[发明专利]基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法

说明书

本发明提供了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法，涉及电弧增材制造技术领域，以解决现有技术中梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的问题。该装置包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制系统连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，等离子弧焊接电源、等离子弧焊枪的钨极与工件形成主回路；各台非熔化极焊接电源在钨极与丝材之间产生旁路电弧，三台非熔化极焊接电源、等离子弧焊枪的钨极和对应的丝材之间形成旁路回路，产生旁路电弧。

技术领域

本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法。

背景技术

梯度功能材料是通过连续变化的组成和细微结构使得材料的结构性能逐渐变化，以满足不同环境需求，应用于温度、压强、腐蚀性、耐磨性等工作环境随位置变化的极端工况，改善单一材料无法同时满足多种高性能需求的问题，增强不同材料之间的界面结合强度。梯度功能材料的传统制备工艺包括粉末冶金、等离子喷涂、气相沉积等。

基于3D打印(增材制造)原理的集成制造技术被认为是制备梯度功能材料最有前景的方法之一。增材制造技术按热源类型可分为激光、电子束和电弧，基于激光热源的梯度材料制备技术，因其存在粉末浪费严重、熔敷效率低、气孔缺陷、设备成本高等问题，目前多用于小体积、高价值构件的制造；基于电子束热源的梯度材料制备技术，成形构件尺寸受限于真空腔体体积；丝材电弧增材(WAAM)制造技术以电弧为热源，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，是一种兼具材料利用率高、成本低、效率高、成形构件力学性能好等特点的梯度功能材料制备方法。

目前多基于熔化极气体保护焊或钨极氩弧焊进行梯度功能材料的丝材电弧增材制造，由于并没有改变电弧热源的成弧机理，故传统电弧热源在热质力等方面的强耦合性，使梯度功能材料制备过程中成形质量、成形精度等不可避免地受到非预期的冲击。同时，目前常见的梯度功能材料的丝材电弧增材制造方法中，多使材料成分沿垂直熔覆层方向梯度变化，即每层熔覆层的成分相同而与垂直熔覆层方向上的相邻层之间存在成分梯度，但在实际应用过程中，尤其在大型金属构件的梯度功能材料制备过程中，存在需要每层熔覆层成分梯度连续变化的问题，即每层熔覆层从起点到终点成分梯度连续变化，这就需要针对不同材料针对性的提供能量并实现有效控制。

因此，迫切需要提出一种新的高效梯度功能材料制备方法，通过对梯度功能材料增材制造过程中传热传质解耦控制，将工件与各异质丝材间能量动态分配，达到能量按需动态连续调配的目的，实现沿熔覆层成形路径方向成分梯度连续变化的梯度功能材料制造方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置与方法，通过各旁路电流的按需动态实时调节，实现工件热输入和各丝材热输入的解耦控制，在不影响工件热输入前提下不实现各旁路回路不同材质丝材熔化量的连续动态变化，实现熔覆层沿成形路径方向成分梯度连续变化的梯度材料增材制造，以解决现有技术中梯度材料增材制造过程中成分分布欠均匀、热输入大、连续性较差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于旁路多丝等离子弧梯度材料增材制造装置，包括等离子弧焊枪、工件以及与电流与送丝速度协同控制系统连接的等离子弧焊接电源、第一非熔化极气体保护焊电源、第二非熔化极气体保护焊电源、第三非熔化极气体保护焊电源、第一送丝机构、第二送丝机构和第三送丝机构，其中：所述等离子弧焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极与所述工件形成主回路，且所述等离子弧焊接电源能产生主弧等离子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第一送丝机构上的第一丝材形成第一旁路回路，所述第二非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和第二送丝机构上的第二丝材形成第二旁路回路，所述第三非熔化极焊接电源、所述等离子弧焊枪的钨极和所述第三送丝机构上的第三丝材形成第三旁路回路；所述第一非熔化极焊接电源、所述第二非熔化极焊接电源和所述第三非熔化极焊接电源分别在各自回路中产生旁路电弧；