一种单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统的制作方法

本发明属于电弧增材制造领域，更具体地，涉及一种单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统。

背景技术：

电弧增材制造(wirearcadditivemanufacturing，waam)，采用电弧作为热源，熔化金属丝材逐层堆积制造出金属构件，其无需模具，加工柔性程度高，易于实现数字化制造，在高性能大型金属构件的制造中具有很大的优势。电弧增材制造是以“电弧”作为热源熔化金属丝材，形成堆积层。电弧增材制造过程中，熔池尺寸稳定可以提高电弧增材的大型金属构件的精度。但是，目前广泛使用的单电弧增材制造方法，电弧会在金属丝材上运动，特别是采用药芯丝材，电弧会沿着包覆药芯粉末钢皮运动。这是由于单丝电弧增材制造过程中，位于丝材末端的熔滴由于表面张力的作用，在不断改变形态与位置，沿着丝材的外径旋转，使电弧随着熔滴不断进行旋转，使得熔池的尺寸大小在不断改变，造成电弧增材制造构件的成形精度低。在电弧增材制造过程中，提高电弧与熔滴稳定性就可以提高电弧增材制造构件的精度。

现有技术中，为了解决电弧增材制造构件表面粗糙度高与构件整体尺寸精度较低的问题，普遍采用“增减材复合”工艺方法，使成形构件达到使用要求。“增减材复合”工艺方法首先用增材制造堆积出结构件，然后机加工去除加工余量部分，提高构件的尺寸精度。然而，为了保证“增减材复合”工艺方法制造构件时加工余量大，导致了该方法增加了构件的生产周期，降低生产效率与材料利用率，提高生产成本。并且，“增减材复合”工艺方法目前一般采用两种减材加工方法：机器人减材加工与机床减材加工。机器人减材加工的加工力矩较小，适用于加工铝合金等材料，无法高效率加工钢铁材料；机床减材加工中的机加工机床大大限制了增材制造构件的尺寸。进一步的，研究人员提出采用“激光约束电弧”的方法电弧增材制造金属构件。“激光约束电弧”工艺方法提高了电弧稳定性，进而减小了熔池的尺寸误差与堆积层尺寸误差，可以提高构件的成形精度。但是，激光约束电弧必须保证激光与电弧的相对位置与相对角度不变，适用于平面简单构件的增材制造，无法制造复杂曲面构件。并且，激光电弧复合枪头的尺寸大，结构复杂，增加了激光电弧复合枪与构件产生干涉可能性，减小了枪头的可达范围。

目前，在焊接领域有一些多丝焊接方法，例如，cn104625361a提出了一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接的三丝焊枪及焊接系统和方法，其在两个独立的电弧之间加入一根冷丝，起到了提高焊接效率，降低热输入的作用；cn109079287a提出了一种三丝气体保护简介电弧焊方法、装置及其应用，其使用三丝焊丝连接两台电源，在三根焊丝之间形成间接电弧，实现了高效率并且具有大熔深的焊接过程。但是上述专利是针对焊接领域提出的三丝焊接方法，并不属于电弧增材制造领域，无法提高电弧增材制造构件的精度，也无法解决现有电弧增材制造技术中存在的上述问题。

因此，有必要进行研究，以获得一种全新的电弧增材制造系统及方法，以提高电弧与熔滴的稳定性，进而提高电弧增材制造构件的精度

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统，其通过单次同时输送三根金属丝材，以使得三根金属丝材形成一个整体电弧，熔滴受三根金属丝材末端表面张力相互牵制作用，避免单丝电弧在增材制造过程中出现的电弧飘移与熔滴旋转现象的出现，提高了电弧、熔滴与熔池的稳定性，能实现熔池尺寸的精确控制，确保了增材制造大型金属构件的成形精度，可实现大型金属结构件的高精度、高效率的电弧增材制造。

为实现上述目的，本发明提出了一种单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统，其包括三丝送丝机、送丝管路、电弧枪、机器人和电弧增材制造电源，其中：

所述三丝送丝机用于同时输送三根金属丝材至所述送丝管路中，该送丝管路用于将三根金属丝同时导入电弧枪中，所述机器人用于带动所述电弧枪运动以进行电弧增材制造；

所述电弧枪包括从上至下依次连接的三合一转换接头、枪颈主体模块和三丝导电嘴模块，所述三合一转换接头的上端与所述送丝管路相连，用于将送丝管路中的三根金属丝经所述枪颈主体模块同时送入三丝导电嘴模块中并平行送出，所述枪颈主体模块的下端还设置有散热喷嘴模块，该散热喷嘴模块套装在所述三丝导电嘴模块的外部，用于对三丝导电嘴模块进行散热；

