[发明专利]一种电弧增材制造装置及控制方法

说明书

本发明涉及电弧熔丝增材技术领域，更具体地，涉及一种电弧增材制造装置及控制方法，包括用于将若干沉积层生成待加工工件的电弧增材焊接设备以及用于通过调节保护气体的混合比例实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置，所述保护气体装置与电弧增材焊接设备连接。本发明通过实时调节电弧增材焊接设备的热输出量的保护气体装置的设置，可在不改变任何焊接工艺的情况下，仅通过对调节保护气体的混合比例就实现了电弧增材焊接设备的热输出量调节，避免了为了减少热输出量或待加工工件的沉积层热输入量而改变工艺，避免了由于改变工艺导致待加工工件的外形和壁厚的变化，降低废品率，且提高生产效率，大大降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材技术领域，更具体地，涉及一种电弧增材制造装置及控制方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期，尤其适于低成本小批量产品制造，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著，在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，能够显著缩短研发周期和研发成本。

金属增材制造技术按热源类型可分为3类：激光、电子束和电弧。其中电弧增材制造技术(Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM)以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工，相比激光、电子束增材制造，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。

WAAM是一个数字化连续堆焊成形过程，其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。因为GMAW(gas metal arc welding,即熔化极气体保护焊)焊接电源特别是高端脉冲电源具有熔滴过渡方式可控，送丝、焊枪和行走机构同轴，具备送丝和自动化装置通讯接口等优势，已经成为WAAM系统热源的主要选择。机器人具有速度快、位置重复精度高、运动稳定性好等优点，在成型高精度复杂零件方面具有较大优势。

其中，WAAM中，电弧是唯一热源也是熔滴过渡过程中重要的驱动力。现有增材制造方法，在产品生长的过程中，为了产品壁厚的一致性，通常采用恒定电弧工艺并且运行在稳定的行走速度之下，其中电弧工艺包括电压、电流、脉冲波形、送丝速度和干伸长度等。而这种常用的方法会造成在增材制造的起始阶段产品本体温度较低，而随后在电弧加热作用之下其温度会逐渐提高。而恒定不变的电弧工艺会造成在加工的中后段热输入量过大，从而产生合金元素烧损、热裂纹甚至再次熔化造成产品变形或者坍塌。

现有的调节技术通常使用降低电弧输出或改变波形等方法降低电弧总的热输入量，或者提高行走速度降低单位长度的热输入量，以改善工件层间温度提高的问题。各种工艺也比较多，如中国专利公开号为CN110977172A的一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法，还有CN106312273A的一种用于电弧熔丝增材制造的气氛保护装置等等。但是任何工艺上的调整都会造成产品外形和壁厚的变化，容易形成废品。

发明内容

本发明提供一种电弧增材制造装置及控制方法。本发明在不改变任何焊接工艺的情况下，避免了为了减少热输出量或待加工工件的热输入量而改变工艺，避免了由于改变了工艺而导致待加工工件的外形和壁厚的变化，降低废品率，且提高生产效率，降低生产成本。