where the metallic material is to be deposited. Metal wire can be of any shape. The metal wire may be made of or contain Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, Ti, V, W, Zr, or composites or alloys thereof. In some embodiments, the metal wire is a wire that contains Ti or a Ti alloy.

Также предложены системы для изготовления трехмерного объекта из металлического материала путем изготовления твердой произвольной формы. Системы могут включать в себя направляющее устройство для направления металлической проволоки в положение над базовым материалом;Also proposed are systems for manufacturing a three-dimensional object from a metallic material by manufacturing a solid arbitrary shape. The systems may include a guide to guide the metal wire to a position above the base material;

контактный наконечник, выполненный с возможностью приведения в контакт с металлической проволокой за концом направляющего устройства;a contact tip configured to be brought into contact with the metal wire beyond the end of the guide device;

сварочную горелку для наплавления проволоки на базовый материал; и компьютерную модель предмета, который должен быть сформирован для определения профиля осаждения таким образом, что физический объект создают путем сплавления последовательных осажденных слоев расплавленной проволоки на базовом материале.welding torch for deposition of wire on the base material; and a computer model of the object to be formed to define the deposition profile such that the physical object is created by fusing successive deposited layers of molten wire onto a base material.

Системы могут дополнительно включать в себя приводной лоток, который перемещает базовый материал относительно, по меньшей мере, сварочной горелки. Системы также могут включать в себя приводной рычаг, который перемещает сварочную горелку. Кроме того, может быть также использована вторая сварочная горелка для предварительного нагрева базового материала в месте, в котором расплавляется проволока. Вторую сварочную горелку можно также перемещать с помощью привода.The systems may further include a drive chute that moves the base material relative to at least the welding torch. The systems may also include an actuating arm that moves the welding torch. In addition, a second welding torch may also be used to preheat the base material at the point where the wire is melted. The second welding torch can also be moved by means of a drive.

Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут изложены в нижеследующем описании и частично будут очевидны из описания или могут быть поняты при практическом применении изобретения. Цели и другие преимущества изобретения будут достигнуты и реализованы посредством конструкции, подробно изложенной в описании и формуле изобретения, а также на приложенных чертежах.Additional features and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and in part will be apparent from the description or may be understood by practice of the invention. The objects and other advantages of the invention will be achieved and realized by means of the construction detailed in the description and claims, as well as in the attached drawings.

Следует понимать, что как предшествующее раскрытие сущности изобретения, так и последующее подробное описание вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными и предназначены для обеспечения дополнительного объяснения заявленного изобретения.It should be understood that both the foregoing summary of the invention and the following detailed description of embodiments of the invention are illustrative and are intended to provide further explanation of the claimed invention.

Перечень фигурList of figures

Прилагаемые чертежи, которые приведены для дополнительного разъяснения изобретения, включены в данное описание и составляют часть этого описания, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения. Для ясности чертежи показаны не в масштабе и некоторые компоненты опущены.The accompanying drawings, which are provided to further explain the invention, are included in this description and form a part of this description, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. For clarity, the drawings are not to scale and some components have been omitted.

Фиг. 1А представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид сбоку в разрезе варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, показывающий положение вырезанного участка 115 на верхней части направляющего устройства 120, который может вмещать часть электрического контактного элемента 200. В показанном варианте осуществления вырезанный участок 115 не доходит до конца направляющего устройства 120, оканчиваясь дистальным расширением 110 верхней части.Fig. 1A is a schematic drawing showing a side sectional view of an embodiment of a guide device 120 of a contact tip assembly 100 showing the position of a cut-out portion 115 on the top of the guide device 120 that can accommodate a portion of the electrical contact member 200. In the embodiment shown, the cut-out portion 115 is not reaches the end of the guide device 120, ending with a distal extension 110 of the upper part.

Фиг. 1В представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид снизу варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, показывающий нижнее отверстие 125, которое позволяет пыли или частям проволоки выходить из направляющего устройства 120, до того как они приблизятся к формируемой детали.Fig. 1B is a schematic drawing showing a bottom view of an embodiment of a guide 120 of a contact tip assembly 100 showing a bottom opening 125 that allows dust or wire pieces to exit the guide 120 before they approach the part to be formed.

Фиг. 2 представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид сбоку в разрезе варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, показывающий положение вырезанного участка 115 на верхней части направляющего устройства 120, который может вмещать часть электрического контактного элемента 200. В показанном варианте осуществления вырезанный участок 115 проходит до конца направляющего устройства 120.Fig. 2 is a schematic drawing showing a sectional side view of an embodiment of the guide device 120 of the contact tip assembly 100 showing the position of a cut-out portion 115 on the top of the guide device 120 that can accommodate a portion of the electrical contact member 200. In the embodiment shown, the cut-out portion 115 extends to the end of the guide device 120.

Фиг. 3 представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид сбоку в разрезе варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, показывающий положение вырезанного участка 115 на верхней части направляющего устройства 120, который может вмещать часть электрического контактного элемента 200. Вырезанный участок 115 проходит до конца направляющего устройства 120, а электроизолирующая обшивка 160 проходит за пределы направляющего уст- 5 040501 ройства 120.Fig. 3 is a schematic drawing showing a sectional side view of an embodiment of a guide 120 of a contact tip assembly 100 showing the position of a cut-out portion 115 on the top of the guide 120 that can accommodate a portion of the electrical contact member 200. The cut-out portion 115 extends to the end of the guide. 120 and the electrically insulating sheath 160 extends beyond the guide 120.

Фиг. 4А представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид сбоку в разрезе варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, содержащего узел 190 прижатия проволоки под металлической проволокой 180 и расположенного под электрическим контактным элементом 200. В показанном варианте осуществления вырезанный участок 115 проходит до конца направляющего устройства 120, а электроизолирующая обшивка 160 проходит за пределы направляющего устройства 120.Fig. 4A is a schematic drawing showing a sectional side view of an embodiment of a guide device 120 of a contact tip assembly 100 comprising a wire pressing assembly 190 under a metal wire 180 and positioned below an electrical contact member 200. In the embodiment shown, the cut portion 115 extends to the end of the guide device. 120 and the electrically insulating sheath 160 extends beyond the guide 120.

Фиг. 4В представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид снизу варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, показывающий нижнее отверстие 125, которое позволяет пыли или частям проволоки выходить из направляющего устройства 120, до того как они приблизятся к формируемой детали. В показанном варианте осуществления нижнее отверстие 125 проходит до второго конца 150 направляющего устройства 120.Fig. 4B is a schematic drawing showing a bottom view of an embodiment of a guide 120 of a contact tip assembly 100 showing a bottom opening 125 that allows dust or wire pieces to exit the guide 120 before they approach the part to be formed. In the embodiment shown, the bottom opening 125 extends to the second end 150 of the guide 120.

Фиг. 5 представляет собой схематичный чертеж, показывающий вид сбоку в разрезе варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника, содержащего узел 190 прижатия проволоки под металлической проволокой 180 и расположенного под электрическим контактным элементом 200. В показанном варианте осуществления электроизолирующая обшивка 160 проходит за пределы направляющего устройства 120.Fig. 5 is a schematic drawing showing a sectional side view of an embodiment of a guide device 120 of a contact tip assembly 100 comprising a wire pressing assembly 190 under a metal wire 180 and located below an electrical contact member 200. In the embodiment shown, the electrically insulating sheath 160 extends beyond the guide device. 120.

Фиг. 6А и 6В представляют собой схематичные чертежи, показывающие вид спереди в поперечном разрезе вариантов осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника. На фиг. 6А поперечное сечение электроизолирующей обшивки 160 и направляющего устройства 120 является круглым. На фиг. 6В поперечное сечение электроизолирующей обшивки 160 является квадратным, а направляющего устройства 120 - круглым. На фиг. 6А и 6В показано положение опционального покрытия 165 на электроизолирующей обшивке 160.Fig. 6A and 6B are schematic drawings showing a front cross-sectional view of embodiments of the guide device 120 of the contact tip assembly 100. In FIG. 6A, the cross section of the electrically insulating sheath 160 and guide 120 is circular. In FIG. 6B, the cross section of the electrically insulating sheath 160 is square, while the guide device 120 is circular. In FIG. 6A and 6B show the position of the optional cover 165 on the electrically insulating sheath 160.

Фиг. 7А и 7В представляют собой схематичные чертежи, показывающие вид спереди в поперечном разрезе вариантов осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника. На фиг. 7А поперечное сечение электроизолирующей обшивки 160 и направляющего устройства 120 являются квадратными. На фиг. 7В поперечное сечение электроизолирующей обшивки 160 является круглым, а направляющего устройства 120 - квадратным. На фиг. 7А и 7В показано положение опционального покрытия 165 на электроизолирующей обшивке 160.Fig. 7A and 7B are schematic drawings showing a front cross-sectional view of embodiments of the guide device 120 of the contact tip assembly 100. In FIG. 7A, the cross section of the electrically insulating sheath 160 and the guide 120 are square. In FIG. 7B, the cross section of the electrically insulating sheath 160 is circular and that of the guide 120 is square. In FIG. 7A and 7B show the position of the optional cover 165 on the electrically insulating sheath 160.

Фиг. 8 представляет собой чертеж, показывающий вид сбоку варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника.Fig. 8 is a drawing showing a side view of an embodiment of the guide device 120 of the contact tip assembly 100.

Фиг. 9 представляет собой чертеж, показывающий вид сверху варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника.Fig. 9 is a drawing showing a plan view of an embodiment of the guide device 120 of the contact tip assembly 100.

Фиг. 10 представляет собой чертеж, показывающий вид снизу варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника.Fig. 10 is a drawing showing a bottom view of an embodiment of the guide device 120 of the contact tip assembly 100.

Фиг. 11 представляет собой чертеж, показывающий вид спереди варианта осуществления направляющего устройства 120 узла 100 контактного наконечника.Fig. 11 is a drawing showing a front view of an embodiment of the guide device 120 of the contact tip assembly 100.

Фиг. 12 представляет собой чертеж, показывающий вид сбоку варианта осуществления системы, содержащей узел 100 контактного наконечника, раскрытый в данном документе.Fig. 12 is a drawing showing a side view of an embodiment of a system comprising a contact tip assembly 100 disclosed herein.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

А. Определения.A. Definitions.

Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в данном описании, имеют то же значение, которое обычно имеют ввиду специалисты из области техники, к которой относятся изобретения. Все патенты, патентные заявки, опубликованные заявки и публикации, веб-сайты и другие опубликованные материалы, упоминаемые во всем настоящем описании, если не указано иное, в полном объеме включены в настоящую заявку посредством ссылки. В случае когда имеется множество определений для терминов, представленные в данном разделе превалируют. Если делается ссылка на URL или другой такой идентификатор или адрес, понятно, что такие идентификаторы могут изменяться, и конкретная информация в сети Интернет может появиться и исчезнуть, однако путем поиска в сети Интернет может быть найдена эквивалентная информация. Ссылка на них свидетельствует о доступности и общественной распространенности такой информации.Unless otherwise indicated, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as those commonly used by those skilled in the art to which the inventions relate. All patents, patent applications, published applications and publications, websites and other published materials referred to throughout this specification, unless otherwise noted, are incorporated herein by reference in their entirety. In the case where there are multiple definitions for terms, those presented in this section prevail. If reference is made to a URL or other such identifier or address, it is understood that such identifiers may change and specific information on the Internet may appear and disappear, however equivalent information may be found by searching the Internet. The reference to them testifies to the availability and public dissemination of such information.

Используемые в настоящем документе формы единственного числа включают в себя также варианты множественного числа, если контекст четко не диктует иное.As used herein, the singular forms also include plural variants, unless the context clearly dictates otherwise.

Используемые в настоящем документе термины первый, второй, третий и т.д. могут использоваться в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или участков, и эти элементы, компоненты, области, слои и/или участки не следует ограничивать этими терминами. Эти термины могут использоваться только для различения одного элемента, компонента, области, слоя или участка от другой области, слоя или участка. Термины, такие как первый, второй, и другие численные термины при использовании в данном описании не подразумевают последовательность или порядок, если это четко не указано в контексте. Таким образом, первый элемент, компонент, область, слой или участок, как описано ниже, можно назвать вторым элементом, компонентом, областью, слоем или участком без отклонения от раскрытых вариантов осуществления изобретения.As used herein, the terms first, second, third, etc. may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and/or regions, and these elements, components, regions, layers and/or regions should not be limited to these terms. These terms can only be used to distinguish one element, component, area, layer or area from another area, layer or area. Terms such as first, second, and other numerical terms when used in this description do not imply sequence or order unless clearly indicated in the context. Thus, a first element, component, region, layer, or region, as described below, may be referred to as a second element, component, region, layer, or region without deviating from the disclosed embodiments of the invention.