所述电弧增材制造电源用于提供能量使平行送出的三根金属丝材同时起弧以形成一个整体电弧，三根金属丝材的端部在电弧的作用下同时熔化以形成一个共同的稳定熔滴。

作为进一步优选的，所述枪颈主体模块包括由内至外依次套装设置的电弧枪管、绝缘套、冷却组件和枪颈外壳，所述电弧枪管的上下端分别与所述三合一转换接头和三丝导电嘴模块相连，所述冷却组件包括水冷管道固定件及螺旋水冷管道，该水冷管道固定件套装在绝缘套的外部，用于安装所述螺旋水冷管道。

作为进一步优选的，所述散热喷嘴模块包括喷嘴绝缘套、喷嘴散热鳍片和喷嘴，所述喷嘴绝缘套套装在枪颈主体模块下端的外部，所述喷嘴散热鳍片套装在所述喷嘴绝缘套的外部，其上端的外部设置有散热鳍片，下端的外部用于安装所述喷嘴。

作为进一步优选的，所述喷嘴外端进行圆弧过渡处理。

作为进一步优选的，所述三丝导电嘴模块包括三丝导电嘴座和三丝导电嘴，所述三丝导电嘴座的上端与所述枪颈主体模块的下端相连，所述三丝导电嘴内开设有三条送丝通道，其用固定螺母固定在所述三丝导电嘴座的下端。

作为进一步优选的，所述三丝导电嘴中的送丝通道采用b样条曲线拟合设计获得。

作为进一步优选的，所述三丝送丝机包括送丝轮组件及用于驱动送丝轮组件运动的动力源，所述送丝轮组件包括以上下对称方式布置的四个独立的送丝轮，其中上方的两个送丝轮为平轮，用于压紧丝材，下方的两个送丝轮上均开设有三个相同形状与尺寸的凹槽，用于同步输送金属丝材。

作为进一步优选的，所述送丝管路包括三个送丝支路，每个送丝支路均包括金属送丝软管、套装在金属送丝软管外部的导电铜芯及套装在导电铜芯外部的送丝绝缘套，其中，所述金属送丝软管由三丝送丝机的出口延伸至所述三丝导电嘴模块中，所述导电铜芯一端与所述电弧增材制造电源相连，另一端与所述三合一转换接头的上端相连。

作为进一步优选的，所述电弧增材制造电源为额定电流不低于850a的弧焊电源。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的单电源三丝电弧增材制造系统的电弧稳定，电弧挺度大，熔滴受三根金属丝材末端表面张力相互牵制作用，避免单丝电弧在增材制造过程中出现的电弧飘移与熔滴旋转现象的出现，提高了电弧、熔滴与熔池的稳定性，能实现熔池尺寸的精确控制，确保了增材制造大型金属构件的成形精度，达到提高电弧增材制造大型金属构件精度的目的。

2.采用本发明的单电源三丝电弧增材制造系统成形大型金属构件，与增减材复合工艺相比，提高了电弧增材制造构件的生产效率，材料利用率，缩短了零件的制造周期以及降低了生产成本，提高成形构件精度的同时，还可以提高生产效率，相较于单丝电弧增材制造方法，成形效率提高了3倍以上。

3.本发明的单电源三丝电弧增材制造系统产生的堆积层相较于传统电弧增制造方法形成的堆积层，其堆积层宽高比大，堆积层轮廓平整，利于电弧增材制造多层多道堆积时，能形成平整的堆积层表面，并且可以减少搭接次数，利于形成致密的，没有缺陷的金属构件。

4.本发明还对电弧枪的结构进行了研究与设计，与激光电弧复合枪相比，本发明的电弧枪具有尺寸小，重量轻，结构简单，可靠性高的特点，减小了电弧枪与零件，工装干涉的可能性，增加了电弧枪的可达性，增加了电弧枪的工作范围。

5.本发明电弧枪的散热性能好，在增材制造过程中，可以连续工作20个小时，电弧枪温度不高于120℃。

6.此外，本发明还对送丝管路的结构进行了研究与设计，其大大减小了送丝阻力，避免了三丝导电嘴的磨损，提高了电弧枪的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单电源三丝共熔滴电弧增材制造系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电弧枪外形结构图；

图3为本发明实施例提供的电弧枪的组成零件分解示意图；

图4为本发明实施例提供的三丝导电嘴的截面图；

图5为本发明实施例提供的三丝送丝机的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的送丝管路的截面图；

