一种熔丝填充多组分可控增材制造装置的制作方法

本发明是一种熔丝填充多组分可控增材制造装置，属于电子束增材制造加工领域。

背景技术：

电子束焊接因功率密度高、焊缝深宽比大、焊接及冷却速度快，焊接热影响区小、真空洁净度高、焊缝成形质量好、适合异种材料的焊接等优势，被广发应用于航空航天等重要的国防工业领域。根据送料方式的不同，电子束增材制造分为预铺粉和同步送分或同步送丝两种，其中预铺粉和送粉时，高速电子束轰击金属粉末时，会出现严重的吹粉现象，使得粉末在熔化前偏离原理位置，影响成形质量。而利用熔丝填充成形制造用丝材代替粉末为原材料避免了吹粉现象。效率高、制造成本低，过程简单。

电子束熔丝焊接过程中，中航工业现有的电子束填丝焊装置，中航工业研究所在真空室外部设置两个送丝系统真空室，电子枪是固定在真空室顶部中心位置，在送丝系统真空室内置送丝系统和三维对准机构，三维对准机构具有送丝工位和换丝工位，三维对准机构可以在这两个工位之间由电机驱动进行移动。当需要换丝时，利用阀门关闭送丝系统真空室，使送丝系统真空室与焊机真空室隔离。这种方法虽然可以减少换丝的时间，但是需要在设备原有真空室外重新架构两个真空室，而电子束设备真空室需要进行防辐射处理，重新架构的真空室会增大设备的成本，降低设备的防护安全系数。另外重新架构的真空室在抽真空时会耗费大量的抽真空时间。在设备工作时补丝，需要关闭补丝的真空室，但是该真空室和焊接用是主真空室还是相连的，补丝时会降低主真空室的真空度，当真空度达不到焊接要求时，不能进行焊接。

桂林狮达机电工程技术有限公司的电子束填丝装置是在真空室外部添加一个送丝机构，采用动密封装置，将送丝机构隔绝在真空室外部。采用可移动式电子枪，中央控制单元检测到金属丝带快用尽时，便发出换丝提示，同时关闭电子束，停止送丝机送丝，停止运动装置和工作台运动，中央控制单元记录冲断点信息；此时对焊机将上盘金属丝带的末端与下盘金属丝带的始端焊接在一起，换丝结束后中央控制单元从冲断点重复。但是该装置只能运用送丝方式焊接，不能输送其他材料进行焊接，且运用动密封装置进行密封真空室，会降低真空室的真空度，当真空度达不到焊接要求时，不能进行焊接。

艾美特国际有限公司用多丝、采用惰性气体保护或埋弧方法进行的堆焊系统及工艺，用于替代带极堆焊以获得更大的生产效率。系统包括焊枪摆动机构、多丝焊枪、送丝管、至少两台送丝机。相比于传统堆焊，多丝堆焊的熔敷率更高；由于多丝堆焊的搭接区比传统堆焊更光滑，所以为了得了光滑表面所需要的机加工时间大量减少。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的需要重新添加真空室及只能通过送丝或送粉的方式进行电子束增材制造的缺点而设计了内置式电子束熔丝填充多组分可控增材制造加工装置，其目的是为了解决现有装置中熔丝填充机构与工件分别处于不同的真空室内，造成真空室制造成本增加，设备的防护安全系数降低，焊接时真空室的真空度不稳定的缺点，同时可以实现丝材填充及颗粒填充等填充方式进行焊接，实现功能梯度材料的高效制备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

熔丝填充多组分可控增材制造加工装置，包括电气控制系统、真空室、电子枪、高压电源、运动系统、送丝单元、送料装置，其中电子枪固定安装在真空室顶部中心位置，通过高压线连接至高压电源。

真空室内部设置n个送丝单元，n个送丝单元由送丝机构、焊丝盘、焊丝盘轴、静电屏蔽装置、送丝调节机构组成。

由于永磁电机会产生电磁干扰，所以需要在每个送丝单元外部添加静电屏蔽装置。n个送丝单元外加静电屏蔽装置内置于真空室，悬挂安装在真空室的顶部，置于电子枪的两侧对称安装。