- 6 040501- 6 040501

В данном описании диапазоны и количества могут быть выражены как приблизительно конкретное значение или диапазон. Приблизительно также включает в себя точное количество. Следовательно, приблизительно 5 процентов означает приблизительно 5 процентов, а также 5 процентов. Приблизительно означает в пределах обычной экспериментальной погрешности для предназначающегося применения или цели.As used herein, ranges and amounts may be expressed as approximately a specific value or range. Approximate also includes the exact amount. Therefore, approximately 5 percent means approximately 5 percent as well as 5 percent. Approximate means within the normal experimental error for the intended application or purpose.

Используемый в настоящем документе термин опциональный или опционально означает, что описанное далее событие или обстоятельство может быть, а может и не быть и что описание включает в себя случаи, когда событие или обстоятельство происходит, и случаи, когда оно не имеет места. Например, опциональный компонент в системе означает, что компонент может присутствовать или может отсутствовать в системе.As used herein, the term optional or optional means that the event or circumstance described below may or may not occur, and that the description includes cases where the event or circumstance occurs and cases where it does not occur. For example, an optional component in the system means that the component may or may not be present in the system.

Используемый в настоящем документе термин комбинация относится к любой ассоциации между двумя элементами или среди более чем двух элементов. Ассоциация может быть пространственной или относиться к использованию двух или более элементов для общей цели.As used herein, the term combination refers to any association between two elements or among more than two elements. An association may be spatial or refer to the use of two or more elements for a common purpose.

Термины сварочная горелка с плазменной наплавляющей дугой или горелка РТА, используемые в настоящем документе взаимозаменяемо, относятся к любому устройству, способному нагревать и переводить поток инертного газа в плазму посредством электрического дугового разряда, и затем переносить поток плазмообразующего газа, содержащего электрическую дугу, через отверстие (например, сопло) для образования суженной струи, которая выходит из отверстия и передает интенсивное тепло плазменной дуги в целевую область. Электрод и целевая область могут быть электрически соединены с источником питания таким образом, что электрод горелки РТА становится катодом, а целевая область становится анодом. Это гарантирует, что струя плазмы, содержащая электрическую дугу, обеспечивает подачу высококонцентрированного теплового потока к малой площади поверхности целевой области с превосходным управлением поверхностной протяженностью и величиной теплового потока, подаваемого из горелки РТА. Горелка с плазменной наплавляющей дугой имеет преимущество обеспечения стабильных и согласованных дуг с малым блужданием и хорошей переносимостью отклонений длины между катодом и анодом. Таким образом, горелка РТА является подходящей как для формующего нагрева базового материала, например, чтобы расплавить по меньшей мере его часть или образовать ванну расплава в базовом материале, а также для нагрева и плавления подаваемой металлической проволоки. Горелка РТА может преимущественным образом иметь электрод, содержащий вольфрам, и сопло, содержащее медь. Однако изобретение не связано с каким-либо конкретным выбором или типом горелки РТА. Может использоваться любое известное или мыслимое устройство, способное функционировать как горелка РТА, обеспечивающая стабильный источник тепла для плавления металлической электродной проволоки.The terms plasma arc welding torch or PTA torch, used interchangeably herein, refer to any device capable of heating and converting an inert gas stream into a plasma by means of an electric arc discharge, and then carrying a plasma gas stream containing an electric arc through an orifice ( e.g. nozzle) to form a constricted jet that emerges from the orifice and transfers the intense heat of the plasma arc to the target area. The electrode and the target area may be electrically connected to a power source such that the PTA burner electrode becomes the cathode and the target area becomes the anode. This ensures that the plasma jet containing the electric arc delivers a highly concentrated heat flux to a small surface area of the target region with excellent control over the surface extent and the amount of heat flux supplied from the PTA torch. The plasma welding arc torch has the advantage of providing stable and consistent arcs with low wander and good tolerance for length variations between cathode and anode. Thus, the PTA torch is suitable both for forming heating of the base material, for example to melt at least part of it or to form a pool of melt in the base material, as well as for heating and melting the supplied metal wire. The PTA burner may advantageously have an electrode containing tungsten and a nozzle containing copper. However, the invention is not related to any particular choice or type of PTA burner. Any known or conceivable device capable of functioning as a PTA torch providing a stable heat source for melting the metal electrode wire may be used.

Используемый в настоящем документе термин сварочная горелка с плазменной дугой, или горелка PAW, относится к сварочной горелке, которая может быть использована в плазменной дуговой сварке. Горелка выполнена таким образом, что газ может быть нагрет до высокой температуры с образованием плазмы и стать электропроводящим, затем плазма передает электрическую дугу к обрабатываемой детали и интенсивное тепло дуги может плавить металл и/или сплавлять два куска металла друг с другом. Плазменная горелка может включать в себя сопло для сужения дуги, увеличивая тем самым плотность энергии дуги. Плазмообразующий газ обычно представляет собой аргон. Плазмообразующий газ может подаваться вдоль электрода и ионизироваться и ускоряться вблизи катода. Дуга может быть направлена к обрабатываемой детали и является более стабильной, чем дуга свободного горения (например, в горелке TIG). Горелка PAW также обычно имеет внешнее сопло для подачи защитного газа. Защитный газ может представлять собой аргон, гелий или их комбинации, причем защитный газ способствует минимизации окисления расплавленного металла. Обычно ток составляет до 400 А, а напряжение - от 25 до 35 В (примерно до 14 КВт). Горелки PAW включают в себя горелки с плазменной наплавляющей дугой.As used herein, the term plasma arc welding torch, or PAW torch, refers to a welding torch that can be used in plasma arc welding. The torch is designed in such a way that the gas can be heated to a high temperature to form a plasma and become electrically conductive, then the plasma transmits an electric arc to the workpiece and the intense heat of the arc can melt the metal and/or fuse two pieces of metal together. The plasma torch may include a nozzle to narrow the arc, thereby increasing the energy density of the arc. The plasma gas is usually argon. The plasma gas can be fed along the electrode and ionized and accelerated near the cathode. The arc can be directed towards the workpiece and is more stable than a free-burning arc (eg in a TIG torch). The PAW torch also usually has an external shielding gas nozzle. The shield gas may be argon, helium, or combinations thereof, with the shield gas helping to minimize oxidation of the molten metal. Typically, the current is up to 400 A, and the voltage is from 25 to 35 V (up to about 14 kW). PAW torches include plasma welding arc torches.

Термин металлический материал, используемый в настоящем документе, относится к любому известному или мыслимому металлу или металлическому сплаву, который может быть сформован в проволоку и использован в процессе изготовления твердой произвольной формы для формирования трехмерного объекта. Примеры подходящих материалов включают следующие, но не ограничиваются только им: титан и сплавы титана, такие как сплавы Ti-6Al-4V, никель и сплавы никеля, и другие металлы или их сплавы.The term metallic material as used herein refers to any known or conceivable metal or metal alloy that can be formed into a wire and used in a solid free-form manufacturing process to form a three-dimensional object. Examples of suitable materials include, but are not limited to, titanium and titanium alloys such as Ti-6Al-4V alloys, nickel and nickel alloys, and other metals or their alloys.

Термин базовый материал, как он использован в настоящем документе, относится к целевому материалу, на который должен быть нанесен металлический материал. Базовым материалом является удерживающая подложка при осаждении первого слоя металлического материала. После нанесения одного или нескольких слоев металлического материала на удерживающую подложку, базовым материалом будет верхний слой осажденного металлического материала, на который должен быть осажден новый слой металлического материала.The term base material, as used herein, refers to the target material on which the metallic material is to be deposited. The base material is the retaining substrate when the first layer of metallic material is deposited. After applying one or more layers of metallic material to the retaining substrate, the base material will be the top layer of deposited metallic material on which a new layer of metallic material is to be deposited.

Термин удерживающая подложка, используемый в настоящем документе, относится к целевой подложке, которую сначала загружают в камеры и на которую затем осаждают дополнительный материал, такой же или отличный от материала удерживающей подложки, с использованием технологии изго- 7 040501 товления твердой произвольной формы SFFF (от англ. solid free form fabrication) для формирования обрабатываемой детали. В приводимых в качестве примера вариантах осуществления изобретения удерживающая подложка представляет собой плоский лист. В альтернативных вариантах осуществления удерживающая подложка может быть штампованной деталью. В альтернативных вариантах осуществления изобретения удерживающая подложка может представлять собой объект, на который должен быть нанесен дополнительный материал. В примерных вариантах осуществления удерживающая подложка может стать частью обрабатываемой детали. Материал для удерживающей подложки может представлять собой металл или металлический сплав. В примерных вариантах осуществления удерживающая подложка изготовлена из того же металла, что и подаваемый материал проволоки.The term retention substrate as used herein refers to a target substrate that is first loaded into chambers and onto which additional material, the same or different from that of the retention substrate, is then deposited using the SFFF (from English solid free form fabrication) for the formation of the workpiece. In exemplary embodiments of the invention, the retaining substrate is a flat sheet. In alternative embodiments, the implementation of the retaining substrate may be a stamped part. In alternative embodiments of the invention, the retaining substrate may be an object on which additional material is to be applied. In exemplary embodiments, the implementation of the holding substrate may become part of the workpiece. The material for the retaining substrate may be a metal or a metal alloy. In exemplary embodiments, the holding substrate is made from the same metal as the wire feed material.

Используемый в настоящем документе термин обрабатываемая деталь относится к металлическому телу, изготовленному с использованием процесса изготовления твердой произвольной формы.As used herein, the term workpiece refers to a metal body made using a solid freeform manufacturing process.

Термины модель, спроектированная с помощью компьютера или модель САПР, используемые в настоящем документе взаимозаменяемо, относятся к любому известному или мыслимому виртуальному трехмерному представлению объекта, которое должно быть сформировано и которое может быть использовано в системе управления устройства согласно второму аспекту изобретения: для регулирования положения и перемещения удерживающей подложки и для эксплуатации сварочной горелки со встроенным устройством подачи проволоки таким образом, что создается физический объект сплавлением последовательных осажденных слоев металлического материала на удерживающей подложке в виде рисунка, который приводит к созданию физического объекта в соответствии с виртуальной трехмерной моделью объекта. Это может быть, например, получено путем формирования виртуальной векторной слоевой модели трехмерного объекта путем первого разделения виртуальной трехмерной модели на набор виртуальных параллельных горизонтальных слоев и затем разделения каждого из параллельных слоев на набор виртуальных квазиодномерных элементов. Затем физический объект может быть сформирован посредством вовлечения системы управления для осаждения и сплавления ряда квазиодномерных частей подаваемого металлического материала на опорной подложке по шаблону в соответствии с первым слоем виртуальной векторной слоевой модели объекта. Затем повторяют последовательность для второго слоя объекта посредством осаждения и сплавления ряда квазиодномерных частей свариваемого материала на предыдущем осажденном слое по шаблону в соответствии со вторым слоем виртуальной векторной слоевой модели объекта. Осаждение продолжают на основе повторения процесса осаждения и сплавления слоев слой за слоем для каждого последующего слоя виртуальной векторной слоевой модели объекта до тех пор, пока не будет сформирован весь объект.The terms computer-designed model or CAD model, used interchangeably herein, refer to any known or conceivable virtual three-dimensional representation of an object that is to be generated and that can be used in the control system of a device according to the second aspect of the invention: to control the position and moving the holding substrate and for operating the welding torch with the built-in wire feeder in such a way that a physical object is created by fusing successive deposited layers of metal material on the holding substrate in the form of a pattern, which leads to the creation of a physical object in accordance with a virtual three-dimensional model of the object. This can be, for example, obtained by generating a virtual vector layered model of a 3D object by first splitting the virtual 3D model into a set of virtual parallel horizontal layers and then splitting each of the parallel layers into a set of virtual quasi-1D elements. The physical object can then be formed by engaging a control system to deposit and fuse a number of quasi-one-dimensional portions of the supplied metal material onto the support substrate in a pattern in accordance with the first layer of the virtual vector layer model of the object. Then the sequence is repeated for the second layer of the object by depositing and fusing a number of quasi-one-dimensional parts of the welded material on the previous deposited layer according to the pattern in accordance with the second layer of the virtual vector layer model of the object. The deposition is continued by repeating the deposition process and fusing layers layer by layer for each successive layer of the virtual vector layer model of the object until the entire object is formed.

