[发明专利]一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法，通过监控过程将温度值转换为电信号实时反馈给控制系统，控制系统将设定温度与实时温度比对，当实时温度低于工件调节目标值时，等离子电弧移动至低温区域进行加热，可有效降低由于大型构件温度打印过程中温度分布不均造成的打印件变形和开裂问题；本发明方法设备利用率高、灵活性强，减少了辅助部件的设置；本方法工艺操作简单、可实施性强，以金属丝材为原材料，热源熔融金属丝材持续形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成构造过程，这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。

技术领域

本发明涉及金属焊接及增材制造领域，具体涉及一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术被广泛用在模具制造、工业设计等领域，现正逐渐用于一些产品的直接制造，特别是一些高价值的应用(比如髋关节或牙齿和一些飞机零部件)。金属零部件增材制造方法主要有激光选区熔化(SLM)、激光同轴送粉直接制造、电子束熔丝成形(EBAM)、电子束选区熔化成形(EBM)等方法。这几种方法都不同程度存在着局限性，例如激光选区熔化、电子束选区熔化成型技术由于原材料粉末成本较高，且受成型仓尺寸限制只能制造一些小尺度零件。电子束/激光熔丝增材成型技术受技术门槛和设备造价的限制，也很难得到广泛的应用。因此电弧熔丝增材成型技术因其成熟的、已商业化的热源设备，较低的技术门槛，制造产品尺寸不受限，较高的成型效率等优势近几年受到极大关注，成为制造低成本、大尺度构件的突破口。其中等离子电弧由于自身压缩电弧优势所具有高的能量密度，可熔融制造各种难熔金属材料。在航空航天、原子能零部件制造中有广阔的应用空间。

虽然等离子电弧熔丝成型技术在成型速度快、工艺较简单方面较其他几种存在优势。但等离子电弧熔丝制造过程中由于为热源逐点熔融丝材，靠近熔融点温度高远离熔融点温度低，这样导致构件温度分布不均匀，从而造成各处的膨胀和收缩变形差异大。在进行焊接或增材制造时，构件由于上述原因产生的极大应力，会导致构件的变形甚至开裂。

为避免以上提及的温度极度不均问题，工程应用中通常所用的方法为焊前预热及焊后缓冷方式。即在工件底部增设加热装置，补充未焊接熔融点或已完成焊接但远离熔融点位置温度过低的问题。这种方式可降低温度分布不均匀的问题，但存在加热装置通常尺寸受限且灵活性不足，不适合大型构件的制造。以金属丝材为原材料，热源熔融金属丝材持续形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成构造过程。这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子电弧熔丝增材制造装置及方法，以克服现有技术的不足，本发明利用率高、灵活性强，减少了辅助部件的设置，进一步提高等离子弧熔丝增材制造技术的自动化程度和过程控制精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种等离子电弧熔丝增材制造装置，包括控制系统以及与控制系统连接的运动执行机构、测温装置、焊枪、送丝机构、工作平台和等离子弧发生器；焊枪固定于运动执行机构端部，测温装置固定于工作平台待成型区一侧，焊枪连接于等离子弧发生器，送丝机构安装于运动执行机构上，送丝机构的出丝嘴位于焊枪热源下端，控制系统用于控制等离子弧发生器为焊接提供电流、电压及控制运动执行机构运动路径。

进一步的，所述运动执行机构采用机械臂或机床，用于携带送丝机构和焊枪根据设置的规划路径运动。

进一步的，所述送丝机构包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴，所述出丝嘴位于用于熔融金属丝材的热源下方。

进一步的，所述测温装置用于测量工件多点位置温度，所述测温装置为非接触式测温装置，均匀分布在温度均匀且能代表成型件温度的区域。

进一步的，所述焊枪为一台或两台，分别或同时作为熔融金属丝材的电弧装置和工件加热装置。