本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電弧填絲增材制造方法及裝置。

背景技術(shù)：

增材制造技術(shù)是上世紀(jì)八十年代興起并得到迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興制造技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)鑄、鍛需模具成形毛坯后再切削加工的減材制造，增材制造是無模具的直接快速成形技術(shù)，基于“離散-堆積”原理，根據(jù)零件CAD模型，通過材料逐層累加的方式直接制造出實(shí)體零件。增材制造技術(shù)引領(lǐng)“設(shè)計(jì)/制造/材料”三位一體模式的發(fā)展，順應(yīng)了新技術(shù)革命的發(fā)展趨勢(shì)，帶動(dòng)制造業(yè)由傳統(tǒng)大規(guī)模、批量生產(chǎn)的模式向個(gè)性化、定制化、小批量生產(chǎn)的模式轉(zhuǎn)型。單件小批量金屬結(jié)構(gòu)零部件的增材制造在新型號(hào)樣機(jī)的研發(fā)制造過程具有重要意義，能夠極大地縮短新機(jī)試制與研制的周期。

目前，主要采用基于激光或電子束增材制造工藝完成一些小尺寸航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件的增材制造過程。受限于激光或電子束增材制造的高成本等因素，其發(fā)展與應(yīng)用推廣受到較大的限制。相比而言，電弧填絲增材制造技術(shù)在大尺寸航空構(gòu)件的制造過程中具有更大的優(yōu)勢(shì)。電弧填絲增材制造技術(shù)作為金屬零件直接成形的典型工藝之一，其利用電弧熱源熔化填充絲材材料，在無模具的情況下直接由CAD模型逐層堆積形成金屬實(shí)體零件。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)制造技術(shù)需要模具以及工序復(fù)雜等問題，具有沉積效率高、成形尺寸大、設(shè)備簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量全密度金屬零件經(jīng)濟(jì)、快速的成形方法。

高強(qiáng)鋁合金因其具有高的比強(qiáng)度、比模量和良好的斷裂韌性、抗疲勞、耐腐蝕等性能，自20世紀(jì)30年代以來被用作商業(yè)飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，是航空業(yè)廣泛使用的材料。目前在增材制造方法方面，由于鋁合金粉末密度小、易氧化，從而導(dǎo)致在激光增材制造過程中極易產(chǎn)生大量氣孔等嚴(yán)重缺陷，難以滿足航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋁合金零部件的質(zhì)量要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電弧填絲增材制造方法及裝置，用以解決現(xiàn)有技術(shù)在增材制造過程中容易產(chǎn)生大量氣孔，導(dǎo)致生產(chǎn)的零部件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的技術(shù)問題。

本發(fā)明一方面提供一種電弧填絲增材制造裝置，包括：相互連接的控制模塊、制作模塊和電源模塊，其中，控制模塊用于控制制作模塊動(dòng)作，以制作產(chǎn)品，并且控制電源模塊提供電流；電源模塊用于在控制模塊的控制下向制作模塊輸出復(fù)合超音頻脈沖電流，以為制作模塊提供熱源。

進(jìn)一步的，制作模塊包括送絲子模塊和用于根據(jù)電弧放電所產(chǎn)生的熱量將送絲子模塊提供的焊絲熔化的焊槍，其中，焊槍與電源模塊和控制模塊相連，送絲子模塊與控制模塊相連，用于在控制模塊的控制下為焊槍提供焊絲。

進(jìn)一步的，還包括用于放置制作模塊制作的產(chǎn)品的載物模塊。

進(jìn)一步的，制作模塊還包括用于提供保護(hù)氣體以防止熔化的焊絲被氧化的保護(hù)氣模塊。

進(jìn)一步的，復(fù)合超音頻脈沖電流由快速變換變極性方波電流與超音頻脈沖電流疊加而成。

進(jìn)一步的，復(fù)合超音頻脈沖電流的電流沿變換速率大于50A/μs。

進(jìn)一步的，載物模塊為能夠配合焊槍移動(dòng)的變位機(jī)工作臺(tái)。

進(jìn)一步的，保護(hù)氣體為氬氣或者氦氣。

本發(fā)明另一方面提供一種根據(jù)上述電弧填絲增材制造裝置進(jìn)行產(chǎn)品制作的電弧填絲增材制造方法，包括：

步驟101，控制模塊繪制產(chǎn)品的三維模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行分層切片處理，以獲得各層截面的二維輪廓；

