[发明专利]一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置

说明书

一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置，属于先进制造技术领域，解决丝材电弧增材制造时样品尺寸精度及表面质量差，热输入受限、成形效率不高的问题。装置包括成形模具、连接杆、伸长杆、支架、辅助夹具及其连接用螺栓螺母。成形模具安装于连接杆上，连接杆与伸长杆通过螺栓轴、螺母连接，并可绕螺栓轴相对转动，伸长杆穿过支架竖直杆底部孔并利用螺母夹紧固定，支架固定于焊枪上。增材制造过程中始终保持成形模具成形面与熔池金属接触，约束并冷却熔池金属，使熔池金属在模具约束下连续微熔铸凝固成形，从而实现丝材电弧熔铸增材制造，提高样品的尺寸精度和表面质量，并且电弧线能量不再因熔池流淌而受限，从而可提高成形效率。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，提供一种实现丝材电弧熔铸增材制造的装置，用于零件及模具的丝材电弧增材制造，提高样品尺寸精度及表面质量，并提高成形效率。

背景技术

丝材电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing， WAAM) 以非熔化极、熔化极或等离子弧等电弧作热源，通过不断熔化丝材逐层堆积成形，具有成形尺寸大、设备简单、成本低、材料利用率和沉积效率高等优势，熔覆率可达50~130g/min，是生产中大型零件的实用方法，已成为可实现高质量金属零件经济快速成形的方法之一。

各种电弧焊方法如TIG（钨极氩弧焊）、GMAW（金属极气体保护焊）、PTA（等离子弧堆焊），微束等离子弧都已用于增材制造技术。TIG焊比GMAW具有较低的能量输入、不易飞溅，组织形貌稳定性高，因此在WAAM中得到了较多的应用。但TIG焊时因电弧、焊丝的非同轴特征，在成形路径复杂多变时，送丝方向与焊枪运动方向的相位关系的保持依赖于行走机构，增大了成形、控制系统的复杂性。GMAW方法虽然热输入较高，但是成形速率更快，而且以焊丝作为电极，弧、丝具有同轴性，成形位置的可达性更好。特别是继Fronius公司开发出冷金属过渡(CMT)技术后，克服了常规GMAW的诸多弊端，CMT技术在WAAM成形领域展现出独特的优势。

但WAAM电弧熔池体积较大，冷态原材料、电弧吹力、电源特性等扰动因素的存在，使得熔池成为一个不稳定的系统，这限制了热输入的提高，且焊道表面形状不均匀，零件精度及表面质量较差。成形过程中熔池体积及形状的稳定是保证成形精度的基础，其影响因素不但取决于焊接热输入，还与熔池散热条件有关，增材制造过程中随着高度的增加，散热条件发生很大变化，特别是对于单道多层薄壁样品更加明显。散热条件变差导致熔池温度升高，金属液流动性、铺展能力增强，发生金属流淌现象，引起弧长等工艺参数的波动。为了保持熔池的稳定，应采取措施保持熔池散热条件的一致，或者相应调整工艺参数以减小热输入，生产中常采用的措施是保持一定的层间温度，随样品高度的增加适当减小热输入。由于成形过程样品尺寸不断变化，并且热量不断累积，保持熔池散热条件的一致十分困难，而减小热输入又会引起层高的变化，导致层高的不均匀性，并且保持层间温度和降低热输入都降低了熔覆沉积效率。

华中科技大学的张海鸥等人发明了一种用于零件或模具的增量制造方法及一种用于增材制造的变胞成形装置，在熔积成形的同时利用旋转压头对软化半凝固区或已凝固区进行旋转压缩加工，提高成形精度和产品质量，其旋转压头主要是对凝固后或凝固中的金属进行压缩，以保证尺寸精度及表现质量，旋转压头需要采用加压机构，所需装置结构复杂。

本发明针对传统丝材电弧增材制造技术存在的以上问题，设计一种装置，利用固定于焊枪上的结构简单的侧面强制成形模具约束熔池金属形状，实现熔池金属的微熔铸，保证成形过程中焊道宽度的一致性，从而保证熔池尺寸及工艺参数的稳定，并且通过对模具水冷，加强对熔池的冷却，减小冷却条件的变化，保证组织性能的均匀性。

发明内容