不锈钢构件双GTA辅助GMA增材制造方法及系统与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种不锈钢构件双钨极惰性气体保护电弧(gastungstenarc，gta)辅助熔化极气体保护电弧(gasmetalarc，gma)增材制造方法及系统。

背景技术：

不锈钢由于其优良的耐高温和耐腐蚀性，因而广泛应用于航空、轨道交通、汽车、建筑等领域。目前，不锈钢构件传统的成形方法包括铸造、锻造与机械加工，铸造方法成形的构件机械性能不足，锻造方法受到构件结构复杂度及生产规模的限制，机械加工方法材料利用率低，制造周期长。因此，上述方法皆难以满足高性能复杂结构不锈钢构件的柔性化制造。近年来，金属增材制造技术逐渐兴起。增材制造是一种基于离散-堆积原理，由下至上逐层堆积以成形三维实体的制造技术。与上述传统制造技术相比，该技术材料损耗低、成形效率高，免去了繁琐的加工工序，适用于复杂构件的柔性化制造，在不锈钢构件制造上具有良好的应用前景。

金属增材制造技术常采用激光或电弧为热源。与电弧相比，激光设备成本高，从降低制造成本的角度考虑，以电弧作热源为宜。目前，适用于不锈钢增材制造的电弧热源主要有gta和gma。gta成形精度高、成形过程飞溅小，但成形效率低，相比之下，gma的成形效率高，适合中大型金属零件的直接制造。然而gma成形电流大、热输入高、电弧力大，熔滴对熔池冲击作用强，致使熔池坍塌与成形扭曲，降低了成形质量。

不锈钢的热导率低，约为碳钢的三分之一，在不锈钢gma增材制造过程中，热积累更为严重，熔池坍塌与成形扭曲等问题十分突出，金属件成形后所展现的成形精度、表面质量与力学性能也不尽人意。此外，严重的热积累增大了层间降温等待时间，极大降低了成形效率。因此，有必要对不锈钢gma增材制造方法进行改进以提高其成形质量及成形效率；同时，在保持不锈钢构件成形效率的同时，尽可能地降低其成形热输入，则是一种可行的改进思路。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决不锈钢构件在gma增材制造过程中热输入大、热积累严重所导致的成形稳定性及成形质量差等难题，提供一种不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法及系统。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法，在gma枪左右两侧分别安装一套采用独立的gta电源的gta枪，构成双gta辅助gma枪，gma枪连接gma电源正极、左侧gta电源正极、右侧gta电源正极，左侧gta枪连接左侧gta电源负极，右侧gta枪连接右侧gta电源负极，工作台连接gma电源负极，形成双gta辅助gma复合热源；成形过程中，相继引燃gma电弧与两侧gta电弧，形成复合电弧并不断熔化不锈钢丝材，在基板上按预设路径由下至上逐层成形不锈钢构件。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法进一步包括以下步骤：

步骤一：将两套gta枪分别安装在gma枪左右两侧，构成双gta辅助gma枪，gma枪连接gma电源正极、左侧gta电源正极、右侧gta电源正极，左侧gta枪连接左侧gta电源负极，右侧gta枪连接右侧gta电源负极，工作台连接gma电源负极，形成双gta辅助gma复合热源；

步骤二：将基板打磨，清除其表面锈迹，以紧固夹具夹持其四角，固定于工作台上，将双gta辅助gma枪移动至基板上方；

步骤三：确定不锈钢构件第一层起弧点、成形路径及收弧点，将双gta辅助gma枪移动至起弧点，gma枪及两侧gta枪预通保护气，引燃gma枪与基板之间的主电弧，等待1-2s，引燃gma枪与两侧gta枪之间的辅助电弧，形成复合电弧，待复合电弧燃烧稳定后按预设成形路径不断熔化不锈钢丝材；成形过程中，通过gma枪的电流ir等于gma电源电流ib、左侧gta电源电流in与右侧gta电源电流im的总和，通过成形层的电流为ib；待双gta辅助gma枪运动至收弧点处，熄灭复合电弧，随后gma枪与两侧gta枪停止送气；

步骤四：将双gta辅助gma枪抬升一个层高或工作台降低一个层高，待不锈钢构件当前成形层上表面温度降至75-180℃，开始成形构件的下一层；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直到完成不锈钢构件剩余层的成形。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法中：gma枪中心轴线与两侧gta枪中心轴线分别成θ1与θ2的角度，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端垂直距离为d1，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端水平距离为d2，gma枪喷嘴末端与工件上表面垂直距离为d3；两侧gta枪相对于gma枪对称，θ1与θ2为40-70°，且θ1＝θ2，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端垂直距离d1为5-10mm，水平距离d2为1-3mm，gma枪喷嘴末端与工件上表面垂直距离d3为10-20mm。