Однако изобретение не связано с какой-либо конкретной моделью САПР и/или компьютерным программным обеспечением для управления системой управления устройства согласно изобретению и не связано с каким-либо конкретным типом системы управления. Может быть использована любая известная или возможная система управления (модель САПР, система или программное обеспечение автоматизированного (компьютеризированного) производства (САМ, от англ. computer-aided manufacture), компьютерное программное обеспечение, аппаратные средства компьютера, исполнительные устройства и т.д.), годная для построения металлических трехмерных объектов путем изготовления твердой произвольной формы. В примерных вариантах осуществления система управления может быть настроена так, чтобы отдельно управлять первой горелкой PAW для предварительного нагрева базового материала и второй горелкой PAW для плавления подаваемой проволоки из металлического материала на предварительно нагретой области базового материала. Первая горелка PAW может предварительно нагревать базовый материал так, чтобы он был восприимчив к расплавленным каплям расплавленной металлической проволоки, т.е. расплавленного металлического материала, в месте, в котором должен быть осажден расплавленный металлический материал. В некоторых вариантах осуществления предварительный нагрев не расплавляет базовый материал. В альтернативных вариантах осуществления по меньшей мере часть базового материала расплавляется первой горелкой PAW, для того чтобы сделать базовый материал более восприимчивым. В некоторых вариантах осуществления достаточное количество тепла прикладывают с помощью первой горелки PAW с образованием ванны расплава в базовом материале в месте, в котором должен быть осажден металлический материал.However, the invention is not associated with any particular CAD model and/or computer software for operating the control system of the device according to the invention and is not associated with any particular type of control system. Any known or possible control system can be used (CAD model, automated (computerized) production system or software (CAM, from the English computer-aided manufacture), computer software, computer hardware, actuators, etc.) , suitable for the construction of metal three-dimensional objects by manufacturing a solid arbitrary shape. In exemplary embodiments, the control system may be configured to separately control the first PAW torch to preheat the base material and the second PAW torch to melt the metallic material feed wire on the preheated area of the base material. The first PAW torch can preheat the base material so that it is susceptible to molten droplets of molten metal wire, i. e. molten metal material, at the location where the molten metal material is to be deposited. In some embodiments, the preheat does not melt the base material. In alternative embodiments, at least a portion of the base material is melted by the first PAW burner in order to make the base material more receptive. In some embodiments, sufficient heat is applied by the first PAW burner to form a molten pool in the base material at the location where the metal material is to be deposited.

Позиционирование базового материала и любой одной или нескольких горелок PAW может быть выполнено с использованием одного или нескольких исполнительных механизмов. В приводимых в качестве примера вариантах осуществления базовый материал может быть передислоцирован или перемещен с использованием приводного лотка, на котором располагается базовый материал. Приводной лоток может перемещать базовый материал в любом направлении. В примерных вариантах осуществления приводной лоток может быть установлен на направляющей или рельсовой системе и способен перемещать базовый материал в любом требуемом направлении. Альтернативно приводной лоток может эксплуатироваться с использованием механической или роботизированной руки (манипулятора). Исполнительный механизм может также работать с использованием гидропривода. Аналогичным образом, одна или несколько горелок PAW могут быть перемещены с использованием одного или нескольких исполнительных механизмов. Например, каждая из одной или нескольких горелок PAW может быть прикреплена к независимо управляемому приводному рычагу, такому как роботизированная или механическая рука.The positioning of the base material and any one or more PAW burners can be performed using one or more actuators. In exemplary embodiments, the base material may be repositioned or moved using a drive chute on which the base material is located. The drive tray can move the base material in any direction. In exemplary embodiments, the drive tray may be mounted on a rail or rail system and is capable of moving the base material in any desired direction. Alternatively, the drive tray can be operated using a mechanical or robotic arm (manipulator). The actuator may also be hydraulically operated. Likewise, one or more PAW burners can be moved using one or more actuators. For example, each of one or more PAW burners may be attached to an independently controlled actuating arm, such as a robotic or mechanical arm.

- 8 040501- 8 040501

Также могут быть реализованы другие типы механизмов для приводного рычага, такие как, например, рельсовые или направляющие системы. Исполнительные механизмы также могут работать с использованием гидропривода. В примерных вариантах осуществления, в которых используются две или более горелки PAW, каждая горелка PAW может перемещаться независимо. В альтернативном варианте осуществления с использованием двух или более горелок PAW положение двух или более горелок PAW может быть фиксированным относительно друг друга, и один или более приводных рычагов может перемещать две или более горелки PAW одновременно. В приводимых в качестве примера вариантах осуществления приводной лоток является единственным задействованным исполнительным механизмом, поддерживающим одну или несколько горелок PAW в фиксированном положении во время осаждения. В альтернативных вариантах осуществления приводной лоток перемещает базовый материал только в двух направлениях в одной плоскости, в то время как один или несколько приводных рычагов перемещают одну или несколько PAW-горелок только в одном направлении, например перпендикулярно плоскости, в которой перемещается приводной лоток. Противоположное также может быть справедливым, когда один или несколько приводных рычагов перемещают одну или несколько PAW-горелок в двух направлениях в плоскости, в то время как приводной лоток перемещает базовый материал вдоль одного направления. В альтернативных вариантах осуществления базовый материал поддерживается в фиксированном положении во время осаждения, и один или несколько приводных рычагов используются для перемещения одной или нескольких горелок PAW. В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения приводной лоток и один или несколько приводных рычагов используются для перемещения базового материала и одной или нескольких горелок PAW.Other types of drive arm mechanisms can also be implemented, such as, for example, rail or guide systems. Actuators can also operate using a hydraulic drive. In exemplary embodiments that use two or more PAW burners, each PAW burner can move independently. In an alternative embodiment using two or more PAW burners, the position of the two or more PAW burners may be fixed relative to each other and one or more actuating arms may move two or more PAW burners simultaneously. In the exemplary embodiments, the drive chute is the only actuating mechanism involved, maintaining one or more PAW burners in a fixed position during deposition. In alternative embodiments, the drive tray only moves the base material in two directions in one plane, while one or more drive arms move one or more PAW burners in only one direction, such as perpendicular to the plane in which the drive tray moves. The opposite can also be true when one or more drive arms move one or more PAW torches in two directions in a plane while the drive tray moves the base material along one direction. In alternative embodiments, the base material is held in a fixed position during deposition and one or more actuating arms are used to move one or more PAW burners. In yet another alternative embodiment of the invention, a drive chute and one or more drive arms are used to move the base material and one or more PAW burners.

В. Узел контактного наконечника.B. Contact tip assembly.

Предложены системы и способы для изготовления металлических тел, имеющих форму, близкую к чистовой, с использованием технологии изготовления твердой произвольной формы, системы и способы, использующие узел контактного наконечника, которые значительно смягчают проблемы, связанные с искровой эрозией внутри направляющего канала направляющего устройства. Наросты внутри направляющего канала, вызванные искрообразованием, могут привести к произвольному электрическому соединению и физическому перемещению внутри направляющего канала и могут привести к отложениям внутри направляющего канала, которые могут мешать или предотвращать перемещение металлической проволоки через направляющее устройство. Изобретатели определили, что проблема забивания направляющего канала из-за искрения или других причин или отклонения металлической проволоки из-за деформаций в направляющем канале вследствие наростов, вызванных искрением, может быть значительно смягчена путем электрического изолирования направляющего устройства от металлической проволоки и использования отдельного электрического контакта для подачи электрического тока в металлическую проволоку. В системах, устройствах и способах, представленных в настоящем документе, расходуемый контактный наконечник является отдельным от направляющего устройства, и металлическую проволоку приводят в контакт с контактным наконечником после того, как металлическая проволока пройдет через концевой участок направляющего устройства.Systems and methods are provided for producing near-finished metal bodies using solid free form manufacturing techniques, systems and methods using a contact tip assembly that greatly mitigate the problems associated with spark erosion within a guide channel of a guide device. Growths within the liner caused by sparking can lead to random electrical connection and physical movement within the liner and can result in deposits inside the liner that can interfere with or prevent movement of the metal wire through the liner. The inventors have determined that the problem of liner clogging due to sparking or other causes, or deflection of the metal wire due to deformations in the liner due to built-up sparks, can be greatly mitigated by electrically isolating the liner from the metal wire and using a separate electrical contact for supplying electric current to a metal wire. In the systems, devices, and methods provided herein, the sacrificial contact tip is separate from the guide, and the metal wire is brought into contact with the contact tip after the metal wire has passed through the end portion of the guide.

Узел контактного наконечника, предусмотренный в данном документе, включает в себя направляющее устройство, источник подачи металлической проволоки, который обеспечивает подачу металлической проволоки в направляющее устройство, и электрический контактный элемент, который электрически соединяет проволоку с источником электропитания.The contact tip assembly provided herein includes a guide, a metal wire feed source that feeds metal wire into the guide, and an electrical contact element that electrically connects the wire to a power source.

Направляющее устройство электрически изолировано от металлической проволоки, и отдельный электрический контактный блок подает электрический ток на металлическую проволоку через контактный наконечник электрического контактного блока. Направляющее устройство может быть выполнено из любого материала, совместимого с плазменной дуговой сваркой. В некоторых вариантах осуществления направляющее устройство выполнено из или содержит титан или титановый сплав, содержащий Ti в комбинации с одним или комбинацией элементов Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si и Mn. Например, примеры титановых сплавов включают в себя Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2W-0,5Si, Ti-47Al-2Nb-1Mn-0,5W-0,5Mo-0,2Si и Ti-48Al-2Nb-0,7Cr-0,3Si.The guide device is electrically isolated from the metal wire and a separate electrical contact block supplies electrical current to the metal wire through the contact tip of the electrical contact block. The guide device can be made of any material compatible with plasma arc welding. In some embodiments, the guide device is made of or contains titanium or a titanium alloy containing Ti in combination with one or a combination of the elements Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si, and Mn. For example, examples of titanium alloys include Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti- 47Al-2W-0.5Si, Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si and Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si.

Контактный наконечник выполнен из или содержит медь или медный сплав. Медный сплав может содержать любую медь стандарта ASTM из классов от II до X. Медный сплав может содержать медь в сочетании с любым из следующих элементов: Ag, Al, Be, Во, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn, Zr или их комбинации. Например, контактный наконечник может включать спеченный композит W и Cu или сплав Cu и W. В примерных вариантах осуществления контактный наконечник может иметь изогнутую или полуизогнутую поверхность в месте, где он контактирует с проволокой. Размеры изогнутой или полуизогнутой поверхности могут быть надлежащим образом подобраны для размещения проволоки, подлежащей контактированию. Например, для проволоки диаметром около 1,6 мм, контактный наконечник может иметь изогнутую или вогнутую поверхность, имеющую диаметр приблизительно 1,8 мм. Кроме того, площадь поверхности контактного наконечника может быть достаточно большой, чтобы избежать перегрева, вызванного переносом тока. В примерных вариантах осуществления ширина или толщина контактного наконечника может находиться в диапазоне от приблизительно 1 мм до приблизительно 10 мм.The contact tip is made of or contains copper or a copper alloy. The copper alloy may contain any ASTM grade II to X copper. The copper alloy may contain copper in combination with any of the following elements: Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn, Zr or combinations thereof. For example, the contact tip may include a sintered composite of W and Cu or an alloy of Cu and W. In exemplary embodiments, the contact tip may have a curved or semi-curved surface where it contacts the wire. The dimensions of the curved or semi-curved surface may be appropriately selected to accommodate the wire to be contacted. For example, for a wire with a diameter of about 1.6 mm, the contact tip may have a curved or concave surface having a diameter of about 1.8 mm. In addition, the surface area of the contact tip may be large enough to avoid overheating caused by current transfer. In exemplary embodiments, the contact tip width or thickness may range from about 1 mm to about 10 mm.

Примерный вариант осуществления системы, содержащей узел контактного наконечника, предAn exemplary embodiment of a system comprising a contact tip assembly

- 9 040501 ставленный в настоящем документе, показан на фиг. 12. В примерной системе, изображенной на фиг. 12, узел контактного наконечника включает в себя направляющее устройство 120 и электрический контактный блок 200, расположенный над направляющим устройством 120. Электрический контактный блок 200 содержит сменный контактный наконечник 215 (не показан на фигуре) и электрическое соединение 230 для соединения контактного наконечника 215 с источником питания, например источником питания постоянного тока. Электрический контактный блок 200 может включать в себя узел 210 прижатия контактного наконечника, который может прикладывать направленное вниз давление к опоре 220 контактного наконечника, чтобы прижать контактный наконечник 215 для вхождения в контакт с металлической проволокой 180. Направленное вниз давление для удержания контактного наконечника 215 в контакте с металлической проволокой 180 может быть достигнуто, например, с использованием пружины, гидропривода, пневматических исполнительных элементов, механизированных винтов, моторизованного поршневого узла или любой их комбинации. Когда опора 220 контактного наконечника прижимает контактный наконечник 215 для вхождения в контакт с металлической проволокой 180, электрический контур с РТА-горелкой 600 может быть завершен.- 9 040501 set in this document is shown in FIG. 12. In the exemplary system shown in FIG. 12, the contact tip assembly includes a guide 120 and an electrical contact block 200 positioned above the guide 120. The electrical contact block 200 includes a replaceable contact tip 215 (not shown) and an electrical connection 230 for connecting the contact tip 215 to a power source. such as a DC power supply. Electrical contact block 200 may include a contact tip pressing assembly 210 that can apply downward pressure to contact tip support 220 to press contact tip 215 into contact with metal wire 180. Downward pressure to hold contact tip 215 in contact with metal wire 180 can be achieved, for example, using a spring, a hydraulic actuator, pneumatic actuators, powered propellers, a motorized piston assembly, or any combination thereof. When the contact tip support 220 presses the contact tip 215 to come into contact with the metal wire 180, the electrical circuit with the PTA torch 600 can be completed.

