[發(fā)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

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• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113352011B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張瑞英;薛龍;黃繼強;鄒勇;曹瑩瑜;黃軍芬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京石油化工學院;北京市安全生產(chǎn)工程技術(shù)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(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11471
• 代理人: 張瑞

本發(fā)明提供了一種基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置與方法，涉及電弧增材制造技術(shù)領(lǐng)域，以解決現(xiàn)有技術(shù)中梯度材料增材制造過程中成分分布欠均勻、熱輸入大、連續(xù)性較差的問題。該裝置包括等離子弧焊槍、工件以及與電流與送絲速度協(xié)同控制系統(tǒng)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(gòu)、第二送絲機構(gòu)和第三送絲機構(gòu)，等離子弧焊接電源、等離子弧焊槍的鎢極與工件形成主回路；各臺非熔化極焊接電源在鎢極與絲材之間產(chǎn)生旁路電弧，三臺非熔化極焊接電源、等離子弧焊槍的鎢極和對應(yīng)的絲材之間形成旁路回路，產(chǎn)生旁路電弧。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電弧增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置與方法。

背景技術(shù)

梯度功能材料是通過連續(xù)變化的組成和細微結(jié)構(gòu)使得材料的結(jié)構(gòu)性能逐漸變化，以滿足不同環(huán)境需求，應(yīng)用于溫度、壓強、腐蝕性、耐磨性等工作環(huán)境隨位置變化的極端工況，改善單一材料無法同時滿足多種高性能需求的問題，增強不同材料之間的界面結(jié)合強度。梯度功能材料的傳統(tǒng)制備工藝包括粉末冶金、等離子噴涂、氣相沉積等。

基于3D打印(增材制造)原理的集成制造技術(shù)被認為是制備梯度功能材料最有前景的方法之一。增材制造技術(shù)按熱源類型可分為激光、電子束和電弧，基于激光熱源的梯度材料制備技術(shù)，因其存在粉末浪費嚴重、熔敷效率低、氣孔缺陷、設(shè)備成本高等問題，目前多用于小體積、高價值構(gòu)件的制造；基于電子束熱源的梯度材料制備技術(shù)，成形構(gòu)件尺寸受限于真空腔體體積；絲材電弧增材(WAAM)制造技術(shù)以電弧為熱源，成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學成分均勻、致密度高，是一種兼具材料利用率高、成本低、效率高、成形構(gòu)件力學性能好等特點的梯度功能材料制備方法。

目前多基于熔化極氣體保護焊或鎢極氬弧焊進行梯度功能材料的絲材電弧增材制造，由于并沒有改變電弧熱源的成弧機理，故傳統(tǒng)電弧熱源在熱質(zhì)力等方面的強耦合性，使梯度功能材料制備過程中成形質(zhì)量、成形精度等不可避免地受到非預(yù)期的沖擊。同時，目前常見的梯度功能材料的絲材電弧增材制造方法中，多使材料成分沿垂直熔覆層方向梯度變化，即每層熔覆層的成分相同而與垂直熔覆層方向上的相鄰層之間存在成分梯度，但在實際應(yīng)用過程中，尤其在大型金屬構(gòu)件的梯度功能材料制備過程中，存在需要每層熔覆層成分梯度連續(xù)變化的問題，即每層熔覆層從起點到終點成分梯度連續(xù)變化，這就需要針對不同材料針對性的提供能量并實現(xiàn)有效控制。

因此，迫切需要提出一種新的高效梯度功能材料制備方法，通過對梯度功能材料增材制造過程中傳熱傳質(zhì)解耦控制，將工件與各異質(zhì)絲材間能量動態(tài)分配，達到能量按需動態(tài)連續(xù)調(diào)配的目的，實現(xiàn)沿熔覆層成形路徑方向成分梯度連續(xù)變化的梯度功能材料制造方法。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置與方法，通過各旁路電流的按需動態(tài)實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)工件熱輸入和各絲材熱輸入的解耦控制，在不影響工件熱輸入前提下不實現(xiàn)各旁路回路不同材質(zhì)絲材熔化量的連續(xù)動態(tài)變化，實現(xiàn)熔覆層沿成形路徑方向成分梯度連續(xù)變化的梯度材料增材制造，以解決現(xiàn)有技術(shù)中梯度材料增材制造過程中成分分布欠均勻、熱輸入大、連續(xù)性較差的技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于旁路多絲等離子弧梯度材料增材制造裝置，包括等離子弧焊槍、工件以及與電流與送絲速度協(xié)同控制系統(tǒng)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(gòu)、第二送絲機構(gòu)和第三送絲機構(gòu)，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(chǎn)生主弧等離子弧以熔化所述工件形成熔池；所述第一非熔化極焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極和所述第一送絲機構(gòu)上的第一絲材形成第一旁路回路，所述第二非熔化極焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極和第二送絲機構(gòu)上的第二絲材形成第二旁路回路，所述第三非熔化極焊接電源、所述等離子弧焊槍的鎢極和所述第三送絲機構(gòu)上的第三絲材形成第三旁路回路；所述第一非熔化極焊接電源、所述第二非熔化極焊接電源和所述第三非熔化極焊接電源分別在各自回路中產(chǎn)生旁路電弧；