[發明專利]基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置與方法

有效

• 申請號: 202110672498.6
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113352011B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 張瑞英;薛龍;黃繼強;鄒勇;曹瑩瑜;黃軍芬
• 申請（專利權）人: 北京石油化工學院;北京市安全生產工程技術研究院
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02;B23K10/02;B23K9/133;B23K9/167;B23K9/32;B33Y10/00
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產權代理有限責任公司 11471
• 代理人: 張瑞

1.一種基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，其特征在于，包括等離子弧焊槍、工件以及與電流與送絲速度協同控制系統連接的等離子弧焊接電源、第一非熔化極氣體保護焊電源、第二非熔化極氣體保護焊電源、第三非熔化極氣體保護焊電源、第一送絲機構、第二送絲機構和第三送絲機構，其中：

所述等離子弧焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極與所述工件形成主回路，且所述等離子弧焊接電源能產生主弧等離子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化極氣體保護 焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極和所述第一送絲機構上的第一絲材形成第一旁路回路，所述第二非熔化極氣體保護 焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極和第二送絲機構上的第二絲材形成第二旁路回路，所述第三非熔化極氣體保護 焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極和所述第三送絲機構上的第三絲材形成第三旁路回路；所述第一非熔化極氣體保護焊接電源、所述第二非熔化極氣體保護 焊接電源和所述第三非熔化極氣體保護 焊接電源分別在各自回路中產生旁路電弧；

所述第一絲材與所述等離子弧焊槍的鎢極之間的夾角為30°～90°，所述第二絲材與所述等離子弧焊槍的鎢極之間的夾角為30°～90°，所述第三絲材與所述等離子弧焊槍的鎢極之間的夾角為30°～90°，所述第一絲材、所述第二絲材與所述第三絲材三者中兩兩之間的夾角為30°～120°；

所述第一送絲機構、所述第二送絲機構和所述第三送絲機構均是相互獨立的，各旁路回路中的送絲機構與對應的非熔化極焊接電源相互獨立，均受到電流與送絲速度協同控制系統調控，實現各自獨立調節。

2.根據權利要求1所述的基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，其特征在于，所述第一絲材、所述第二絲材和所述第三絲材的材質均為金屬，所述第一絲材、所述第二絲材和所述第三絲材的材質各不相同或部分相同。

3.據權利要求1所述的基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，其特征在于，所述第一絲材的直徑為0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第二絲材的直徑為0.8mm、1.0mm或者1.2mm，所述第三絲材的直徑為0.8mm、1.0mm 或者1.2mm。

4.據權利要求1所述的基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，其特征在于，所述等離子弧焊槍的壓縮噴嘴距所述工件上表面的距離為5.0～15.0mm，所述第一絲材、所述第二絲材和所述第三絲材熔化末端與所述壓縮噴嘴之間的垂直距離為2.0mm～13.0mm，所述第一絲材、所述第二絲材和所述第三絲材熔化末端距主弧軸線的距離為0～1.5mm。

5.據權利要求1所述的基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，其特征在于，所述第一絲材能通過所述第一送絲機構引入第一導電嘴，所述第二絲材能通過所述第二送絲機構引入第二導電嘴，所述第三絲材能通過所述第三送絲機構引入第三導電嘴，所述等離子弧焊槍與所述第一導電嘴、所述第二導電嘴、所述第三導電嘴通過轉接板固定連接。

6.一種基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：對工件表面進行熔覆前的預處理，并將預處理后的工件固定于工作臺上；

步驟S2：連接權利要求1～5任一項所述的基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，并根據梯度功能材料成分選擇第一絲材、第二絲材、第三絲材；

步驟S3：根據待加工梯度功能材料的三維模型進行分層切片，并基于機器人進行成形路徑規劃；根據每層熔覆層沿成形路徑方向成分梯度變化計算熔覆過程中各旁路回路異質絲材熔化量的實時動態變化，制定相應的送絲速度和電流匹配變化方案，設置于電流與送絲速度協同控制裝置中；

步驟S4：將等離子弧焊槍移動到熔覆層起始點，開啟等離子弧焊接電源，開啟維弧，待穩定后開啟主弧并關閉維弧，開啟第一非熔化極焊接電源、第二非熔化極焊接電源、第三非熔化極焊接電源、第一送絲機構、第二送絲機構、第三送絲機構以及電流與送絲速度協同控制裝置，開始送絲并實時調整送絲速度及電流，按照規劃的成形路徑進行行走；

步驟S5：當等離子弧焊槍移動至熔覆層結束點，依次關閉第一送絲機構、第二送絲機構、第三送絲機構、電流與送絲速度協同控制裝置、第一非熔化極氣體保護焊電源、第二非熔化極氣體保護焊電源、第三非熔化極氣體保護焊電源、等離子弧焊接電源，再通15～30s保護氣防止熔覆層氧化；

步驟S6：待熔覆層冷卻40～90s后，開始熔覆下一層；

步驟S7：重復步驟S4～步驟S6，直至按要求完成梯度功能材料增材制造。