Направляющее устройство 120 и электрический контактный блок 200 показаны соединенными с опорным элементом 300. Направляющее устройство 120 и электрический контактный блок 200 термически изолированы от опорного элемента 300 путем включения теплоизолирующего материала 310 между точками контакта. Опорный элемент 300 показан прикрепленным к раме 500. Следует понимать, что опорный элемент 300 и рама 500 показаны исключительно для иллюстрации. Также могут быть использованы и другие опорные конструкции. Источник 400 подачи металлической проволоки, также электрически изолированный, подает металлическую проволоку 180 к одному концу направляющего устройства 120. Металлическая проволока 180 проходит через направляющее устройство 120 и выходит из другого конца направляющего устройства 120, на котором она расположена в плазменной дуге выше точки осаждения обрабатываемой детали. В представленной в настоящем документе примерной конфигурации имеется одна точка контакта между металлической проволокой и контактным наконечником электрического контактного блока. Это позволяет поддерживать стабильную точку контакта. Это также способствует стабильному предварительному резистивному нагреву металлической проволоки перед вхождением в контакт с дугой и плавлением.Guide 120 and electrical contact block 200 are shown coupled to support member 300. Guide device 120 and electrical contact block 200 are thermally insulated from support member 300 by insulating material 310 between the points of contact. Support member 300 is shown attached to frame 500. It should be understood that support member 300 and frame 500 are shown for illustration purposes only. Other support structures may also be used. A metal wire feed source 400, also electrically isolated, supplies metal wire 180 to one end of guide 120. Metal wire 180 passes through guide 120 and exits the other end of guide 120 where it is located in the plasma arc above the deposition point of the workpiece. . In the exemplary configuration presented herein, there is one point of contact between the metal wire and the contact tip of the electrical contact block. This allows you to maintain a stable point of contact. It also promotes stable preheating of the metal wire before it comes into contact with the arc and melts.

Направляющее устройство 120 может иметь любую форму, если оно выполнено с возможностью приема металлической проволоки 180 и обеспечения возможности прохождения металлической проволоки 180 через направляющее устройство 120 без препятствий. Примерное направляющее устройство 120 показано подробно на фиг. 8-11. Как показано на фиг. 8, направляющее устройство 120 может иметь в целом цилиндрическую форму для размещения металлической проволоки 180, т.е. проволоки по существу с круглым поперечным сечением. Форма внешней части направляющего устройства 120 может иметь поперечное сечение, которое является круглым, овальным, эллиптическим или многоугольным, например квадратным, треугольным, прямоугольным, пятиугольным, шестиугольным, восьмиугольным или любой их комбинацией. На фиг. 6А и 6В поперечное сечение направляющего устройства 120 показано круглым. На фиг. 7А и 7В поперечное сечение направляющего устройства 120 показано в виде квадрата.The guide 120 may be of any shape as long as it is configured to receive the metal wire 180 and allow the metal wire 180 to pass through the guide 120 without obstruction. An exemplary guide 120 is shown in detail in FIG. 8-11. As shown in FIG. 8, guide 120 may have a generally cylindrical shape to accommodate metal wire 180, i.e. wires with a substantially circular cross section. The shape of the outer portion of the guide 120 may have a cross section that is circular, oval, elliptical, or polygonal, such as square, triangular, rectangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, or any combination thereof. In FIG. 6A and 6B, the cross section of the guide 120 is shown circular. In FIG. 7A and 7B, the cross section of the guide 120 is shown as a square.

В примерном варианте осуществления направляющее устройство 120 может охлаждаться текучей средой. Например, направляющее устройство может быть выполнено таким образом, чтобы оно включало в себя внутренний путь потока текучей среды через направляющее устройство. Текучая среда может представлять собой любую подходящую текучую среду, такую как вода, спирт C1-C₅, полиальфаолефин, алкиленгликоль, например этиленгликоль, пропиленгликоль, или их смеси. В некоторых вариантах осуществления охлаждающая текучая среда представляет собой воду, смесь воды и пропиленгликоля или смесь воды и этиленгликоля. Охлаждающая текучая среда может включать в себя добавки, например соли, ингибиторы коррозии, регуляторы рН или их комбинации.In an exemplary embodiment, guide device 120 may be fluid cooled. For example, the guide device may be configured to include an internal fluid flow path through the guide device. The fluid may be any suitable fluid such as water, C1- _C5 alcohol, polyalphaolefin, alkylene glycol, eg ethylene glycol, propylene glycol, or mixtures thereof. In some embodiments, the cooling fluid is water, a mixture of water and propylene glycol, or a mixture of water and ethylene glycol. The cooling fluid may include additives such as salts, corrosion inhibitors, pH adjusters, or combinations thereof.

Направляющее устройство может содержать выступы с внешней поверхности, чтобы выровнять направляющее устройство или чтобы обеспечить возможность крепления направляющего устройства к опоре или к другим элементам. Как показано на фиг. 8, на которой показан вид сбоку направляющего устройства 120, направляющее устройство 120 может включать в себя крепежные выступы 122 и 124 для присоединения направляющего устройства 120 к опорному элементу 300 (как показано на фиг. 12). Крепежные выступы 122 и 124 могут быть выполнены с резьбой для размещения болта или винта, который может быть использован для прикрепления направляющего устройства 120 к опорному элементу 300. Направляющее устройство 120 может содержать выступ 127, который может входить в зацепление с и/или направлять положение электрического контактного блока 200.The guide device may include protrusions from the outer surface to align the guide device or to allow the guide device to be attached to a support or other elements. As shown in FIG. 8, which shows a side view of the guide 120, the guide 120 may include mounting tabs 122 and 124 for attaching the guide 120 to the support member 300 (as shown in FIG. 12). Mounting lugs 122 and 124 may be threaded to receive a bolt or screw that may be used to attach guide 120 to support member 300. Guide 120 may include a ridge 127 that can engage with and/or guide the position of an electrical contact block 200.

Как показано на фиг. 8, направляющее устройство 120 может включать в себя вырезанный участок 115 в верхней части направляющего устройства 120, который может вмещать часть конца электрического контактного блока 200. Вырезанный участок 115 приводит к образованию вырезанной первой стенки 111, которая содержит вырезанное входное отверстие 112, и вырезанной второй стенки 114, которая содержит вырезанное выходное отверстие 113. Металлическая проволока 180 входит в вырезанный участок 115 через вырезанное входное отверстие 112, выходит из вырезанного участка 115 через вырезанное выходное отверстие 113 и в конце концов выходит из направляющего устройства 120 через выAs shown in FIG. 8, the guide 120 may include a cut-out portion 115 at the top of the guide 120 that may receive a portion of the end of the electrical contact block 200. The cut-out portion 115 results in a cut-out first wall 111 that includes a cut-out inlet 112 and a cut-out second wall 114, which contains a cut out outlet 113. The metal wire 180 enters the cut out section 115 through the cut out inlet 112, exits the cut out section 115 through the cut out outlet 113, and finally exits the guide device 120 through the

- 10 040501 ходное отверстие 155.- 10 040501 port 155.

На фиг. 9 показан вид сверху направляющего устройства 120. Как показано на фигуре, направляющее устройство 120 может включать в себя нижнее отверстие 125 под вырезанным участком 115. Нижнее отверстие 125 позволяет любой пыли или частицам металлической проволоки 180 выходить из направляющего устройства 120 до того, как они приблизятся к формируемой детали. Нижнее отверстие 125 может проходить до второго конца 150 направляющего устройства 120, как показано на фиг. 10.In FIG. 9 shows a top view of the guide 120. As shown in the figure, the guide 120 may include a bottom opening 125 below the cutout section 115. The bottom opening 125 allows any dust or metal wire particles 180 to exit the guide 120 before they approach to the part being formed. The bottom opening 125 may extend to the second end 150 of the guide 120 as shown in FIG. 10.

На фиг. 11 показан вид спереди под углом направляющего устройства 120. Этот вид иллюстрирует вариант осуществления, в котором электроизолирующая обшивка 160 проходит от второго конца 150 направляющего устройства 120. Металлическая проволока 180 окружена электроизолирующей обшивкой 160 на некотором протяжении на выходе из направляющего устройства 120 через выходное отверстие 155. Электроизолирующая обшивка 160, проходящая от второго конца 150, не должна полностью окружать металлическую проволоку 180. Например, часть нижнего участка электроизолирующей обшивки 160 может быть удалена. Например, может быть удален сегмент дуги, отмеренный от горизонтального диаметра электроизолирующей обшивки 160 и стягивающий угол от примерно 10° до примерно 180°. Когда электроизолирующая обшивка 160 имеет круглое поперечное сечение, удаление дугового сегмента, стягивающего угол 180°, приводит к полукруглой электроизолирующей обшивке 160, покрывающей верхнюю часть металлической проволоки 180.In FIG. 11 shows an angled front view of the guide 120. This view illustrates an embodiment in which an electrically insulating sheath 160 extends from the second end 150 of the guide 120. The metal wire 180 is surrounded by an electrically insulating sheath 160 for some distance as it exits the guide 120 through the outlet 155 The electrically insulating sheath 160 extending from the second end 150 need not completely surround the metal wire 180. For example, a portion of the bottom portion of the electrically insulating sheath 160 may be removed. For example, an arc segment measured from the horizontal diameter of the electrically insulating sheath 160 and a subtending angle of about 10° to about 180° may be removed. When the electrically insulating sheath 160 has a circular cross section, removing the 180° subtractive arc segment results in a semicircular insulating sheath 160 covering the top of the metal wire 180.

Направляющее устройство может быть электрически изолировано от металлической проволоки с использованием электроизолирующей обшивки, содержащей электроизолирующий материал, пригодный для использования в условиях, которым подвержено направляющее устройство во время сварки. Электроизолирующий материал может представлять собой или содержать электроизолирующую керамику. Такая керамика известна в данной области техники и может включать в себя оксиды или нитриды следующих элементов Al, В, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Се, In, Sn и их комбинации (см., например, US 6344287 (Celik et al., 2002), 4540879 (Haerther et al., 1985) и 7892597 (Hooker et al., 2011)). Электроизолирующий материал может представлять собой или содержать нитрид алюминия, оксид алюминия, нитрид магния, оксид магния, кварц, нитрид кремния, нитрид бора, диоксид циркония и их смеси или их комбинации.The guide may be electrically isolated from the metal wire using an electrically insulating sheath containing an electrically insulating material suitable for use in the conditions to which the guide is subjected during welding. The electrically insulating material may be or comprise an electrically insulating ceramic. Such ceramics are known in the art and may include oxides or nitrides of the following elements Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In, Sn, and combinations thereof (see, for example, US 6344287 (Celik et al., 2002), 4540879 (Haerther et al., 1985) and 7892597 (Hooker et al., 2011)). The electrically insulating material may be or contain aluminum nitride, aluminum oxide, magnesium nitride, magnesium oxide, quartz, silicon nitride, boron nitride, zirconia, and mixtures or combinations thereof.

Электроизолирующая обшивка может быть выполнена так, чтобы она была расположена внутри направляющего устройства. Примерный вариант осуществления показан на фиг. 4А, на которой электроизолирующая обшивка 160 не проходит за конец направляющего устройства 120. Электроизолирующая обшивка может быть выполнена так, чтобы она проходила от одного или от обоих концов направляющего устройства. Примерный вариант осуществления показан на фиг. 5, на которой электроизолирующая обшивка 160 проходит за конец направляющего устройства 120.The electrically insulating sheathing can be made so that it is located inside the guide device. An exemplary embodiment is shown in FIG. 4A, in which the electrically insulating sheath 160 does not extend past the end of the guide 120. The electrically insulating sheath may extend from one or both ends of the guide. An exemplary embodiment is shown in FIG. 5, in which the electrically insulating sheath 160 extends past the end of the guide 120.