步驟102，獲取某層截面的二維輪廓，控制模塊根據(jù)該層截面的二維輪廓，獲取產(chǎn)品制作過程的運(yùn)動(dòng)軌跡；

步驟103，控制模塊控制電源模塊向制作模塊輸出復(fù)合超音頻脈沖電流，為制作模塊制作產(chǎn)品提供熱源；

步驟104，控制模塊控制制作模塊按照運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行動(dòng)作，以完成截面的制作；

步驟105，重復(fù)步驟102至步驟104，直到所有層截面制作完成為止。

進(jìn)一步的，步驟104具體包括：

控制模塊控制送絲子模塊向焊槍提供焊絲，其中，制作模塊包括送絲子模塊和焊槍；

焊槍獲取電源模塊提供的復(fù)合超音頻脈沖電流，并根據(jù)電弧放電所產(chǎn)生的熱量將送絲子模塊提供的焊絲熔化；

控制模塊控制焊槍按照運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)，在移動(dòng)過程中，焊槍不斷的將送絲子模塊提供的焊絲熔化，以完成產(chǎn)品的當(dāng)前層截面的制作。

本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造方法及裝置，加入復(fù)合超音頻脈沖對(duì)GTAW電弧有顯著調(diào)制作用，電弧收縮顯著，電弧力大幅提高，可使沉積層熔透率提高，減小沉積層側(cè)表面粗糙度，且電弧超聲效應(yīng)可引起熔池液態(tài)金屬受迫振動(dòng)，使液態(tài)金屬流動(dòng)呈現(xiàn)雙環(huán)流模式，有助于清除氣孔缺陷，細(xì)化晶粒，提高構(gòu)件(即產(chǎn)品)組織性能。

附圖說明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1為本發(fā)明提供的增材制造方法的工作原理圖；

圖2為本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造裝置的一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的復(fù)合超音頻脈沖電流具體波形圖；

圖4為本發(fā)明提供的采用復(fù)合超音頻脈沖GTAW電弧與常規(guī)GTAW電弧效果對(duì)比示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造裝置的另一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造裝置具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造方法的流程示意圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例繪制。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明提供的增材制造方法的工作原理圖，首先，利用繪圖軟件(如三維CAD軟件)在計(jì)算機(jī)上繪出所需構(gòu)件的三維模型(如圖1中的(a)所示)，并由切片軟件對(duì)所建模型(即圖1中的(b)所示)進(jìn)行分層切片處理，得到各層截面的二維輪廓(如(c)所示)；其次，對(duì)這些二維輪廓的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，利用編程技術(shù)，生成焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡代碼；最后，采用電弧填絲增材制造的方法，如(d)所示，A為鎢極，設(shè)置于焊槍上，C為焊絲，B為電弧，用于將焊絲熔化，利用電弧熔化焊絲的方式進(jìn)行逐層堆積焊接，形成各個(gè)截面輪廓。每層截面堆積完成后，由焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)焊槍提升一定的高度d，d為每層截面的厚度，進(jìn)而進(jìn)行下一層截面的堆積。如此往復(fù)，直至完成整個(gè)結(jié)構(gòu)件的增材制造。圖1中S₁為第一層截面，S₂為第二層截面，S_n表示最后一層截面，焊槍需要從第一層截面開始往上制作，在整個(gè)制作的過程中，基板起到支撐作用。

