一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法与流程

本发明属于电弧增材技术领域，尤其涉及一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法。

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。

电弧增材制造技术(WireArcAdditiveManufacture，WAAM)是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接(MIG)、钨极惰性气体保护焊接(TIG)以及等离子体焊接电源(PA)等焊机产生的电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。它不仅具有沉积效率高；丝材利用率高；整体制造周期短、成本低；对零件尺寸限制少；易于修复零件等优点，还具有原位复合制造以及成形大尺寸零件的能力。较传统的铸造、锻造技术和其它增材制造技术具有一定先进性，与铸造、锻造工艺相比，它无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造。

在增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形。成形零件由全熔积层金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好。因此，电弧增材技术是低成本金属零件直接制造的重要研究方向。但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈。

技术实现要素：

针对当下电弧增材制造技术缺陷，本发明目的是提供一种高速、高效、精准、具有良好力学性能的金属构件增减等材一体化制造方法。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法，包括以下步骤：

步骤S1、电弧增材单元由焊枪和送丝机构组成，基材和焊枪之间产生的电弧使基材受热形成熔池，焊丝通过送丝机送入熔池当中，形成熔积层，此时所述熔积层为液态金属；

步骤S2、等材成型单元上的温度传感器扫描熔积层温度，当扫描到熔积层为半凝固状态时，等材成型单元自行开始动作，把熔积层两侧由原先的圆弧面挤压成平面；

步骤S3、当所述熔积层凝固、且处于高温状态时，减材成型单元上的温度传感器开始扫描熔积层温度，当传感器扫描到铣削温度点后减材成型单元开始动作，铣刀铣削掉熔积层两侧尚不平整的部分，对熔积层两侧进行进一步加工；

步骤S4、所述电弧增材单元、等材成型单元和减材成型单元一起在基材上移动，实现在基材上逐层堆焊，形成金属构件。

作为优选，等材成型温度为400℃到2500℃，减材成型温度为10℃到1500℃。

作为优选，等材成型单元中的挤压轮垂直于熔积层两侧，平行于基材。

作为优选，焊接电源采用直流、交流或者变极性电源，电流为50A到500A。

作为优选，采用惰性气体(氩气)保护熔池，减少增材被氧化以及出现气孔的几率，减少增材制造过程中产生的杂质，提升零件性能。

作为优选，增材材质根据焊丝的不同而不同，增材材质可以根据需要更换，所用焊丝直径范围为1mm到10mm。

作为优选，根据成型金属构件的尺寸大小和结构，焊枪可以多重排布，焊枪间距以成型金属构件实际情况作调整，焊枪距离基材1mm到10mm。

作为优选，基材材质应和所用焊丝材质所匹配，基材尺寸应按成型金属构件的尺寸进行设计，并且应该考虑到散热等问题，厚度不小于5mm。

本发明的一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法，在电弧增材之后，通过等材成型单元在熔积层的固液混合温度区间进行高速挤压，最后通过减材成型单元在熔积层的凝固高温区进行高速铣削成型，其中，所述等材成型单元和温度传感器形成反馈系统，减材成型单元和温度传感器形成反馈系统；等材成型单元负责使挤压轮在设定温度下对焊缝边侧的挤压，减材成型单元负责在适当温度下对焊缝边侧的切削。本发明方法能一次性进行高速增减等材制造，在保证零件性能和加工精度的同时加快了工件的加工速度，更加满足使用要求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有电弧增材技术相比，可以有以下效果：

(1)本发明增材速度快，可达传统电弧增材的5～20倍，是一种高速增材制造方法。

(2)引入温度反馈控制循环，将增材，挤压和铣削相结合。在金属在半凝固状态时完成挤压，在金属凝固后的高温区进行铣削，加工一部到位，精简工艺，节省后期加工的时间。

(3)程序监测到熔积层温度后，自动控制等材成型单元和减材成型单元，在最短的时间内对等材成型单元和减材成型单元进行位置调整。

(4)传统电弧增材制造过程中，增材堆积到基材之后，增材横截面成半圆形，增材两侧精度低。本发明通过挤压轮挤压未凝固的熔积层解决了增材两侧溢出的问题。随后在熔积层未完全凝固的时候进行铣削，铣削速度比传统铣削更快。

附图说明

图1是本发明方法采用系统的结构示意图；

图2是本发明的基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法的流程示意图；

图3a为实施例1所述的增材制造工件结构主视图；

图3b为实施例1所述的增材制造工件结构俯视图。

1—焊枪，2—送丝嘴，3—多向滑块，4—第一滑台，5—第二滑台，6—挤压轮，7—固定杆，8—联轴节，9—旋转电机，10—第三滑台，11—铣刀，12—第四滑台，13—第五滑台，14—变位机。