θ1与θ2设定为40-70°是因为θ1与θ2过小，使gta难以引弧，θ1与θ2过大，致使复合枪头体积过大，增加实际操作难度，θ1＝θ2是为了保持双gta的对称性，有利于熔滴过渡，提高成形质量；设定d1为5-10mm是因为如果d1过短，会加快钨极烧损，d1过长，难以引燃两侧gta电弧；设定d2为1-3mm是因为若d2过短，加快钨极烧损，如果d2过长，难以引燃两侧gta电弧；d3为10-20mm是因为如果d3过短，电弧频繁短路造成大量飞溅，d3过长，保护气难以覆盖熔池，从而产生气孔，影响构件成形质量。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法中：gma电源为恒压电源；两侧gta电源为恒流电源。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法中：步骤三中gma枪所用保护气为95％ar+5％co2，气流量为15-25l/min，两侧gta所用保护气为纯氩，气流量为8-16l/min。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法中：步骤三中所采用的不锈钢丝材送丝速度为3-10m/min，两侧gta辅助电流为50-120a，左侧gta辅助电流与右侧gta辅助电流大小相等。

两侧gta辅助电流为50-120a是因为当两侧gta辅助电流过小，不锈钢成形层热输入减小不显著，若两侧gta辅助电流过大，容易烧损电极。左侧gta辅助电流与右侧gta辅助电流大小相等是为了保持两侧电弧力水平分量方向相反，大小相等，抵消其对gma熔滴过渡的影响。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法中：步骤四中不锈钢构件当前成形层上表面温度采用k型热电偶传感器测量，每一层温度采集点位于该层成形路径中点。

作为优选方式，所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法中：所用不锈钢丝材型号为300系列、400系列、500系列、600系列等。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种不锈钢构件双gta辅助gma增材制造系统，在gma枪左右两侧分别安装一套采用独立的gta电源的gta枪，构成双gta辅助gma枪，gma枪连接gma电源正极、左侧gta电源正极、右侧gta电源正极，左侧gta枪连接左侧gta电源负极，右侧gta枪连接右侧gta电源负极，工作台连接gma电源负极，形成双gta辅助gma复合热源。

作为优选方式，所述的不锈钢构件双gta辅助gma增材制造系统中：gma枪中心轴线、左侧gta枪中心轴线及右侧gta枪中心轴线位于同一平面，gma枪中心轴线与两侧gta枪中心轴线分别成θ1与θ2，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端垂直距离为d1，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端水平距离为d2，gma枪喷嘴末端与工件上表面垂直距离为d3，θ1与θ2为40-70°，且θ1＝θ2，d1为5-10mm，水平距离d2为1-3mm，gma枪喷嘴末端与工件上表面垂直距离d3为10-20mm。

与传统gma增材制造方法相比，本发明具有以下优点：

(1)通过双gta辅助gma的方式，使得通过gma枪丝材的电流大于通过成形层的电流，在保证gma增材制造技术高成形效率的同时，降低了通过不锈钢构件的电流，减小不锈钢构件的热输入和热积累，从而提高不锈钢构件的成形质量。

(2)由于两侧gta对gma电弧的分流作用，在不锈钢成形层通过电流相同时，该系统能够在单位时间内熔化更多的不锈钢丝材，进一步提高不锈钢gma增材制造技术的成形效率。

(3)双gta可供调节的电流范围广，提高了参数调节的灵活性，增大了成形系统在不锈钢构件实际生产过程中对复杂成形环境的适应性，使其更适于不锈钢构件的柔性化制造。双gta辅助gma增材制造方法也可适用于其他金属的增材制造，如钛合金、高强钢、铝合金等。

