[發明專利]電弧填絲增材制造方法及裝置

在審

• 申請號: 201611192727.X
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106735730A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 從保強;齊鉑金;王強;張偉;劉方軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/167
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司11372
• 代理人: 吳大建

技術領域

本發明涉及增材制造技術領域，尤其涉及一種電弧填絲增材制造方法及裝置。

背景技術

增材制造技術是上世紀八十年代興起并得到迅速發展的一項新興制造技術。區別于傳統鑄、鍛需模具成形毛坯后再切削加工的減材制造，增材制造是無模具的直接快速成形技術，基于“離散-堆積”原理，根據零件CAD模型，通過材料逐層累加的方式直接制造出實體零件。增材制造技術引領“設計/制造/材料”三位一體模式的發展，順應了新技術革命的發展趨勢，帶動制造業由傳統大規模、批量生產的模式向個性化、定制化、小批量生產的模式轉型。單件小批量金屬結構零部件的增材制造在新型號樣機的研發制造過程具有重要意義，能夠極大地縮短新機試制與研制的周期。

目前，主要采用基于激光或電子束增材制造工藝完成一些小尺寸航空關鍵結構零部件的增材制造過程。受限于激光或電子束增材制造的高成本等因素，其發展與應用推廣受到較大的限制。相比而言，電弧填絲增材制造技術在大尺寸航空構件的制造過程中具有更大的優勢。電弧填絲增材制造技術作為金屬零件直接成形的典型工藝之一，其利用電弧熱源熔化填充絲材材料，在無模具的情況下直接由CAD模型逐層堆積形成金屬實體零件。該技術克服了傳統制造技術需要模具以及工序復雜等問題，具有沉積效率高、成形尺寸大、設備簡單、制造成本低等優勢，是實現高質量全密度金屬零件經濟、快速的成形方法。

高強鋁合金因其具有高的比強度、比模量和良好的斷裂韌性、抗疲勞、耐腐蝕等性能，自20世紀30年代以來被用作商業飛機的主要結構材料，是航空業廣泛使用的材料。目前在增材制造方法方面，由于鋁合金粉末密度小、易氧化，從而導致在激光增材制造過程中極易產生大量氣孔等嚴重缺陷，難以滿足航空關鍵結構高強鋁合金零部件的質量要求。

發明內容

本發明提供一種電弧填絲增材制造方法及裝置，用以解決現有技術在增材制造過程中容易產生大量氣孔，導致生產的零部件質量不達標的技術問題。

本發明一方面提供一種電弧填絲增材制造裝置，包括：相互連接的控制模塊、制作模塊和電源模塊，其中，控制模塊用于控制制作模塊動作，以制作產品，并且控制電源模塊提供電流；電源模塊用于在控制模塊的控制下向制作模塊輸出復合超音頻脈沖電流，以為制作模塊提供熱源。

進一步的，制作模塊包括送絲子模塊和用于根據電弧放電所產生的熱量將送絲子模塊提供的焊絲熔化的焊槍，其中，焊槍與電源模塊和控制模塊相連，送絲子模塊與控制模塊相連，用于在控制模塊的控制下為焊槍提供焊絲。

進一步的，還包括用于放置制作模塊制作的產品的載物模塊。

進一步的，制作模塊還包括用于提供保護氣體以防止熔化的焊絲被氧化的保護氣模塊。

進一步的，復合超音頻脈沖電流由快速變換變極性方波電流與超音頻脈沖電流疊加而成。

進一步的，復合超音頻脈沖電流的電流沿變換速率大于50A/μs。

進一步的，載物模塊為能夠配合焊槍移動的變位機工作臺。

進一步的，保護氣體為氬氣或者氦氣。

本發明另一方面提供一種根據上述電弧填絲增材制造裝置進行產品制作的電弧填絲增材制造方法，包括：

步驟101，控制模塊繪制產品的三維模型，并對三維模型進行分層切片處理，以獲得各層截面的二維輪廓；

步驟102，獲取某層截面的二維輪廓，控制模塊根據該層截面的二維輪廓，獲取產品制作過程的運動軌跡；

步驟103，控制模塊控制電源模塊向制作模塊輸出復合超音頻脈沖電流，為制作模塊制作產品提供熱源；

步驟104，控制模塊控制制作模塊按照運動軌跡進行動作，以完成截面的制作；

步驟105，重復步驟102至步驟104，直到所有層截面制作完成為止。

進一步的，步驟104具體包括：

控制模塊控制送絲子模塊向焊槍提供焊絲，其中，制作模塊包括送絲子模塊和焊槍；

焊槍獲取電源模塊提供的復合超音頻脈沖電流，并根據電弧放電所產生的熱量將送絲子模塊提供的焊絲熔化；

控制模塊控制焊槍按照運動軌跡移動，在移動過程中，焊槍不斷的將送絲子模塊提供的焊絲熔化，以完成產品的當前層截面的制作。

本發明提供的電弧填絲增材制造方法及裝置，加入復合超音頻脈沖對GTAW電弧有顯著調制作用，電弧收縮顯著，電弧力大幅提高，可使沉積層熔透率提高，減小沉積層側表面粗糙度，且電弧超聲效應可引起熔池液態金屬受迫振動，使液態金屬流動呈現雙環流模式，有助于清除氣孔缺陷，細化晶粒，提高構件(即產品)組織性能。