送丝机构固定在静电屏蔽装置内，采用双驱动送丝机构，包括永磁电机、支架、加压手柄、主动送丝滚轮、从动送丝滚轮、第一压丝滚轮、第二压丝滚轮。主动送丝滚轮安装在永磁电机的输出轴上，主动送丝滚轮通过连杆机构与从动滚轮传动连接，第一压丝滚轮与第二压丝滚轮安装在支架上，送丝滚轮与压丝滚轮均垂直于基板所在的平面上，主动送丝滚轮与第一压丝滚之间留有焊丝可通过的间隙，从动送丝滚轮与第二压丝滚轮之间也留有焊丝可通过的间隙。

设有入丝导嘴位于主动送丝滚轮和第一压丝滚轮的间隙入口处，出丝导嘴位于从动送丝滚轮和第二压丝滚轮的间隙出口处，并固定在支架的两侧，加压手柄固定在支架两侧，用于调节压丝滚轮的位置，通过加压手柄高度的调节，控制压丝滚轮与送丝滚轮之间的间隙。

焊丝盘固定在焊丝盘轴上，安装于静电屏蔽装置底部，临近送丝机构的入丝导嘴处。送丝调节机构由电机Ⅱ驱动，由送丝软管、导丝嘴、四维调节器组成，分别对应多个送丝单元，安装在静电屏蔽装置外侧。可以实现X方向、Y方向、Z方向平移及XY面角度调节，可以在焊接时调整焊接角度和位置，实现单丝送丝、双丝送丝和多丝送丝。

在静电屏蔽装置外加颗粒送料装置，颗粒送料装置由电机Ⅰ、储料盒、支撑杆、导料管、阀门组成，支撑杆设置在外壳底部中心，其顶部固定储料盒，电机Ⅰ设置在支撑杆的一侧；所述的阀门设置在导料管与储料盒之间，电机Ⅰ控制储料盒的阀门的开关及阀门的开口大小，当需要金属颗粒进行非熔夹渣填充焊接时，打开储盒阀门，当焊接结束时，关闭储料盒阀门；支撑杆用于安装固定储料盒。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

1、本发明的增材制造装置通过设置有1个或多个送丝单元，各个送丝单元可以实现独立送丝和同步送丝，实现进行单送丝填丝焊接，双送丝同材填丝焊接、双丝异材填丝焊接和多丝异材焊接，同时，通过控制颗粒送料装置添加金属颗粒，可实现金属颗粒非熔夹渣填充焊接。

2、该装置通过调节多个送丝单元的送丝速度、送丝方式(连续送丝和脉冲送丝)，使得焊缝的填丝量的发生改变，在增材制造过程中，可以利用送送丝系统实现单丝焊接、双丝异材同速焊接、双丝异材异速焊、多丝异材同速焊接，利用颗粒填充装置实现颗粒非熔夹渣焊接，使得焊缝的填丝材料的成分分配不同，实现功能梯度材料的连续加工。

3、该装置能够焊接过程中摆动，在获得更宽的焊缝的同时，改善堆焊材料与木材的熔合比，独特的摆动功能也可以保证堆焊层更加均匀一致。该装置虽采用多丝焊接，但是电子束焊接与惰性气体保护焊或埋弧焊相比电子束焊接相比具有功率密度高、焊缝深宽比大、焊接及冷却速度快，焊接热影响区小、真空洁净度高等优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为送丝单元的结构示意图。

图3送丝单元在真空室内分布图。

其中：1、电气控制系统；2、真空室；3、电子枪；4、高压线；5、真空机组；6、高压电源；7、X轴行走机构；8、Y轴行走机构；9、送丝单元；10、四维调节器；11、静电屏蔽装置；12、焊丝盘，13、焊丝盘轴；14、永磁电机；15、加压手柄；16、第一压丝滚轮；17、第二压丝滚轮；18、主动送丝轮；19、从动送丝轮；20、支架；21、送丝软管；22、导丝嘴；23、入丝导嘴；24、出丝导嘴；25、连杆机构；26、电机Ⅱ、27、送料装置；28、电机Ⅰ；29、储料盒；30、支撑杆；31、导料管；32、阀门。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详述：