圖2為本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖2所示，本實(shí)施例提供一種電弧填絲增材制造裝置，包括：相互連接的控制模塊1、制作模塊2和電源模塊3，其中，控制模塊1用于控制制作模塊2動(dòng)作，以制作產(chǎn)品，并且控制電源模塊3提供電流；電源模塊3用于在控制模塊1的控制下向制作模塊2輸出復(fù)合超音頻脈沖電流，以為制作模塊2提供熱源。

其中，復(fù)合超音頻脈沖電流在快速變換變極性方波電流基礎(chǔ)上疊加超音頻脈沖，可實(shí)現(xiàn)超過50A/μs的電流沿變換速率，其復(fù)合超音頻脈沖電流頻率I_c為0～80kHz可調(diào)，復(fù)合超音頻脈沖電流幅值I_c為0～100A可調(diào)，快速變換變極性方波電流頻率為0.1-500Hz可調(diào)，復(fù)合超音頻脈沖電流具體波形請(qǐng)參考圖3。

在本實(shí)施例中，加入復(fù)合超音頻脈沖對(duì)氣體保護(hù)鎢極電弧焊(Gas Tungsten Arc Weld，簡(jiǎn)稱GTAW)電弧有顯著調(diào)制作用，電弧收縮顯著，電弧力大幅提高，可使沉積層熔透率提高，減小沉積層側(cè)表面粗糙度，且電弧超聲效應(yīng)可引起熔池液態(tài)金屬受迫振動(dòng)，使液態(tài)金屬流動(dòng)呈現(xiàn)雙環(huán)流模式，有助于減少氣孔缺陷，細(xì)化晶粒組織，提高構(gòu)件(即產(chǎn)品)性能。進(jìn)一步的，大功率超音頻脈沖方波GTAW電弧十分適合用于高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)件的增材制造過程。

如圖4所示，圖4為在本發(fā)明實(shí)施例提供的復(fù)合超音頻脈沖GTAW電弧與常規(guī)GTAW電弧作用下的電弧形態(tài)、熔池流動(dòng)特征及沉積層成形特征對(duì)比示意圖，其中，左側(cè)為常規(guī)GTAW電弧，右側(cè)為復(fù)合超音頻脈沖GTAW電弧。從圖4中可看出，復(fù)合超音頻脈沖GTAW電弧收縮顯著，液態(tài)金屬流動(dòng)呈現(xiàn)雙環(huán)流模式，沉積層側(cè)表面粗糙度更小(W₂>W₁)。

如圖2所示，在本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，制作模塊2包括送絲子模塊21和用于根據(jù)電弧放電所產(chǎn)生的熱量將送絲子模塊21提供的焊絲熔化的焊槍22，其中，焊槍22與電源模塊3和控制模塊1相連，送絲子模塊21與控制模塊1相連，用于在控制模塊1的控制下為焊槍22提供焊絲。

圖5為本發(fā)明提供的電弧填絲增材制造裝置的另一結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)參圖2、圖5，在本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，上述裝置還包括用于放置制作模塊2制作的產(chǎn)品的載物模塊4。載物模塊4為能夠配合焊槍22移動(dòng)的變位機(jī)工作臺(tái)。變位機(jī)工作臺(tái)可配合焊槍22變換一定的工位，保證增材制造的柔性，同時(shí)克服帶動(dòng)焊槍22移動(dòng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)范圍的局限，增大構(gòu)件可制造尺寸。

在本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，制作模塊2還包括用于提供保護(hù)氣體以防止熔化的焊絲被氧化的保護(hù)氣模塊23。保護(hù)氣體為氬氣或者氦氣，為電弧提供必要的保護(hù)環(huán)境，防止產(chǎn)品(如鋁合金構(gòu)件)在電弧作用期間被氧化，進(jìn)一步避免氣孔缺陷。