具体实施方式

为了使本发明更加具体、明白地被理解，下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法作进一步描述。

本发明方法采用如图1所示系统，电弧增材单元，等材成型单元和减材成型单元置于同一机头内。其中所述电弧增材单元，等材成型单元和减材成型单元分别固定在第一滑台4和第四滑台12上，在机头内通过滑台可以移动三个单元的位置。机头上方变位机14可以控制机头旋转。

所述的电弧增材单元包括焊枪1、送丝机构2、多向滑块3和第二滑台5，焊枪1和送丝机构2通过多向滑块3固定且两者相对位置可调，第二滑台5安装在第一滑台4上。

所述等材成型单元包括步进电机电机9、联轴节8、固定杆7，两个挤压轮6、红外线温度传感器15、第三滑台10，两个挤压轮6固定在固定杆7上，第三滑台10安装在第四滑台12上。

所述减材成型单元包括红外线温度传感器16和铣刀11，整体通过第五滑台13安装在第一滑台4上。

如图2所示，一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法，包括以下步骤：

步骤S1、电弧增材单元由焊枪和送丝机构组成，基材和焊枪之间产生的电弧使基材受热形成熔池，焊丝通过送丝机送入熔池当中，形成熔积层，此时所述熔积层为液态金属；

步骤S2、等材成型单元上的温度传感器扫描熔积层温度，当扫描到熔积层为半凝固状态时，等材成型单元自行开始动作，把熔积层两侧由原先的圆弧面挤压成平面；

步骤S3、当所述熔积层凝固、且处于高温状态时，减材成型单元上的温度传感器开始扫描熔积层温度，当传感器扫描到铣削温度点后减材成型单元开始动作，铣刀铣削掉熔积层两侧尚不平整的部分，对熔积层两侧进行进一步加工；

步骤S4、所述电弧增材单元、等材成型单元和减材成型单元一起在基材上移动，实现在基材上逐层堆焊，形成金属构件。

在本发明中，引入了应用了温度反馈控制装置，等材成型单元和减材成型单元分别配有各自的温度传感器，温度传感器指向熔积层，传感器收集到的温度上传给系统。在增材之后，基材上的熔积层温度呈逐渐下降趋势。温度传感器实时监测熔积层温度，系统进入闭环控制循环，等材成型单元和减材成型单元根据温度传感器侦测的熔积层温度进行调整，如果此时传感器侦测到的熔积层温度不是预定温度区间，则两个单元自动行走，直到在熔积层上找到相应的温度点的时候，挤压成型单元和减材成型单元开始对相应的温度点所对应的熔积层进行挤压和铣削。

一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法，具体包括如下步骤：

(1)根据所需成型金属构件形状和尺寸，用三维造型软件设计出成型金属构件的三维模型，并将文件的数据信息传入到系统中，系统将图纸转换为3d打印软件所能识别的代码，并设计每层切片信息。

(2)在系统内部设置等材成型(挤压)温度区间在熔积层的半融化温度区间内，设置减材成型(铣削)温度区间在熔积层的凝固温度区间内，可以手动输入温度值，或者在系统内部选择焊丝材质，然后让系统根据焊丝材质自动选取相应的挤压温度区间和铣削温度区间。

(3)在基材上选取起弧点，开始送入保护气，起主弧。电弧先给基材做预加热处理，时间为0s到2s，准备开始制作第一层第一道增材。

(4)经过电弧的预加热处理之后，开始送丝，送丝速度为0.2m/min到30m/min。送丝的同时，焊枪开始按照输入的程序行走。行走速度为0.1m/min到4m/min。

(5)电弧焊丝受电弧加热熔化到基材上，形成余高1mm到20mm熔积层，此时熔积层未完全凝固，当温度传感器侦测到熔积层的温度到了系统设置的温度时，等材成型单元开始动作，两个挤压轮对向在熔积层两侧行走，两轮内侧挤压熔积层，使熔积层两侧被挤压成平面。

(6)在(3)步骤后熔积层温度进一步降低，铣削单元的温度传感器侦测到系统设置的铣削温度后，减材成型单元开始动作，铣刀铣削掉熔积层两侧尚不平整的部分，对熔积层两侧进行进一步加工，得到进一步完美的熔积层。