如图1、2所示，电子束熔丝填充多组分可控增材制造装置由电气控制系统1、真空室2、电子枪3、高压电源6、运动系统7、8、1个或多个送丝单元9、送料装置27组成。运动系统7、8为X轴行走机构7、Y轴行走机构8，将送丝单元9安装在真空室2的顶部，分布在电子枪3的两侧对称安装，分布图如图3。送丝单元9内设有送丝机构、焊丝盘12，焊丝盘轴13、静电屏蔽装置11、送丝调节机构。送丝机构采用双驱动送丝机构，由永磁电机14、支架20、两个加压手柄15、主动送丝滚轮18、从动送丝滚轮19、第一压丝滚轮16、第二压丝滚轮17、连杆机构25组成，主动送丝滚轮18与第一压丝滚轮16之间留有焊丝可通过的间隙，从动送丝滚轮19与第二压丝滚轮17之间也留有焊丝可通过的间隙，入丝导嘴23位于主动送丝滚轮18和第一压丝滚轮16的间隙入口处，出丝导嘴24位于从动送丝滚轮19和第二压丝滚轮16的间隙出口处，通过加压手柄15高度的调节，控制第一、第二压丝滚轮16、17与第一、第二送丝滚轮18、19之间的间隙。焊丝盘12固定在焊丝盘轴13上，安装于静电屏蔽装置11底部，临近送丝机构的入丝导嘴23处。送丝单元9外部有静电屏蔽装置11，送丝调节机构安装在静电屏蔽装置11的外侧，通过步进或伺服电机控制，将四维调节器10连接的送丝软管21、导丝嘴22运动至电子束束流加工位置。在静电屏蔽装置11外加颗粒送料装置27，颗粒送料装置27由步进或伺服电机Ⅰ28、储料盒29、支撑杆30、导料管31、阀门32组成，电机Ⅰ28控制储料盒29，支撑杆30设置在外壳底部中心，其顶部固定储料盒29，电机Ⅰ28设置在支撑杆30的一侧；所述的阀门32设置在导料管31与储料盒29之间，当需要金属颗粒进行非熔夹渣填充焊接时，打开储盒阀门32，通过电机28控制阀门的大小，以此来控制颗粒的流量，当焊接结束时，关闭储料盒阀门32；支撑杆30用于安装固定储料盒29。

本发明装置的工作过程：

打开高压电源6，启动真空预热45分钟，将所需加工的零件基材固定在工作台上；

将加工所需的丝材缠绕在焊丝盘12上，各个焊丝盘12可用相同的材料也可用不同的材料，将焊丝盘12安装在送丝单元9的焊丝盘轴13上，丝材通过入丝导嘴23进入送丝机构，通过主动送丝轮18、从动送丝轮19，第一加压滚轮16、第二加压滚轮17进行矫直后，通过出丝导嘴24进入送丝软管21，从导丝嘴22导出；在储料盒29内添加金属颗粒。

四维调节器10由电机Ⅱ26驱动，将金属丝材对准电子束束流加工位置；送过电机28调节导料管31的位置和阀门32，将导料管对准加工位置。

开始工作时，由真空机组5对真空室2进行抽真空，当枪真空和室真空分别达到7E-2、8E-3时，电子枪3形成电子束束流，调节束流焦点，根据丝材、金属颗粒和基材的材料，调节束流、焊接速度、送丝速度，用电子束对金属丝材和金属颗粒进行加热熔化，并按照预定的加工路线进行焊接。