Когда имеется вырезанный участок, электроизолирующая обшивка может быть выполнена так, чтобы она могла находится внутри направляющего устройства и не проходила в вырезанный участок или проходила за конец направляющего устройства. Примерный вариант осуществления показан на фиг. 2, на которой электроизолирующая обшивка 160 содержится внутри направляющего устройства 120. В некоторых вариантах осуществления, когда имеется вырезанный участок, электроизолирующая обшивка может быть выполнена таким образом, чтобы она проходила в вырезанный участок, или проходила за конец направляющего устройства, или оба варианта. Примерный вариант осуществления показан на фиг. 3, на котором электроизолирующая обшивка 160 проходит в вырезанный участок 115 и проходит за конец направляющего устройства 120.When there is a cut-out area, the electrically insulating sheathing can be designed so that it can be located inside the guide device and does not extend into the cut-out area or extend beyond the end of the guide device. An exemplary embodiment is shown in FIG. 2, in which the electrically insulating sheath 160 is contained within the guide 120. In some embodiments, when a cutout is present, the electrically insulating sheath may be configured to extend into the cutout, or extend beyond the end of the guide, or both. An exemplary embodiment is shown in FIG. 3, in which the electrically insulating sheath 160 extends into the cut-out portion 115 and extends beyond the end of the guide 120.

Электроизолирующая обшивка может содержать центральный канал, через который может проходить металлическая проволока. Центральный канал обычно имеет форму, при которой он легко вмещает металлическую проволоку. Например, когда металлическая проволока представляет собой проволоку, имеющую круглое поперечное сечение, электроизолирующая обшивка включает в себя центральный канал с круглым поперечным сечением. Центральный канал электроизолирующей обшивки обычно имеет диаметр, который немного больше диаметра металлической проволоки. Это допускает любую неравномерность размера поперечного сечения металлической проволоки, например неравномерность диаметра проволоки. Например, когда металлическая проволока представляет собой металлическую проволоку, диаметр проволоки может иметь определенную неравномерность диаметра и допуск указанной неравномерности может быть использован для определения размера центрального канала электроизолирующей обшивки. Например, размеры центрального канала электроизолирующей обшивки могут быть выбраны такими, чтобы обеспечить размещение в нем диаметра металлической проволоки плюс допуск неравномерности в 0,01 мм.The electrically insulating sheathing may include a central channel through which a metal wire may pass. The central channel is usually shaped so that it easily accommodates the metal wire. For example, when the metal wire is a wire having a circular cross section, the electrically insulating sheath includes a central channel with a circular cross section. The central channel of the electrically insulating sheathing usually has a diameter that is slightly larger than the diameter of the metal wire. This allows for any non-uniformity in the size of the cross section of the metal wire, such as non-uniformity in the diameter of the wire. For example, when the metal wire is a metal wire, the diameter of the wire may have a certain irregularity in diameter, and a tolerance for said irregularity may be used to determine the size of the central channel of the electrically insulating sheath. For example, the dimensions of the central channel of the electrically insulating sheathing may be chosen to accommodate the diameter of the metal wire plus a tolerance of 0.01 mm.

Диаметр металлической проволоки в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения может находиться в диапазоне от примерно 0,8 мм до примерно 5 мм. Металлическая проволока может иметь любой практически реализуемый размер, например 1,0, 1,6, 2,4 мм и т.д. Скорость подачи и расположение металлической проволоки можно регулировать и изменять в соответствии с воздействием источника питания на горелку PAW, чтобы гарантировать, что металлическая проволока непрерывно нагревается и расплавляется, когда она достигает намеченного положения над предварительно нагретой областью базового материала.The diameter of the metal wire in accordance with some embodiments of the present invention may range from about 0.8 mm to about 5 mm. The metal wire may be of any practical size, such as 1.0, 1.6, 2.4 mm, etc. The feed rate and location of the metal wire can be adjusted and changed according to the effect of the power source on the PAW torch to ensure that the metal wire is continuously heated and melted when it reaches its intended position over the preheated area of the base material.

Если электроизолирующая обшивка включает в себя изолирующую керамику вблизи центральногоIf the electrically insulating sheathing includes insulating ceramics near the central

- 11 040501 канала, через который проходит металлическая проволока, изолирующая керамика может включать в себя поверхностную обработку для уменьшения шероховатости поверхности керамики, изолирующей металлическую проволоку. Обработка поверхности может способствовать сведению к минимуму или устранению царапин или задиров металлической проволоки, когда она проходит через электроизолирующую обшивку. Например, поверхность электроизолирующей обшивки может быть обработана так, чтобы она включала в себя полированную поверхность, которая уменьшает силы притяжения, вызывающие трение, между поверхностью обшивки и электродом. Лазерная полирующая обработка может быть использована для уменьшения поверхностных пор, трещин или деформаций на поверхности для уменьшения трения и создания более гладкой изолирующей керамической поверхности. Поверхность электроизолирующей обшивки может быть обработана для создания алмазоподобного углеродного покрытия. Синтетический фторполимер, например политетрафторэтилен (ПТФЭ), может быть нанесен на поверхность электроизолирующей обшивки для уменьшения трения. Поверхностная обработка может способствовать сведению к минимуму образования небольших кусочков металлической проволоки, которые могут образовываться из-за взаимодействия металлической проволоки с шероховатой изолирующей керамической поверхностью. На каждой из фиг. 6А, 6В, 7А и 7В опциональное покрытие 165 показано на поверхности электроизолирующей обшивки 160, обращенной к центральному каналу 130.- 11 040501 channel through which the metal wire passes, the insulating ceramic may include surface treatment to reduce the surface roughness of the ceramic insulating the metal wire. The surface treatment may help to minimize or eliminate scratches or nicks on the metal wire as it passes through the electrically insulating sheath. For example, the surface of the electrically insulating sheath may be treated to include a polished surface that reduces frictional attractive forces between the sheath surface and the electrode. Laser polishing treatment can be used to reduce surface pores, cracks or deformations on the surface to reduce friction and create a smoother insulating ceramic surface. The surface of the electrically insulating sheath may be treated to form a DLC coating. A synthetic fluoropolymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE) may be applied to the surface of the electrically insulating sheath to reduce friction. The surface treatment can help to minimize the formation of small pieces of metal wire, which can be formed due to the interaction of the metal wire with a rough insulating ceramic surface. On each of the FIGS. 6A, 6B, 7A, and 7B, an optional cover 165 is shown on the surface of the electrically insulating sheath 160 facing the center channel 130.

Электроизолирующая обшивка 160 может иметь любую форму при условии, что она имеет центральный канал 130, в который входит металлическая проволока 180, и обеспечивает возможность прохождения металлической проволоки 180 через электроизолирующую обшивку 160. Форма внешней части изолирующей обшивки 160 может иметь поперечное сечение, которое является круглым, овальным, эллиптическим или многоугольным, например квадратным, треугольным, прямоугольным, пятиугольным, шестиугольным или восьмиугольным. Как показано на фиг. 6А и 7В, электроизолирующая обшивка 160 может иметь по существу круглое поперечное сечение с центральным каналом 130, который имеет круглое поперечное сечение. На фиг. 6В и 7А показана электроизолирующая обшивка 160, которая имеет квадратное поперечное сечение с центральным каналом 130, который имеет круглое поперечное сечение.The electrically insulating sheath 160 may be of any shape as long as it has a central channel 130 which receives the metal wire 180 and allows the metal wire 180 to pass through the electrically insulating sheath 160. The shape of the outer portion of the insulating sheath 160 may have a cross section that is round , oval, elliptical, or polygonal, such as square, triangular, rectangular, pentagonal, hexagonal, or octagonal. As shown in FIG. 6A and 7B, electrically insulating sheathing 160 may have a substantially circular cross section with a central channel 130 that has a circular cross section. In FIG. 6B and 7A show an electrically insulating sheath 160 that has a square cross section with a central channel 130 that has a circular cross section.

Электрический контактный блок содержит сменный контактный наконечник, который входит в контакт с металлической проволокой. Как обсуждалось ранее, контактный наконечник может иметь изогнутую или полуизогнутую поверхность с размерами, подходящими для размещения проволоки. Кроме того, площадь поверхности контактного наконечника может быть достаточно большой, чтобы избежать перегрева, вызванного переносом тока. В примерных вариантах осуществления ширина или толщина контактного наконечника может находиться в диапазоне от около 1 мм до около 10 мм. Контактный наконечник электрически соединяет металлическую проволоку с источником питания постоянного тока. Электрическое соединение может быть выполнено таким образом, чтобы образовывать контур, который соединяет источник питания, электрод горелки РТА и металлическую проволоку (через сменный контактный наконечник). Когда металлическая проволока входит в дугу горелки РТА, струя плазмы, включающая электрическую дугу, подает высококонцентрированный поток тепла к небольшой площади поверхности металлической проволоки. Горелка РТА может иметь электрод, выполненный из вольфрама, и сопло, выполненное из меди или медного сплава. Однако изобретение не связано с каким-либо конкретным выбором или типом горелки РТА. Можно использовать любое известное или мыслимое устройство, способное функционировать в качестве горелки РТА. Кроме того, изобретение может быть реализовано с использованием горелки PAW, которая не является горелкой РТА.The electrical contact block contains a replaceable contact tip that comes into contact with a metal wire. As previously discussed, the contact tip may have a curved or semi-curved surface with dimensions suitable for the placement of the wire. In addition, the surface area of the contact tip may be large enough to avoid overheating caused by current transfer. In exemplary embodiments, the contact tip width or thickness may range from about 1 mm to about 10 mm. The contact tip electrically connects the metal wire to a DC power source. The electrical connection may be made in such a way as to form a loop that connects the power source, the PTA burner electrode and the metal wire (via a replaceable contact tip). When a metal wire enters the arc of a PTA torch, the plasma jet, which turns on the electric arc, delivers a highly concentrated heat flux to a small surface area of the metal wire. The PTA burner may have an electrode made of tungsten and a nozzle made of copper or a copper alloy. However, the invention is not related to any particular choice or type of PTA burner. Any known or conceivable device capable of functioning as a PTA burner can be used. In addition, the invention can be carried out using a PAW burner that is not a PTA burner.

В предложенных способах сварка посредством плавления металлической проволоки, нагретой электрической дугой (дуговая сварка металлическим электродом в газе или GMAW, от англ. gas metal arc welding), в частности с использованием нереакционноспособных газов для получения дуги (сварка металлическим электродом в инертном газе или MIG-сварка, от англ. metal inert gas welding), используется при изготовлении твердой произвольной формы металлического объекта. В этих способах металлическую проволоку вынуждают плавиться в плазме, произведенной горелкой с использованием электрической дуги, и плавящуюся металлическую проволоку осаждают на обрабатываемую деталь для добавления и формирования металлических тел, имеющих форму, приближенную к чистовой.In the proposed methods, welding by melting a metal wire heated by an electric arc (metal arc welding in gas or GMAW, from the English gas metal arc welding), in particular using non-reactive gases to produce an arc (metal electrode welding in inert gas or MIG- welding, from the English metal inert gas welding), is used in the manufacture of a solid arbitrary shape of a metal object. In these methods, a metal wire is forced to melt in a plasma produced by a torch using an electric arc, and the melting metal wire is deposited on a workpiece to add and form metal bodies having a near-finish shape.

Электроизолирующий материал также может быть использован для изоляции электрического контактного блока от дуги горелки РТА. Электроизолирующий материал может быть расположен у выходного отверстия направляющего устройства металлической проволоки так, чтобы он выступал на некоторое расстояние от выходного отверстия. Длина электроизолирующего материала, выступающего из выходного отверстия, может составлять от 0,1 до 10 мм, или примерно от 0,5 до 5 мм, или примерно 1 мм.An electrically insulating material may also be used to isolate the electrical contact block from the arc of the PTA torch. The electrically insulating material may be positioned at the outlet of the metal wire guide so that it protrudes some distance from the outlet. The length of the electrically insulating material protruding from the outlet may be 0.1 to 10 mm, or about 0.5 to 5 mm, or about 1 mm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический контактный блок может быть расположен внутри вырезанного участка направляющего устройства для металлической проволоки, а направляющее устройство может включать в себя электроизолирующий материал, который расположен у выходного отверстия направляющего устройства. Примерный вариант осуществления показан на фиг. 8, на котором показан вырезанный участок 115 направляющего устройства 120 для приема электрического контактного блока 200, и электроизолирующий материал 160, выступающий за конец направляющего устройства 120.In some embodiments of the invention, an electrical contact block may be located within a cutout portion of the metal wire guide, and the guide may include electrically insulating material that is located at the outlet of the guide. An exemplary embodiment is shown in FIG. 8, which shows a cut-out portion 115 of the guide device 120 for receiving the electrical contact block 200, and electrical insulating material 160 protruding beyond the end of the guide device 120.