在本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，如圖6所示，焊槍22和送絲子模塊21設(shè)置于機(jī)器人4a上，6a為送絲裝置中的絲盤，9a為焊槍22的鎢極，5a為保護(hù)氣模塊23中的氣瓶，用于存儲(chǔ)保護(hù)氣體，1a為電源模塊3，2a為變位機(jī)工作臺(tái)，用于放置制作的產(chǎn)品，3a為控制柜，控制柜3a與變位機(jī)工作臺(tái)2a和機(jī)器人4a連接，可對(duì)變位機(jī)工作臺(tái)2a和機(jī)器人4a進(jìn)行控制，以移動(dòng)他們的位置。遙控盒8a與機(jī)器人4a連接，用于對(duì)機(jī)器人4a的動(dòng)作進(jìn)行控制。遙控盒8a與計(jì)算機(jī)7a均屬于控制模塊1。本實(shí)施例提供的設(shè)備簡(jiǎn)單，投入費(fèi)用低，采用電源模塊1a、機(jī)器人4a、變位機(jī)工作臺(tái)2a等裝置即可集成制造平臺(tái)，且增材制造過程對(duì)環(huán)境要求較低，無需真空室(由氣瓶5a在電弧焊接過程中提供保護(hù)氣)，變位機(jī)工作臺(tái)2a可變換一定的工位，使在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡范圍內(nèi)，該集成制造平臺(tái)進(jìn)一步適合大尺寸結(jié)構(gòu)件的制造。進(jìn)一步的，機(jī)器人4a有多臺(tái)，控制柜3a可以協(xié)同多臺(tái)機(jī)器人4a工作，增加制造效率。

如圖7所示，本發(fā)明還提供根據(jù)上述電弧填絲增材制造裝置進(jìn)行產(chǎn)品制作的一種電弧填絲增材制造方法，包括：

步驟101，控制模塊繪制產(chǎn)品的三維模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行分層切片處理，以獲得各層截面的二維輪廓。控制模塊包括計(jì)算機(jī)或其他能夠繪制三維模型并進(jìn)行切片處理的智能設(shè)備。

步驟102，控制模塊根據(jù)二維輪廓，獲取產(chǎn)品制作過程的運(yùn)動(dòng)軌跡。

步驟103，控制模塊控制電源模塊向制作模塊輸出復(fù)合超音頻脈沖電流，為制作模塊制作產(chǎn)品提供熱源。復(fù)合超音頻脈沖電流在快速變換變極性方波電流基礎(chǔ)上疊加超音頻脈沖，可實(shí)現(xiàn)超過50A/μs的電流沿變換速率。

步驟104，控制模塊控制制作模塊按照運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行動(dòng)作，以完成與二維輪廓對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品該截面的制作。

步驟105，每層截面制作完成后，控制模塊控制焊槍進(jìn)行下一層截面的制作，如此往復(fù)，直至整個(gè)產(chǎn)品制作完成。如控制模塊控制制作模塊按照運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行動(dòng)作，依次完成圖1中第一層截面S₁，第二層截面S₂，直至第n層截面S_n的制作。

在本實(shí)施例中，加入復(fù)合超音頻脈沖對(duì)氣體保護(hù)鎢極電弧焊(Gas Tungsten Arc Weld，簡(jiǎn)稱GTAW)電弧有顯著調(diào)制作用，電弧收縮顯著，電弧力大幅提高，可使沉積層熔透率提高，減小沉積層側(cè)表面粗糙度，且電弧超聲效應(yīng)可引起熔池液態(tài)金屬受迫振動(dòng)，使液態(tài)金屬流動(dòng)呈現(xiàn)雙環(huán)流模式，有助于減少氣孔缺陷，細(xì)化晶粒，提高構(gòu)件組織性能。

在本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，步驟104具體包括：控制模塊控制送絲子模塊向焊槍提供焊絲，其中，制作模塊包括送絲子模塊和焊槍；焊槍獲取電源模塊提供的復(fù)合超音頻脈沖電流，并根據(jù)電弧放電所產(chǎn)生的熱量將送絲子模塊提供的焊絲熔化；控制模塊控制焊槍按照運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)，在移動(dòng)過程中，焊槍不斷的將送絲子模塊提供的焊絲熔化，以完成與二維輪廓對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品該截面的制作。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個(gè)實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。