焊接完成后，进行室放气，当压力升至一个大气压后，开门，将焊接工件通过行走机构拿出。

功能梯度材料的加工方法：将送丝单元9的焊丝盘12上按照加工需要缠绕上不成分的焊丝，储料盒29内放置不同成分的金属颗粒，分别安装在送丝单元9内和送料装置内，当进行双丝及多丝送丝加工时，可以分别调整送丝机的送丝速度，送丝方式连续送丝或脉冲送丝，将多个四维调节机构对准电子束束流加工位置，焊接时，可按照预先设置好的加工路径进行加工，得到与成分不同的焊缝。进行多丝同材焊接时，可以通过改变送丝速度、送丝方式，可以增加填丝量，进而增大焊缝熔宽；当进行多丝异材焊接时，使用多丝焊接，通过改变多个送丝机的送丝速度、送丝方式，增加填丝量，增大熔宽，改变焊缝的组成成分，进而获得不同成分的材料，而获得功能梯度材料；金属颗粒非熔夹渣填充时，电机28控制储料盒29的阀门，焊接时将储料盒29的阀门32打开，使得金属颗粒能够进入焊缝，实现金属颗粒非熔夹渣填充，获得功能梯度材料；金属丝材连同金属颗粒同步填充时，将丝材与导料管31同时对准焊缝，实现丝材与金属颗粒非熔夹渣填充。

实施例一，选用颗粒非熔夹渣填充焊接，具体实施步骤如下：

1.打开高压电源6，启动真空预热45分钟，将增材制造所需的基材固定在工作台上；

2.将填充时所需的金属颗粒放置在储料盒29内，根据焊缝的大小调节阀门32的大小，利用阀门32控制金属颗粒的流量。

3.通过电机28调节将导料管31的出口对准焊缝，使得金属颗粒前置填充。

4.关闭真空室，由真空机组对真空室抽真空，当枪真空和室真空分别达到7E-2、8E-3时，打开中频机组、参数电源、加高压、灯丝电流，电子枪3形成电子束束流，调节束流焦点，根据颗粒和基材的材料，调节束流、焊接速度、送丝速度，其中金属颗粒的流量可以通过阀门32进行控制。

5.调整好参数后，打开电子束束流，同时金属颗粒同步填充，对金属颗粒进行加热熔化，并按照预定的加工路线进行焊接。

6.焊完一层后，关闭束流，停止送料，重新调节束流焦点，继续重复步骤5，进行逐层焊接。

7.焊接完成后，进行室放气，开门，利用行走机构将工件移出真空室。

实施例二，选用颗粒非熔夹渣及丝材填充焊接，具体实施步骤如下：

1.打开高压电源6，启动真空预热45分钟，将增材制造所学的基材固定在工作台上；

2.将增材制造所需的n种丝材分别缠绕在对应的焊丝盘12上，分别安装在对应是焊丝盘轴13上，将焊丝穿过入丝导嘴、主动送丝轮上的凹槽、连杆机构、从动送丝轮上的凹槽，进入送丝软管，打开送丝机控制开关，将金属丝材穿过送丝软管、四维调机器，从导丝嘴穿出。调节两根丝材的伸出长度。将填充时所需的金属颗粒放置在储料盒29)内，根据焊缝的大小调节阀门32的大小，通过电机28调节导料管的位置，使导料管28)对准电子束束流。

3.通过电机26调节送丝调节器，将金属丝材调整到合适的送丝角度、送丝方式和两根丝材之间的角度，使得丝材对准电子束束流位置，通过电机28调节将导料管31的出口对准焊缝，使得金属颗粒前置填充。

4.关闭真空室，由真空机组对真空室抽真空，当枪真空和室真空分别达到7E-2、8E-3时，打开中频机组、参数电源、加高压、灯丝电流，电子枪3形成电子束束流，调节束流焦点，根据丝材和基材的材料，调节束流、焊接速度、送丝速度，其中送丝速度可用送丝控制系统进行调节，设置各个送丝机的送丝速度不相同，以此将多种丝材进行不同比例的熔合，调节储料盒29的阀门32，控制金属颗粒填充量的不同。

5.调整好参数后，打开电子束束流，同时多种金属丝材同步送丝，金属颗粒同步填充，对金属丝材和金属颗粒进行加热熔化，并按照预定的加工路线进行焊接。

6.焊完一层后，关闭束流，停止送丝和送料，重新调节束流焦点，继续重复步骤5，进行逐层焊接。

7.焊接完成后，进行室放气，开门，利用行走机构将工件移出真空室。

实施例三，选用同种丝材同速送丝进行多丝增材制造，具体实施步骤如下：

打开高压电源6，启动真空预热45分钟，将增材制造所学的基材固定在工作台上；

将增材制造所需的同种丝材缠绕在焊丝盘12上，并分别安装在焊丝盘轴13上，将焊丝穿过入丝导嘴、主动送丝轮上的凹槽、连杆机构、从动送丝轮上的凹槽，进入送丝软管，打开送丝机控制开关，将金属丝材穿过送丝软管、四维调机器，从导丝嘴穿出。调节两根丝材的伸出长度。