Электроизолирующий материал может включать в себя любой материал, пригодный для использоThe electrically insulating material may include any material suitable for use.

- 12 040501 вания при температурах, близких к температуре плазменной дуги. Электроизолирующий материал может представлять собой или содержать электроизолирующую керамику. Виды такой керамики известны в данной области техники и могут включать в себя оксиды или нитриды следующих элементов: Al, В, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In, Sn и их комбинации (см., например, US 6344287 (Celik et al., 2002), 4540879 (Haerther et al., 1985) и 7892597 (Hooker et al., 2011)). Электроизолирующий материал может представлять собой или содержать нитрид алюминия, оксид алюминия, нитрид магния, оксид магния, кварц, нитрид кремния, нитрид бора, диоксид циркония и их смеси или их комбинации.- 12 040501 at temperatures close to the temperature of the plasma arc. The electrically insulating material may be or comprise an electrically insulating ceramic. Types of such ceramics are known in the art and may include oxides or nitrides of the following elements: Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In, Sn and combinations thereof (see, for example, US 6344287 ( Celik et al., 2002), 4540879 (Haerther et al., 1985) and 7892597 (Hooker et al., 2011)). The electrically insulating material may be or contain aluminum nitride, aluminum oxide, magnesium nitride, magnesium oxide, quartz, silicon nitride, boron nitride, zirconia, and mixtures or combinations thereof.

Контактный наконечник в электрическом контактном блоке содержит медь или медный сплав. Контактные наконечники коммерчески доступны (например, от компании Brouwer Metaal b.v.), и изобретение не ограничено каким-либо конкретным типом контактного наконечника. Контактный наконечник может быть прикреплен к цилиндрической опоре в электрическом контактном блоке. В некоторых вариантах осуществления контактный наконечник термически изолирован от цилиндрической опоры с использованием промежуточного теплоизолирующего материала. Любой теплоизолирующий материал, который может выдерживать температуры, которым может быть подвергнут контактный наконечник, подходит для использования в электрическом контактном блоке. Примером теплоизолирующего материала является керамика, которая также может быть выбрана электроизолирующей, что минимизирует или предотвращает перенос электрического тока от контактного наконечника к электрическому контактному блоку. Любой из описанных выше типов керамики может быть использован для создания соответствующего фитинга для крепления контактного наконечника к цилиндрической опоре внутри электрического контактного блока.The contact tip in the electrical contact block contains copper or a copper alloy. Contact tips are commercially available (eg from Brouwer Metaal b.v.) and the invention is not limited to any particular type of contact tip. The contact tip may be attached to a cylindrical support in an electrical contact block. In some embodiments, the contact tip is thermally insulated from the cylindrical support using an intermediate thermal insulating material. Any heat insulating material that can withstand the temperatures to which the contact tip may be subjected is suitable for use in an electrical contact block. An example of a thermally insulating material is ceramic, which can also be chosen to be electrically insulating, which minimizes or prevents the transfer of electrical current from the contact tip to the electrical contact block. Any of the types of ceramics described above can be used to create a suitable fitting for attaching a contact tip to a cylindrical support inside an electrical contact block.

Контактный наконечник в электрическом контактном блоке поддерживается в контакте с металлической проволокой для обеспечения подачи постоянного тока к металлической проволоке и замкнутому контуру, содержащему источник питания, металлическую проволоку и целевую область. В некоторых вариантах осуществления контактный наконечник удерживается в контакте с металлической проволокой посредством узла прижатия контактного наконечника. Узел прижатия контактного наконечника может быть частью электрического контактного блока или может быть отдельным элементом. Как схематично показано на фиг. 6А, узел 210 прижатия контактного наконечника может оказывать направленное вниз давление на опору 220 контактного наконечника для прижатия контактного наконечника 215 с введением в контакт с металлической проволокой 180. Направленное вниз давление для удержания контактного наконечника 215 в контакте с металлической проволокой 180 может быть достигнуто путем использования, например, пружины, гидропривода, механизированных винтов или моторизованного поршневого узла. Когда используется пружина, пружина может быть выбрана таким образом, чтобы прикладывать силу соответствующей величины, причем сила должна быть не настолько велика, чтобы контактный наконечник 215 царапал металлическую проволоку 180, но достаточно велика для поддержания контакта между контактным наконечником 215 и металлической проволокой 180. В зависимости от выбранной конфигурации пружина, например пружина сжатия, с жесткостью пружины от приблизительно 0,001 до приблизительно 10 Н/м может быть использована для прижатия контактного наконечника 215 вниз к металлической проволоке 180.The contact tip in the electrical contact block is maintained in contact with the metal wire to provide direct current to the metal wire and a closed circuit containing the power source, the metal wire and the target area. In some embodiments, the contact tip is held in contact with the metal wire by a contact tip pressure assembly. The contact tip pressure assembly may be part of the electrical contact block or may be a separate element. As shown schematically in FIG. 6A, the contact tip pressing assembly 210 may exert downward pressure on the contact tip support 220 to press the contact tip 215 into contact with the metal wire 180. The downward pressure to hold the contact tip 215 in contact with the metal wire 180 can be achieved by using , for example, springs, hydraulic drive, mechanized propellers or motorized piston assembly. When a spring is used, the spring may be selected to apply an appropriate amount of force, the force being not so great that the contact tip 215 scratches the metal wire 180, but strong enough to maintain contact between the contact tip 215 and the metal wire 180. B depending on the selected configuration, a spring, such as a compression spring, with a spring rate of from about 0.001 to about 10 N/m can be used to press the contact tip 215 down against the metal wire 180.

В некоторых вариантах осуществления контактный наконечник удерживается в контакте с металлической проволокой посредством узла прижатия проволоки. Как схематично показано на фиг. 9, узел 190 прижатия проволоки может прикладывать направленное вверх давление к металлической проволоке 180, когда она проходит над узлом 190 прижатия проволоки, для прижатия металлической проволоки 180 с вхождением в контакт с контактным наконечником 215. Направленное вверх давление для удержания металлической проволоки 180 в контакте с контактным наконечником 215 может быть достигнуто, например, с использованием штифта, рычага или зажима, например L-образного зажима, прикрепленного к пружине, гидроприводу, механизированным винтам или моторизованному поршневому узлу. Штифт или зажим контактируют с металлической проволокой и проталкивают металлическую проволоку вверх для приведения ее в контакт с контактным наконечником. Направленная вверх сила может быть обеспечена пружиной, гидроприводом, механизированными винтами или моторизованным поршневым узлом или их комбинациями. Усилие, необходимое для прижатия металлической проволоки с вхождением в контакт с контактным наконечником, может быть выбрано соответствующей величины, причем усилие должно быть не настолько велико, чтобы контактный наконечник 180 или узел 190 прижатия проволоки царапали металлическую проволоку, но достаточно велико, чтобы поддерживать непрерывный контакт между контактным наконечником 215 и металлической проволокой 180. В зависимости от выбранной конфигурации, для прижатия узла 190 прижатия проволоки к контактному наконечнику 215 может быть использована отдельно или в комбинации пружина, например пружина сжатия, с жесткостью пружины от приблизительно 0,001 до приблизительно 10 Н/м. В некоторых вариантах осуществления используется комбинация узла прижатия контактного наконечника для прижатия контактного наконечника вниз и узла прижатия проволоки для прижатия металлической проволоки вверх. Альтернативно узел прижатия контактного наконечника прижимает вверх, а узел прижатия проволоки прижимает металлическую проволоку вниз. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения узел контактного наконечника не прижимает и проволока контактирует с контактным наконечником только с помощью узлаIn some embodiments, the contact tip is held in contact with the metal wire by a wire pressure assembly. As shown schematically in FIG. 9, the wire pressing unit 190 may apply upward pressure to the metal wire 180 as it passes over the wire pressing unit 190 to press the metal wire 180 into contact with the contact tip 215. The upward pressure to hold the metal wire 180 in contact with the contact tip 215 can be achieved, for example, using a pin, lever, or clamp, such as an L-shaped clamp, attached to a spring, hydraulic actuator, power screws, or a motorized piston assembly. The pin or clip contacts the metal wire and pushes the metal wire upward to bring it into contact with the contact tip. The upward force may be provided by a spring, a hydraulic actuator, powered propellers, or a motorized piston assembly, or combinations thereof. The force required to press the metal wire into contact with the contact tip can be chosen to be appropriate, and the force should not be so great that the contact tip 180 or the wire pressing assembly 190 scratches the metal wire, but high enough to maintain continuous contact. between contact tip 215 and metal wire 180. Depending on the selected configuration, a spring, such as a compression spring, with a spring constant of about 0.001 to about 10 N/m can be used to press the wire pressure assembly 190 against the contact tip 215. . In some embodiments, a combination of a contact tip pressure assembly is used to press the contact tip down and a wire pressure assembly to press the metal wire up. Alternatively, the contact tip pressing unit presses upward and the wire pressing unit presses the metal wire down. In alternative embodiments of the present invention, the contact tip assembly does not press and the wire contacts the contact tip only with the help of the contact tip assembly.

- 13 040501 прижатия металлической проволоки. Альтернативно узел прижатия металлической проволоки не используется и контактный наконечник прижимается к проволоке с помощью узла контактного наконечника. В еще одном альтернативном варианте осуществления давление не приложено ни к металлической проволоке, ни к контактному наконечнику.- 13 040501 pressing the metal wire. Alternatively, the metal wire pressure assembly is not used and the contact tip is pressed against the wire by the contact tip assembly. In yet another alternative embodiment, no pressure is applied to either the metal wire or the contact tip.

Узел прижатия проволоки может включать в себя изолирующий наконечник на его поверхности, который взаимодействует и входит в контакт с металлической проволокой. На фиг. 4А опциональный изолирующий наконечник 195 показан на поверхности узла 190 прижатия проволоки, причем с металлической проволокой контактирует указанный изолирующий наконечник 195. Изолирующий наконечник может быть изготовлен из любого материала, совместимого со средой и температурой, которым может быть подвержен контактный наконечник. Например, изолирующий наконечник на узле прижатия проволоки может представлять собой или содержать электроизолирующую керамику. Примеры вариантов керамики включают в себя оксиды или нитриды следующих элементов Al, В, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In, Sn и их комбинации. Электроизолирующий материал может представлять собой или содержать нитрид алюминия, оксид алюминия, нитрид магния, оксид магния, кварц, нитрид кремния, нитрид бора, диоксид циркония и их смеси или их комбинации.The wire pressure assembly may include an insulating tip on its surface that interacts with and comes into contact with the metal wire. In FIG. 4A, an optional insulating lug 195 is shown on the surface of the wire pressure assembly 190 with said insulating lug 195 in contact with the metal wire. For example, the insulating lug on the wire pressure assembly may be or comprise an electrically insulating ceramic. Examples of ceramic variants include oxides or nitrides of the following elements Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In, Sn, and combinations thereof. The electrically insulating material may be or contain aluminum nitride, aluminum oxide, magnesium nitride, magnesium oxide, quartz, silicon nitride, boron nitride, zirconia, and mixtures or combinations thereof.

С. Примеры.C. Examples.

Следующие примеры включены только для иллюстративных целей и не подразумевают ограничения объема вариантов осуществления, представленных в настоящей заявке.The following examples are included for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the embodiments presented herein.

Первый примерный вариант осуществления.First Exemplary Embodiment.