(7)完成第一层增材制造之后，机头提升一个切片层距离，重复步骤(3)到步骤(7)，完成若干层的制造加工。

上述步骤(3)到步骤(7)所述焊接均为堆焊，送丝装置输送增材材料，焊枪融化焊丝形成熔积层。电流为50A至500A，送丝速度为0.2m/min到30m/min，焊丝为φ1mm～φ3mm，熔积层宽度为1mm～12mm。

作为优选，在增材制造后，对固液混合状态的熔积层进行挤压，使熔积层两侧由原来的圆弧面变为平面，最后在熔积层凝固后的高温区间对两侧平面进行铣削，使加工流程变得更简单，降低了加工难度，加工速度为传统电弧增材制造的5～20倍。

作为优选，等材成型单元和减材成型单元分别配有各自的温度传感器，温度传感器实时监测熔积层温度，并将收集到的信息上传给系统。在增材之后，基材上的熔积层温度呈逐渐下降趋势。此时系统进入闭环控制循环，等材成型单元和减材成型的位置根据温度传感器侦测的熔积层温度进行调整，如果此时传感器侦测到的熔积层温度不是设定温度区间，则系统控制位置调整，直到在熔积层上找到相应的温度点的时候，等材成型单元和减材成型开始对相应的温度点所对应的熔积层进行挤压和铣削。

作为优选，制造加工顺序为先进行增材制造，然后对进行熔积层进行挤压，最后进行铣削。

作为优选，等材成型单元动作温度区间高于减材成型单元动作温度区间。

作为优选，等材成型单元的挤压轮距增离焊枪喷嘴2mm～20mm

作为优选，采用等材成型温度和减材成型温度区间预设系统。等材成型温度预设区间设置范围为400℃到2500℃，减材成型温度预设区间设置范围为10℃到1500℃。根据焊丝材料的熔点不同，温度设置区间不同。在熔积层未凝固时自动对熔积层边侧进行挤压，随后熔积层温度逐渐降低，但是熔积层未完全凝固冷却，这时对熔积层边侧进行铣削。

作为优选，系统分为手动控制和半自动控制。所述手动控制是可以让操作者进行挤压温度和切削温度的设置。所述半自动控制是让操作者在系统界面里设置焊丝材质(铝合金、铁、不锈钢、铜等)，然后系统自动调出该材质的数据，对挤压温度和切削温度区间进行设置。

作为优选，采用直流焊接电源。焊接电源正极接基材，负极接焊枪，根据焊丝材质和直径，焊接电流为50A到500A。

作为优选，有惰性气体(氩气)保护熔池，减少增材被氧化以及出现气孔的几率，减少增材杂质，提升增材性能。

作为优选，增材材质根据焊丝的不同而不同，增材材质可以根据需要更换。所用焊丝直径范围为1mm到10mm。

作为优选，根据成型金属构件的尺寸大小和结构，为了提高增材制造速度，焊枪可以多重排布，焊枪数量为1到20个。也可以采用多种焊枪联合焊接，改变传统焊接的一种新的焊接方法。焊枪间距以成型金属构件实际情况作调整。焊枪距离基材1mm到10mm。

作为优选，应用了非熔化极焊接方式，接通电源后，在焊枪和基材之间产生电弧。电弧使基材表面熔化，形成稳定的熔池，焊丝通过送丝机构送入熔池中，形成熔积层。

实施例1

如图3a、3b所示，铝合金结构件高度为100mm，壁厚4mm，由50层环形件堆焊而成，每层环形件高度2mm。采用本发明方法制造而成。具体为：

(1)画出铝合金结构件的三维视图，传入到系统之中，并转成专用的G语言，设计每层切片信息。

(2)由于此铝合金结构件为圆柱形，壁厚4mm，因此综上因素调整挤压轮轮间距为4mm，,两个铣刀间距4mm，调整电流为140A，送丝速度4mm/s，焊丝为φ1.6mm的铝合金焊丝；

(3)设定适当的挤压温度和铣削温度。

(4)在基材上选取起始点，开始第一层的第一道圆环的顺时针焊接；

(5)在电弧增材之后，挤压轮寻找达到设定温度的熔积层，开始动作，两个挤压轮在熔积层两侧跟着焊枪后方行走，在基材上画一个圆形，两轮内侧挤压未凝固的熔积层。

(6)挤压完成之后，减材成型单元开始动作，自动寻找符合铣削温度区间的熔积层进行铣削。

(8)完成第一道圆环之后，将整体三个单元同时抬高2mm，并且重复步骤(4)到(6)，顺时针完成第二道圆环。

(9)重复上述步骤，完成50道圆环焊接，然后收弧，最终形成铝合金结构件。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。