[发明专利]电弧填丝增材制造方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种电弧填丝增材制造方法及装置。

背景技术

增材制造技术是上世纪八十年代兴起并得到迅速发展的一项新兴制造技术。区别于传统铸、锻需模具成形毛坯后再切削加工的减材制造，增材制造是无模具的直接快速成形技术，基于“离散-堆积”原理，根据零件CAD模型，通过材料逐层累加的方式直接制造出实体零件。增材制造技术引领“设计/制造/材料”三位一体模式的发展，顺应了新技术革命的发展趋势，带动制造业由传统大规模、批量生产的模式向个性化、定制化、小批量生产的模式转型。单件小批量金属结构零部件的增材制造在新型号样机的研发制造过程具有重要意义，能够极大地缩短新机试制与研制的周期。

目前，主要采用基于激光或电子束增材制造工艺完成一些小尺寸航空关键结构零部件的增材制造过程。受限于激光或电子束增材制造的高成本等因素，其发展与应用推广受到较大的限制。相比而言，电弧填丝增材制造技术在大尺寸航空构件的制造过程中具有更大的优势。电弧填丝增材制造技术作为金属零件直接成形的典型工艺之一，其利用电弧热源熔化填充丝材材料，在无模具的情况下直接由CAD模型逐层堆积形成金属实体零件。该技术克服了传统制造技术需要模具以及工序复杂等问题，具有沉积效率高、成形尺寸大、设备简单、制造成本低等优势，是实现高质量全密度金属零件经济、快速的成形方法。

高强铝合金因其具有高的比强度、比模量和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀等性能，自20世纪30年代以来被用作商业飞机的主要结构材料，是航空业广泛使用的材料。目前在增材制造方法方面，由于铝合金粉末密度小、易氧化，从而导致在激光增材制造过程中极易产生大量气孔等严重缺陷，难以满足航空关键结构高强铝合金零部件的质量要求。

发明内容

本发明提供一种电弧填丝增材制造方法及装置，用以解决现有技术在增材制造过程中容易产生大量气孔，导致生产的零部件质量不达标的技术问题。

本发明一方面提供一种电弧填丝增材制造装置，包括：相互连接的控制模块、制作模块和电源模块，其中，控制模块用于控制制作模块动作，以制作产品，并且控制电源模块提供电流；电源模块用于在控制模块的控制下向制作模块输出复合超音频脉冲电流，以为制作模块提供热源。

进一步的，制作模块包括送丝子模块和用于根据电弧放电所产生的热量将送丝子模块提供的焊丝熔化的焊枪，其中，焊枪与电源模块和控制模块相连，送丝子模块与控制模块相连，用于在控制模块的控制下为焊枪提供焊丝。

进一步的，还包括用于放置制作模块制作的产品的载物模块。

进一步的，制作模块还包括用于提供保护气体以防止熔化的焊丝被氧化的保护气模块。

进一步的，复合超音频脉冲电流由快速变换变极性方波电流与超音频脉冲电流叠加而成。

进一步的，复合超音频脉冲电流的电流沿变换速率大于50A/μs。

进一步的，载物模块为能够配合焊枪移动的变位机工作台。

进一步的，保护气体为氩气或者氦气。

本发明另一方面提供一种根据上述电弧填丝增材制造装置进行产品制作的电弧填丝增材制造方法，包括：

步骤101，控制模块绘制产品的三维模型，并对三维模型进行分层切片处理，以获得各层截面的二维轮廓；

步骤102，获取某层截面的二维轮廓，控制模块根据该层截面的二维轮廓，获取产品制作过程的运动轨迹；

步骤103，控制模块控制电源模块向制作模块输出复合超音频脉冲电流，为制作模块制作产品提供热源；

步骤104，控制模块控制制作模块按照运动轨迹进行动作，以完成截面的制作；

步骤105，重复步骤102至步骤104，直到所有层截面制作完成为止。

进一步的，步骤104具体包括：

控制模块控制送丝子模块向焊枪提供焊丝，其中，制作模块包括送丝子模块和焊枪；

焊枪获取电源模块提供的复合超音频脉冲电流，并根据电弧放电所产生的热量将送丝子模块提供的焊丝熔化；

控制模块控制焊枪按照运动轨迹移动，在移动过程中，焊枪不断的将送丝子模块提供的焊丝熔化，以完成产品的当前层截面的制作。

本发明提供的电弧填丝增材制造方法及装置，加入复合超音频脉冲对GTAW电弧有显著调制作用，电弧收缩显著，电弧力大幅提高，可使沉积层熔透率提高，减小沉积层侧表面粗糙度，且电弧超声效应可引起熔池液态金属受迫振动，使液态金属流动呈现双环流模式，有助于清除气孔缺陷，细化晶粒，提高构件(即产品)组织性能。