Первый примерный вариант осуществления узла контактного наконечника схематично показан на фиг. 1А и 1В. Как показано на фигурах, узел контактного наконечника включает в себя направляющее устройство 120, имеющее продольную центральную ось А-А', первый конец 140, противоположный второй конец 150 и линейный центральный канал 130, проходящий вдоль продольной центральной оси направляющего устройства 120 от его первого конца 140 до его второго конца 150. Также имеется электроизолирующая обшивка 160 внутри центрального канала 130, электроизолирующая обшивка 160 проходит по меньшей мере от первого конца 140 до второго конца 150 направляющего устройства 120. Электроизолирующая обшивка 160 содержит направляющий канал 170, имеющий входное отверстие 145 на первом конце 140 и выходное отверстие 155 на втором конце 150 и проходящий через линейную электроизолирующую обшивку 160 вдоль продольной центральной оси А-А'. Электроизолирующая обшивка 160 направляет металлическую проволоку 180, проходящую через линейный цилиндрический направляющий канал 170, через центральный канал 130 от входного отверстия 145 в направлении выходного отверстия 155 и далее из него. Узел контактного наконечника также включает в себя электрический контактный блок 200, содержащий контактный наконечник 215, находящийся в электрическом контакте с источником электрической энергии, причем электрический контактный блок 200 находится на некотором расстоянии от выходного отверстия 155. Узел контактного наконечника также включает в себя узел 210 прижатия контактного элемента для прижатия контактного наконечника 215 электрического контактного блока 200 к металлической проволоке 180. Как показано на фиг. 1В, нижняя часть направляющего устройства 120 включает в себя нижнее отверстие 125, которое позволяет пыли или кусочкам проволоки покинуть направляющее устройство 120 до того, как они приблизятся к формируемой детали. В примерном варианте осуществления изобретения направляющее устройство 120 выполнено из сплава Ti-6Al-4V, контактный наконечник 215 представляет собой W/Cu-композит, а узел прижатия контактного наконечника включает в себя пружину сжатия.A first exemplary embodiment of a contact tip assembly is shown schematically in FIG. 1A and 1B. As shown in the figures, the contact tip assembly includes a guide 120 having a longitudinal center axis A-A', a first end 140, an opposing second end 150, and a linear central channel 130 extending along the longitudinal center axis of the guide 120 from its first end. 140 to its second end 150. There is also an electrically insulating lining 160 within the central channel 130, the electrically insulating lining 160 extending from at least the first end 140 to the second end 150 of the guide device 120. The electrically insulating lining 160 includes a guide channel 170 having an inlet 145 on the first end 140 and an outlet 155 at the second end 150 and extending through the linear electrically insulating sheath 160 along the longitudinal central axis A-A'. The electrically insulating sheath 160 guides the metal wire 180 passing through the linear cylindrical guide channel 170 through the central channel 130 from the inlet 145 towards the outlet 155 and out of it. The contact tip assembly also includes an electrical contact block 200 having a contact tip 215 in electrical contact with a source of electrical energy, with the electrical contact block 200 spaced from the outlet 155. The contact tip assembly also includes a pressing assembly 210 contact member for pressing the contact tip 215 of the electrical contact block 200 against the metal wire 180. As shown in FIG. 1B, the bottom of the guide 120 includes a bottom opening 125 that allows dust or pieces of wire to leave the guide 120 before they approach the part being formed. In an exemplary embodiment of the invention, guide 120 is made of Ti-6Al-4V alloy, contact tip 215 is a W/Cu composite, and the contact tip pressure assembly includes a compression spring.

При использовании металлическая проволока 180 представляет собой проволоку, изготовленную из сплава Ti-6Al-4V, которая непрерывно подается устройством подачи проволоки, входит во входное отверстие 145 и проходит сквозь направляющее устройство 120 по направляющему каналу 170. Контактный наконечник 215 соединен с помощью изоляторного соединителя 240, который представляет собой керамику, с опорой 220 контактного наконечника, и прижимается вниз к металлической проволоке 180 с помощью усилия пружины сжатия в узле 210 прижатия контактного наконечника. Металлическая проволока выходит из направляющего устройства 120 через выходное отверстие 155 и располагается так, чтобы ее дистальный конец располагался над предварительно нагретой областью в области осаждения на базовом материале. Металлическую проволоку нагревают до температуры плавления дистального конца таким образом, чтобы капли расплавленного электрода непрерывно подавались в предварительно нагретую область базового материала. В некоторых вариантах осуществления капли расплавленного электрода непрерывно подаются в ванну расплава на базовом материале.In use, the metal wire 180 is a wire made of Ti-6Al-4V alloy, which is continuously fed by the wire feeder, enters the inlet 145, and passes through the guide 120 along the guide channel 170. The contact tip 215 is connected by an insulator connector 240 , which is ceramic, with a contact tip support 220, and is pressed down against the metal wire 180 by the force of the compression spring in the contact tip pressing assembly 210 . The metal wire exits the guide 120 through the outlet 155 and is positioned with its distal end over the preheated area in the deposition area on the base material. The metal wire is heated to the melting temperature of the distal end so that drops of molten electrode are continuously supplied to the preheated region of the base material. In some embodiments, droplets of molten electrode are continuously fed into the molten bath on the base material.

В примерных вариантах осуществления плазменная наплавляющая дуга формируется с помощью горелки РТА, которая электрически соединена с источником питания постоянного тока таким образом, что электрод горелки РТА становится катодом, а металлическая проволока становится анодом. Плазменная наплавляющая дуга является непрерывной и предназначена для нагрева и плавления дистального конца металлической проволоки. Воздействие источника питания постоянного тока регулируют для поддержания скорости нагрева и плавления в соответствии со скоростью подачи проволоки таким образом, что образование капель расплавленной металлической проволоки в этом примере проволоки из сплава Ti-6Al-4V осуществляется с учетом времени для поддержания непрерывного стекания каплями расплав- 14 040501 ленной проволоки на предварительно нагретую поверхность базового материала или в ванну расплава на базовом материале. Воздействие источника питания постоянного тока и скорость подачи проволоки постоянно отслеживают и регулируют с помощью системы управления таким образом, что в предварительно нагретую область базового материала или в ванну расплава базового материала подают расплавленную проволоку со скоростью, обеспечивающей заданную скорость осаждения сплава Ti-6Al-4V.In exemplary embodiments, the plasma welding arc is formed with a PTA torch that is electrically connected to a DC power source such that the PTA torch electrode becomes the cathode and the metal wire becomes the anode. The plasma welding arc is continuous and is designed to heat and melt the distal end of the metal wire. The effect of the DC power supply is controlled to maintain the heating and melting rate in accordance with the wire feed speed so that the formation of droplets of molten metal wire in this example of Ti-6Al-4V alloy wire is carried out taking into account the time to maintain continuous dripping of melt droplets. 040501 bare wire onto the preheated surface of the base material or into the molten bath on the base material. The effect of the DC power supply and the wire feed speed are constantly monitored and adjusted by the control system so that the preheated area of the base material or the base material molten pool is fed with molten wire at a speed that provides a given deposition rate of the Ti-6Al-4V alloy.

Система управления (например, автоматизированная (компьютеризированная) система производства) может быть одновременно вовлечена в управление и регулирование зацепления одного или нескольких исполнительных механизмов (не показаны), которые постоянно позиционируют и перемещают базовый материал и одну или несколько горелок PAW или РТА, так чтобы расположить их в намеченном пятне осаждения, заданном с помощью модели САПР подлежащего созданию объекта. Система управления также может быть вовлечена в управление любым исполнительным элементом, управляющим предварительным подогревом горелки PAW или РТА, так чтобы предварительно нагретая область базового материала или ванна расплава в базовом материале представляли собой место, где должен быть осажден расплавленный металлический материал.A control system (for example, an automated (computerized) production system) may be simultaneously involved in controlling and adjusting the engagement of one or more actuators (not shown) that constantly position and move the base material and one or more PAW or PTA burners so as to position them in the intended deposition spot specified using the CAD model of the object to be created. The control system may also be involved in controlling any actuator that controls the preheating of the PAW or PTA torch such that the preheated area of the base material or molten pool in the base material is where the molten metal material is to be deposited.

Система управления, используемая в примерных вариантах осуществления изобретения, описанных в данном документе, может обеспечить частичную или полную автоматизацию устройства осаждения. Система управления может включать в себя компьютерный процессор или центральное процессорное устройство (ЦПУ), дисплей ЦПУ, один или более источников питания, соединения источников питания, сигнальные модули в качестве входов и/или выходов, интегрированное экранирующее устройство аналоговых сигналов, запоминающие устройства, печатные платы, микросхемы памяти или другие средства хранения, долговременный машиночитаемый носитель данных, имеющий машиночитаемую программу, встроенную в него, или любую их комбинацию. Машиночитаемая программа может содержать соответствующее программное обеспечение для автоматизации любой одной системы или комбинации систем. Примеры управляющих модулей включают в себя, но не ограничиваются ими, SIMATIC-S7-1500 фирмы Siemens AG (Мюнхен, Германия), систему IndraMotion МТХ фирмы Bosch Rexroth AG (Лор-на-Майне, Германия) и компактную промышленную компьютерную систему SIGMATEK C-IPC фирмы SIGMATEK GmbH&Со KG (Лампрехтсхаузен, Австрия).The control system used in the exemplary embodiments of the invention described herein may provide partial or complete automation of the deposition device. The control system may include a computer processor or central processing unit (CPU), a CPU display, one or more power supplies, power supply connections, signal modules as inputs and/or outputs, an integrated analog signal shield, memory devices, circuit boards , memory chips or other storage media, a durable computer-readable storage medium having a computer-readable program embedded therein, or any combination thereof. The computer-readable program may comprise appropriate software for automating any one system or combination of systems. Examples of control modules include, but are not limited to, the SIMATIC-S7-1500 from Siemens AG (Munich, Germany), the IndraMotion MTX system from Bosch Rexroth AG (Lohr am Main, Germany) and the compact industrial computer system SIGMATEK C- IPC company SIGMATEK GmbH&Co KG (Lamprechtshausen, Austria).

Второй примерный вариант осуществления.Second Exemplary Embodiment.

Второй примерный вариант осуществления узла контактного наконечника схематично показан на фиг. 4А и 4В. Как показано на фигурах, узел контактного наконечника включает в себя направляющее устройство 120, имеющее продольную центральную ось А-А', первый конец 140, противоположный второй конец 150 и линейный центральный канал 130, проходящий вдоль продольной центральной оси направляющего устройства 120 от его первого конца 140 до его второго конца 150. Также имеется электроизолирующая обшивка 160 внутри центрального канала 130, электроизолирующая обшивка 160 проходит по меньшей мере от первого конца 140 до второго конца 150 направляющего устройства 120. Электроизолирующая обшивка 160 содержит направляющий канал 170, имеющий входное отверстие 145 на первом конце 140 и выходное отверстие 155 на втором конце 150 и проходящий через линейную электроизолирующую обшивку 160 вдоль продольной центральной оси А-А'. Электроизолирующая обшивка 160 направляет металлическую проволоку 180, проходящую через линейный цилиндрический направляющий канал 170, через центральный канал 130 от входного отверстия 145 в сторону выходного отверстия 155 и далее из него. Узел контактного наконечника также включает в себя электрический контактный блок 200, содержащий контактный наконечник 215, находящийся в электрическом контакте с источником электрической энергии, причем электрический контактный блок 200 находится на некотором расстоянии от выходного отверстия 155. Узел контактного наконечника также включает в себя узел 190 прижатия проволоки для прижатия металлической проволоки 180 с вхождением в контакт с контактным наконечником 115 электрического контактного блока 200. В примерном варианте осуществления узел 190 прижатия проволоки имеет изолирующий наконечник 195, представляющий собой керамику. Узел 190 прижатия проволоки включает в себя пружину, которая удерживает изолирующий наконечник 195 в контакте с металлической проволокой 180.A second exemplary embodiment of the contact tip assembly is shown schematically in FIG. 4A and 4B. As shown in the figures, the contact tip assembly includes a guide 120 having a longitudinal center axis A-A', a first end 140, an opposing second end 150, and a linear central channel 130 extending along the longitudinal center axis of the guide 120 from its first end. 140 to its second end 150. There is also an electrically insulating lining 160 within the central channel 130, the electrically insulating lining 160 extending from at least the first end 140 to the second end 150 of the guide device 120. The electrically insulating lining 160 includes a guide channel 170 having an inlet 145 on the first end 140 and an outlet 155 at the second end 150 and extending through the linear electrically insulating sheath 160 along the longitudinal central axis A-A'. The electrically insulating sheath 160 guides the metal wire 180 passing through the linear cylindrical guide channel 170 through the central channel 130 from the inlet 145 towards the outlet 155 and out of it. The contact tip assembly also includes an electrical contact block 200 having a contact tip 215 in electrical contact with a source of electrical energy, the electrical contact block 200 being spaced from the outlet 155. The contact tip assembly also includes a pressing assembly 190 wire to press the metal wire 180 into contact with the contact tip 115 of the electrical contact block 200. In an exemplary embodiment, the wire press assembly 190 has an insulating tip 195 that is ceramic. The wire pressure assembly 190 includes a spring that holds the insulating lug 195 in contact with the metal wire 180.