通过电机调节送丝调节器，将金属丝材调整到合适的送丝角度、送丝方式和多根丝材之间的匹配位置，使得丝材对准电子束束流位置。

关闭真空室，由真空机组对真空室抽真空，当枪真空和室真空分别达到7E-2、8E-3时，打开中频机组、参数电源、加高压、灯丝电流，电子枪3形成电子束束流，调节束流焦点，根据丝材和基材的材料，调节束流、焊接速度、送丝速度。

调整好参数后，打开电子束束流，同时多种金属丝材同步送丝，对金属丝材进行加热熔化，并按照预定的加工路线进行焊接。

焊完一层后，关闭束流，停止送丝，重新调节束流焦点，继续重复步骤5，进行逐层焊接。

焊接完成后，进行室放气，开门，利用行走机构将工件移出真空室。

实施例四，选用异种丝材同速进行多丝增材制造，具体实施步骤如下：

1.打开高压电源6，启动真空预热45分钟，将增材制造所学的基材固定在工作台上；

2.将增材制造所需的多种丝材分别缠绕在各个焊丝盘12上，分别安装在对应的焊丝盘轴13上，将焊丝穿过入丝导嘴、主动送丝轮上的凹槽、连杆机构、从动送丝轮上的凹槽，进入送丝软管，打开送丝机控制开关，将金属丝材穿过送丝软管、四维调机器，从导丝嘴穿出。调节丝材的伸出长度。

3.通过电机调节送丝调节器，将金属丝材调整到合适的送丝角度、送丝方式和多个丝材之间的角度，使得丝材对准电子束束流位置。

4.关闭真空室，由真空机组对真空室抽真空，当枪真空和室真空分别达到7E-2、8E-3时，打开中频机组、参数电源、加高压、灯丝电流，电子枪3形成电子束束流，调节束流焦点，根据丝材和基材的材料，调节束流、焊接速度、送丝速度。

5.调整好参数后，打开电子束束流，同时多种金属丝材同步送丝，对金属丝材进行加热熔化，并按照预定的加工路线进行焊接。

6.焊完一层后，关闭束流，停止送丝，重新调节束流焦点，继续重复步骤5，进行逐层焊接。

7.焊接完成后，进行室放气，开门，利用行走机构将工件移出真空室。

实施例五，选用异种丝材不同速进行多丝增材制造，具体实施步骤如下：

1.打开高压电源6，启动真空预热45分钟，将增材制造所学的基材固定在工作台上；

2.将增材制造所需的多种丝材分别缠绕在对应的焊丝盘12上，分别安装在对应的焊丝盘轴13上，将焊丝穿过入丝导嘴、主动送丝轮上的凹槽、连杆机构、从动送丝轮上的凹槽，进入送丝软管，打开送丝机控制开关，将金属丝材穿过送丝软管、四维调机器，从导丝嘴穿出，调节多根丝材的伸出长度。

3.通过电机26调节送丝调节器，将金属丝材调整到合适的送丝角度、送丝方式和多根丝材之间的角度，使得丝材对准电子束束流位置。

4.关闭真空室，由真空机组对真空室抽真空，当枪真空和室真空分别达到7E-2、8E-3时，打开中频机组、参数电源、加高压、灯丝电流，电子枪3形成电子束束流，调节束流焦点，根据丝材和基材的材料，调节束流、焊接速度、送丝速度，其中送丝速度可根据送丝控制系统进行调节，设置多个送丝机的送丝速度不相同，以此将多种丝材进行不同比例的熔合。

5.调整好参数后，打开电子束束流，同时多种金属丝材同步送丝，对金属丝材进行加热熔化，并按照预定的加工路线进行焊接。

6.焊完一层后，关闭束流，停止送丝，重新调节束流焦点，继续重复步骤5，进行逐层焊接。

7.焊接完成后，进行室放气，开门，利用行走机构将工件移出真空室。