附图说明

图1为不锈钢构件双gta辅助gma增材制造系统示意图；

图2为gma枪与两侧gta枪位置关系示意图；

图3为圆筒形不锈钢薄壁件示意图；

1为gma恒压电源，2为左侧gta恒流电源，3为左侧gta枪，4为gma枪，5为右侧gta枪，6为右侧gta恒流电源，7为不锈钢成形层，8为基板，9为工作台，ib为通过基板的电流，in为左侧gta电流，im为右侧gta电流，ir为熔化不锈钢丝材的总电流。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图3所示，本实施例所述的不锈钢构件为多层单道圆筒形薄壁件，构件宽度为6mm，总高度为20mm，圆筒外径为120mm。从基板8起向上堆积共计14层，每层仅堆积1道，成形路径为圆形。本发明试验平台为：gma恒压电源1采用froniustps4000型号电源，左侧gta恒流电源2和右侧gta恒流电源6采用froniusmagicwave3000，双gta辅助gma枪安装于abb机械手第六轴末端，通过机械手臂控制双gta辅助gma枪的行进，工作台9固定于变位机上。不锈钢构件双gta辅助gma增材制造工艺参数：不锈钢丝材送丝速度为6.5m/min，变位机旋转的角速度为0.15rad/s，两侧gta辅助电流为75a，gma枪通入95％ar+5％co2，气流量为20l/min，两侧gta枪所用保护气为纯氩，气流量为12l/min，不锈钢丝材型号为er304，丝材直径1.2mm，基板材质为q235低碳钢，基板尺寸为160mm×160mm×15mm。

如图1所示，一种不锈钢构件双gta辅助gma增材制造系统，在gma枪4左右两侧分别安装一套采用独立的gta电源的gta枪，构成双gta辅助gma枪，gma枪4连接gma恒压电源1正极、左侧gta恒流电源2正极、右侧gta恒流电源6正极，左侧gta枪3连接左侧gta恒流电源2负极，右侧gta枪5连接右侧gta恒流电源6负极，工作台9连接gma恒压电源1负极，形成双gta辅助gma复合热源。gma枪4中心轴线、左侧gta枪3中心轴线及右侧gta枪5中心轴线位于同一平面，gma枪4中心轴线与两侧gta枪中心轴线分别成θ1与θ2的角度，gma枪4喷嘴末端与两侧gta电极末端垂直距离为d1，gma枪4喷嘴末端与两侧gta电极末端水平距离为d2，gma枪4喷嘴末端与工件上表面垂直距离为d3，θ1与θ2为40-70°，且θ1＝θ2，d1为5-10mm，水平距离d2为1-3mm，gma枪4喷嘴末端与工件上表面垂直距离d3为10-20mm。

本实施例中gma枪中心轴线与两侧gta枪中心轴线分别成55°，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端垂直距离d1为8mm，gma枪喷嘴末端与两侧gta电极末端水平距离d2为2mm，gma枪与两侧gta枪位置关系示意图如图2所示。

不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法，利用上述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造系统，成形过程中相继引燃gma电弧与两侧gta电弧，形成复合电弧并不断熔化不锈钢丝材，在基板上按预设路径由下至上逐层成形不锈钢构件。

所述不锈钢构件双gta辅助gma增材制造方法包括以下步骤：

步骤一：将两套gta枪分别安装在gma枪左右两侧，构成双gta辅助gma枪，gma枪连接gma电源正极、左侧gta电源正极、右侧gta电源正极，左侧gta枪连接左侧gta电源负极，右侧gta枪连接右侧gta电源负极，工作台连接gma电源负极，形成双gta辅助gma复合热源；

步骤二：将碳钢基板用砂轮打磨，清除其表面锈迹，以紧固夹具夹持其四角，固定于工作台上，将双gta辅助gma枪移动至该基板上方垂直距离d3为15mm处。

步骤三：确定不锈钢构件第一层起弧点、成形路径及收弧点，将双gta辅助gma枪移动至起弧点，gma枪及两侧gta枪预通保护气，引燃gma枪与基板之间的主电弧，等待1-2s，引燃gma枪与两侧gta枪之间的辅助电弧，待电弧燃烧稳定后，变位机沿逆时针方向旋转，按圆周路径不断熔化er304不锈钢丝材，成形过程中，通过gma枪的电流ir等于gma电源电流ib、左侧gta电源电流in与右侧gta电源电流im的总和，通过不锈钢成形层的电流为ib；当变位机旋转一个圆周，待双gta辅助gma枪再次到达起弧点时，变位机继续旋转，待沿成形路径方向继续行进8mm后，熄灭电弧，随后停止送气。

步骤四：机器人控制双gta辅助gma枪从收弧点处抬升1.7mm，用k型热电偶传感器测量不锈钢构件当前成形层成形路径中点上表面温度，若温度低于125℃，开始成形不锈钢构件的下一层片。

步骤五：重复步骤三和步骤四，保持相邻层间的成形路径方向相同，直到完成不锈钢构件剩余13层的成形。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。