При использовании металлическая проволока 180 представляет собой проволоку, изготовленную из сплава Ti-6Al-4V, которая непрерывно подается устройством подачи проволоки, входит во входное отверстие 145 и проходит сквозь направляющее устройство 120 по направляющему каналу 170. Контактный наконечник 215 соединен с помощью изоляторного соединителя 240, который представляет собой керамику, с опорой 220 контактного наконечника, которая находится в фиксированном положении. Металлическая проволока 180 прижимается к контактному наконечнику 215 с помощью усилия пружины сжатия в узле 190 прижатия проволоки. Металлическая проволока выходит из направляющего устройства 120 через выходное отверстие 155 и после прохождения над узлом 190 прижатия проволоки располагается так, чтобы ее дистальный конец располагался над предварительно нагретой областью базового материала в области осаждения на базовом материале. Металлическую проволоку нагревают до температуры плавления дистального конца таким образом, чтобы капли расплавленного электрода непрерывно подавались в предварительно нагретую область на базовом материале.In use, the metal wire 180 is a wire made of Ti-6Al-4V alloy, which is continuously fed by the wire feeder, enters the inlet 145, and passes through the guide 120 along the guide channel 170. The contact tip 215 is connected by an insulator connector 240 , which is ceramic, with a contact tip support 220 that is in a fixed position. The metal wire 180 is pressed against the contact tip 215 by the force of the compression spring in the wire pressing unit 190 . The metal wire exits the guide 120 through the outlet 155 and, after passing over the wire pressing unit 190, is positioned so that its distal end is positioned over the preheated area of the base material in the area of deposition on the base material. The metal wire is heated to the melting temperature of the distal end so that drops of molten electrode are continuously supplied to the preheated area on the base material.

Плазменная наплавляющая дуга формируется с помощью горелки РТА, которая электрически соThe plasma welding arc is formed by a PTA torch, which is electrically

- 15 040501 единена с источником питания постоянного тока таким образом, что электрод горелки РТА становится катодом, а металлическая проволока становится анодом. Плазменная наплавляющая дуга является непрерывной и предназначена для нагрева и плавления дистального конца металлической проволоки. Воздействие источника питания постоянного тока регулируют для поддержания скорости нагрева и плавления в соответствии со скоростью подачи проволоки таким образом, что образование капель расплавленной металлической проволоки в этом примере проволоки из сплава Ti-6Al-4V осуществляется с учетом времени для поддержания непрерывного стекания каплями расплавленной проволоки на предварительно нагретую область базового материала. Воздействие источника питания постоянного тока и скорость подачи проволоки постоянно отслеживают и регулируют с помощью системы управления таким образом, что в предварительно нагретую область базового материала подают расплавленную проволоку со скоростью, обеспечивающей заданную скорость осаждения сплава Ti-6Al-4V. Система управления одновременно вовлечена в управление и регулирование зацепления исполнительного механизма (не показан), который постоянно позиционирует и перемещает базовый материал, так чтобы предварительно нагретая область базового материала для приема расплавленного металла располагалась в намеченном пятне осаждения, заданном с помощью модели САПР подлежащего созданию объекта.- 15 040501 connected to a DC power supply so that the PTA burner electrode becomes the cathode and the metal wire becomes the anode. The plasma welding arc is continuous and is designed to heat and melt the distal end of the metal wire. The effect of the DC power supply is adjusted to maintain the heating and melting rate in accordance with the wire feed speed so that the formation of droplets of molten metal wire in this example of Ti-6Al-4V alloy wire is carried out taking into account the time to maintain continuous dripping of droplets of molten wire on preheated area of the base material. The effect of the DC power supply and the wire feed speed are constantly monitored and adjusted by the control system so that the preheated area of the base material is fed with molten wire at a speed that provides a given deposition rate of the Ti-6Al-4V alloy. The control system is simultaneously involved in controlling and adjusting the engagement of an actuator (not shown) that constantly positions and moves the base material so that the preheated area of the base material to receive the molten metal is located in the intended deposition spot defined by the CAD model of the object to be created.

Для специалистов в данной области техники очевидно, что в настоящем изобретении могут быть сделаны различные модификации и изменения, не выходящие за пределы объема изобретения. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение охватывает модификации и изменения данного изобретения при условии, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.Those skilled in the art will appreciate that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is intended to cover modifications and variations of the present invention provided that they fall within the scope of the appended claims and their equivalents.

Список ссылочных обозначений.List of reference designations.

Нижеследующее представляет собой перечень ссылочных обозначений, используемых в описании и сопроводительных чертежах.The following is a list of reference symbols used in the description and accompanying drawings.

А-А' - Продольная центральная ось.A-A' - Longitudinal central axis.

В-В' - Вертикальная ось.В-В' - Vertical axis.

100 - Узел контактного наконечника.100 - Contact tip assembly.

110 - Дистальное расширение.110 - Distal expansion.

111 - Вырезанная первая стенка.111 - Carved first wall.

112 - Вырезанное входное отверстие.112 - Carved inlet.

113 - Вырезанное выходное отверстие.113 - Cut out outlet.

114 - Вырезанная вторая стенка.114 - Carved second wall.

115 - Вырезанный участок.115 - Cut out area.

120 - Направляющее устройство.120 - Guide device.

122 - Крепежный выступ 1.122 - Mounting lug 1.

124 - Крепежный выступ 2.124 - Mounting lug 2.

125 - Нижнее отверстие.125 - Bottom hole.

127 - Выступ.127 - Ledge.

130 - Центральный канал.130 - Central channel.

140 - Первый конец.140 - First end.

145 - Входное отверстие.145 - Inlet.

150 - Второй конец.150 - Second end.

155 - Выходное отверстие.155 - Outlet.

160 - Электроизолирующая обшивка.160 - Electrically insulating lining.

165 - Покрытие.165 - Coating.

170 - Направляющий канал.170 - Guide channel.

180 - Металлическая проволока.180 - Metal wire.

190 - Узел прижатия проволоки.190 - Wire clamping unit.

195 - Изолирующий наконечник.195 - Insulating tip.

200 - Электрический контактный блок.200 - Electrical contact block.

210 - Узел прижатия контактного наконечника.210 - Contact tip pressing unit.

215 - Контактный наконечник.215 - Contact tip.

220 - Опора контактного наконечника.220 - Contact tip support.

230 - Электрическое соединение.230 - Electrical connection.

240 - Опциональный изоляторный соединитель.240 - Optional insulator connector.

300 - Опорный элемент.300 - Support element.

310 - Теплоизолирующий материал.310 - Heat insulating material.

400 - Источник подачи металлической проволоки.400 - Metal wire supply source.

500 - Рама.500 - Frame.

600 - Горелка PAW.600 - PAW burner.

--

Claims (16)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Узел контактного наконечника и горелки с плазменной наплавляющей дугой (горелки РТА), предназначенный для сварки металлическим электродом в инертном газе (MIG-сварки), содержащий направляющее устройство, имеющее продольную центральную ось, первый конец, противоположный второй конец и центральный канал, проходящий вдоль продольной центральной оси направляющего устройства от его первого конца до его второго конца, через который предусмотрена возможность подачи металлической проволоки;1. A contact tip assembly and a plasma welding arc torch (PTA torch) designed for metal inert gas welding (MIG welding), comprising a guide device having a longitudinal central axis, a first end, an opposite second end, and a central channel extending along the longitudinal central axis of the guide device from its first end to its second end, through which it is possible to feed a metal wire; электроизолирующую обшивку, расположенную внутри центрального канала и проходящую по меньшей мере от первого конца ко второму концу направляющего устройства; и электрический контактный блок, содержащий контактный наконечник, находящийся в электрическом контакте с источником электрической энергии, причем электрический контактный блок выполнен с возможностью приведения металлической проволоки в контакт с контактным наконечником за вторым концом направляющего устройства, причем узел контактного наконечника и горелки расположен так, что после прохождения металлической проволоки через направляющее устройство и приведения ее в контакт с контактным наконечником металлическая проволока оказывается расположенной в плазменной дуге горелки с плазменной наплавляющей дугой над точкой осаждения обрабатываемой детали, причем контактный наконечник является отдельным от направляющего устройства, при этом контактный наконечник пространственно изолирован от горелки с плазменной наплавляющей дугой.an electrically insulating casing located inside the central channel and extending at least from the first end to the second end of the guide device; and an electrical contact block comprising a contact tip in electrical contact with a source of electrical energy, the electrical contact block being configured to bring the metal wire into contact with the contact tip behind the second end of the guide device, the contact tip and torch assembly being positioned such that after passing the metal wire through the guide device and bringing it into contact with the contact tip, the metal wire is located in the plasma arc of the plasma welding arc torch above the deposition point of the workpiece, and the contact tip is separate from the guide device, while the contact tip is spatially isolated from the torch with plasma welding arc. 2. Узел по п.1, дополнительно содержащий узел прижатия проволоки для прижатия металлической проволоки с образованием контакта с контактным наконечником электрического контактного блока.2. The assembly of claim 1, further comprising a wire pressing assembly for pressing the metal wire into contact with the contact tip of the electrical contact block. 3. Узел по любому из пп.1, 2, дополнительно содержащий узел прижатия контактного блока для прижатия контактного наконечника электрического контактного блока к металлической проволоке.3. An assembly according to any one of claims 1, 2, further comprising a contact block pressure assembly for pressing the contact tip of the electrical contact block against the metal wire. 4. Узел по п.1, дополнительно содержащий узел прижатия проволоки и узел прижатия контактного блока.4. The assembly according to claim 1, further comprising a wire pressure assembly and a contact block pressure assembly. 5. Узел по любому из пп.1-4, в котором электроизолирующая обшивка содержит направляющий канал, имеющий входное отверстие на первом конце и выходное отверстие на втором конце и проходящий через электроизолирующую обшивку вдоль продольной центральной оси, и выполнена с возможностью направления металлической проволоки, проходящей через направляющий канал, от входного отверстия к выходному отверстию и далее из выходного отверстия.5. An assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrically insulating sheathing comprises a guide channel having an inlet at the first end and an outlet at the second end and passing through the electrically insulating sheathing along a longitudinal central axis, and is configured to guide the metal wire, passing through the guide channel, from the inlet to the outlet and further out of the outlet. 6. Узел по любому из пп.1-5, в котором электрический контактный блок расположен на расстоянии от выходного отверстия.6. An assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrical contact block is located at a distance from the outlet. 7. Узел по любому из пп.1-6, дополнительно содержащий нижнее отверстие в нижней части направляющего устройства.7. An assembly according to any one of claims 1 to 6 further comprising a bottom opening in the bottom of the guide device. 8. Узел по п.7, в котором нижнее отверстие проходит до второго конца.8. The assembly of claim 7, wherein the bottom opening extends to the second end. 9. Узел по любому из пп.1-8, в котором направляющее устройство выполнено из или содержит Ti, или сплав Ti, или композит, содержащий Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Та, V, W, Zr или их комбинации.9. An assembly according to any one of claims 1 to 8, wherein the guiding device is made of or contains Ti, or a Ti alloy, or a composite containing Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, V, W, Zr, or combinations thereof. 10. Узел по любому из пп.1-9, в котором контактный наконечник выполнен из или содержит электропроводящий металл, или металлический сплав, или композит, содержащий только Cu или в комбинации с W.10. An assembly according to any one of claims 1 to 9, wherein the contact tip is made of or contains an electrically conductive metal, or a metal alloy, or a composite containing only Cu or in combination with W. 11. Узел по п.5, дополнительно содержащий покрытие на поверхности электроизолирующей обшивки, которая образует направляющий канал.11. The assembly of claim 5, further comprising a coating on the surface of the electrically insulating sheathing which forms the guide channel. 12. Узел по п.2 или 4, дополнительно содержащий изолирующий наконечник на поверхности узла прижатия проволоки, который входит в контакт с металлической проволокой.12. The assembly according to claim 2 or 4, further comprising an insulating lug on the surface of the wire pressure assembly that comes into contact with the metal wire. 13. Узел по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что электрический контактный блок содержит электрическое соединение, которое соединяет контактный наконечник с источником питания; и изоляторный соединитель, который соединяет контактный наконечник с опорой контактного наконечника.13. The node according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the electrical contact block contains an electrical connection that connects the contact tip to a power source; and an insulating connector that connects the contact tip to the contact tip support. 14. Узел по любому из пп.1-13, дополнительно содержащий вырезанный участок, который обнажает металлическую проволоку для контактного наконечника электрического контактного блока.14. An assembly according to any one of claims 1 to 13, further comprising a cut-out portion that exposes a metal wire for the contact tip of the electrical contact block. 15. Узел по любому из пп.1-14, дополнительно содержащий опорный элемент, к которому для опоры может быть присоединено направляющее устройство и электрический контактный блок;15. The node according to any one of claims 1 to 14, further comprising a support element, to which a guide device and an electrical contact block can be attached for support; источник подачи металлической проволоки; и раму, к которой может быть прикреплен опорный элемент.metal wire feed source; and a frame to which the support member can be attached. 16. Узел по п.15, в котором присутствует теплоизолирующий материал между опорным элементом и направляющим устройством;16. The node according to claim 15, in which there is a heat-insulating material between the support element and the guide device; опорным элементом и электрическим контактным блоком; иsupport element and electrical contact block; And --