[发明专利]一种双面交替TOPTIG冷丝增材制造系统及制造方法

说明书

一种双面交替TOPTIG冷丝增材制造系统及制造方法，采用TOPTIG焊电弧作为热源，熔化高强钢、不锈钢、铝合金等丝材，通过变位机翻转动作，实现成形基板两面金属的交替逐层堆覆，一次完成关于基板对称或不对称的两个成形件的制造加工。本发明可有效解决MIG电弧增材成形精度差、缺陷多，传统TIG电弧增材焊枪灵活性欠佳，单面增材成形基板变形严重等问题，大幅提高了增材成形件的尺寸精度、质量可靠性和生产效率，利于实现自动化。

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种双面交替TOPTIG冷丝增材制造系统及制造方法。

背景技术

增材制造是一种现代理念的先进加工制造方法，是一种近净成形技术，当前的研究和应用主要集中于激光增材与电弧增材。激光增材的特点是成形件尺寸控制精确，但缺点是成形速度较慢，不适用于加工中大型构件，且设备成本较高。电弧增材是以电弧为热源，根据规划路径进行逐层堆覆，设备简单，堆覆效率高，是一种低成本的金属增材制造方法，更适用于大型构件的加工制造，但成形精度差是其主要劣势。

根据前文，电弧增材制造实际上是一种逐层堆焊的方法，后一层都是在前一层的基础上进行的，而第一层之前没有支撑，因此必须有基板的存在，第一层必须依托基板材料堆覆而成。

在增材过程中，基板最易出现的突出问题就是焊接变形。焊接时工件难免产生变形，而电弧增材实为逐层堆焊，每层堆覆金属均会产生不同程度的变形，这些形变逐步累积叠加，将会引起基板更大的变形。试验过程中经常出现工件堆覆完成后工装夹具难以拆卸、甚至出现工装因变形而折断的问题。而且，基板变形会导致堆覆的原始路径规划失效，成形件与模型偏离严重，致使制造失败；若考虑通过机械切除的方式去除多余金属，则可继续完成成形过程，并在原成形件基础上多堆积一部分，然而，这必然需要根据变形大小实时调整后续成形路径，大幅增加工作量，也难以实现自动化。综合来看，如何控制基板变形是电弧增材制造过程中亟待解决的技术难题。

在电弧增材过程中，成形件由于受热不均也会发生变形。为了控制成形件的变形，同时避免堆覆组织由于多次热循环而变得粗大，常规做法是在道间和层间加入一定的冷却时间，控制堆覆层间和道间温度大致相等，但这降低了成形效率。

TIG焊的焊接过程稳定，接头质量优异，几乎适用于所有金属的焊接，用于电弧增材制造可以获得精度较高的优质成形件。然而，TIG焊在用于增材制造时，由于焊枪与焊丝的分体式设计，为了顺畅的送进焊丝，焊枪与焊丝之间一般需保持55-75°夹角，这严重阻碍了焊枪在复杂结构成形上的可达性，限制了自动TIG焊的灵活性与适应性。另外，采用夹具固定焊丝于焊枪上，在焊接过程中夹具由于送丝速度与电流参数不匹配等问题常不可避免的出现偏移或转动，进而影响到送丝的精确度与可靠性，导致焊接质量下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双面交替TOPTIG冷丝增材制造系统及制造方法，将TOPTIG冷丝焊接技术应用于增材制造领域，于基板正反两面交替堆覆成形，有效减小基板变形，确保成形件的精度与质量。采用的TOPTIG技术是采用特殊的一体化设计TIG焊枪进行焊接，填充焊丝穿过喷嘴与电极锥角平行。减小了焊枪的总体尺寸，增强了自动TIG焊在面对复杂结构焊接的可达性，尤其是将其用于电弧增材制造，可以大大提高成形件的精度和质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双面交替TOPTIG冷丝增材制造系统，包括运动机构、变位机，运动机构连接TOPTIG焊枪，运动机构上安装的送丝机为TOPTIG焊枪送丝，变位机上安装有工装夹具，焊接电源的输出端分别与TOPTIG焊枪和工件相连接；

所述的变位机与运动机构通过电力电缆和控制电缆连接，运动机构由专用控制系统控制，并与变位机之间进行通讯，由运动机构控制变位机实现成形件的旋转。

所述的运动机构采用焊接机器人或数控机床。