图7为共同熔滴受力图；

图8为单电源三丝共熔滴堆积层与单电源单丝堆积层截面对比图，其中(a)为单电源三丝共熔滴堆积层截面图，(b)为单电源单丝堆积层截面图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电弧增材制造电源，2-三丝送丝机，3-送丝管路，4-电弧枪，5-机器人，6-工作平台，7-丝材供给源，21-动力源，22-送丝轮组件，31-金属送丝软管，32-导电铜芯，33-送丝绝缘套，41-三合一转换接头，42-枪颈主体模块，43-散热喷嘴模块，44-三丝导电嘴模块，421-枪颈外壳，422-螺旋水冷管道，423-水冷管道固定件，424-绝缘套，425-电弧枪管，431-喷嘴绝缘套，432-喷嘴散热鳍片，433-喷嘴，441-三丝导电嘴座，442-固定螺母，443-三丝导电嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统，其包括三丝送丝机2、送丝管路3、电弧枪4、机器人5和电弧增材制造电源1，其中，三丝送丝机2用于同时输送三根金属丝材至送丝管路3中，金属丝材由丝材供给源7提供。该送丝管路3用于将三根金属丝同时导入电弧枪4中，机器人5用于带动电弧枪4进行高精度移动以进行电弧增材制造；电弧枪4用于将三根金属丝材平行送出，电弧增材制造电源1用于提供电弧增材制造所需的能量，以使金属丝材熔化形成熔滴。通过上述各部件的配合，使得从电弧枪平行送出的三根金属丝材同时起弧以形成一个整体电弧，三根金属丝材的端部在电弧的作用下同时熔化以形成一个共同的稳定熔滴，三根金属丝材均匀分布在以共同熔滴为中心的圆内。

如图2所示，电弧枪4采用模块化设计，其可以在电弧增材制造过程中稳定、连续工作，连续工作20个小时，电弧枪温度不高于120℃，形成的电弧稳定。该电弧枪包括三合一转换接头41、枪颈主体模块42、散热喷嘴模块43和三丝导电嘴模块44，其中，三合一转换接头41的上端与送丝管路3相连，下端与枪颈主体模块42的上端相连，用于将三根金属丝材送入枪颈主体模块42中，其上设置有三个接线柱，用于与送丝管路中三个对应的送丝支路相连；枪颈主体模块42的下端与散热喷嘴模块43相连，该散热喷嘴模块43用于对三丝导电嘴模块44进行散热，三丝导电嘴模块44设于枪颈主体模块42的下端，并位于散热喷嘴模块43的内部，用于将三根金属丝材平行送出。

如图3所示，枪颈主体模块42包括枪颈外壳421、冷却组件、绝缘套424和电弧枪管425，四个部件由外至内依次嵌套，可采用内外径之间的过盈配合，采取热装配工艺实现各部件的紧密连接。其中，枪颈外壳采用7系铝合金材质制造，减轻电弧枪重量。冷却组件包括水冷管道固定件423及螺旋水冷管道422(例如双螺旋水冷管道)，该水冷管道固定件423套装在绝缘套424的外部，用于安装固定螺旋水冷管道422，水冷管道固定件423材质为紫铜，整体为圆柱形，在圆柱形外壁开有与螺旋水冷管道尺寸配合使用的螺旋槽，增加水冷管道与电弧枪的接触面积，提高了散热效率。螺旋水冷管道材质为紫铜，紫铜导热性能优良，利于热传导，水冷管道管径为2mm，其一端进水一端回水，以提供循环冷却水，循环冷却水可以带走电弧枪大部分热量，保证电弧枪在连续高强度工作状态下，温度不高于120℃。绝缘套材质为聚四氟乙烯，具有一定的弹性及良好的绝缘性能，在高温环境下依旧可以保证良好的绝缘性能，保证了电弧枪的安全性。电弧枪管425材质为紫铜，具有良好的导电性，其上、下端分别与三合一转换接头41(具体与三合一转换接头41的下端)和三丝导电嘴模块44(具体与三丝导电嘴模块44中的三丝导电嘴座)相连，例如可通过螺纹连接的方式进行连接，该电弧枪管425内通有保护气体，例如ar气、co2气体或者两者的混合，保护气体通过三丝导电嘴模块44(具体是三丝导电嘴座441)的气孔进入散热喷嘴模块，散热喷嘴模块将保护气体聚集并向电弧区域输送保护气体。

装配枪颈主体模块42时，首先将绝缘套紧紧包裹在电弧枪管的外表面，起到绝缘作用；然后，水冷管道固定件的内径公差与绝缘套的外径公差过盈配合，水冷管道固定件套装在绝缘套外部，采取热装配工艺，将电弧枪管、绝缘套和水冷管道固定件装配在一起，并且相互绝缘；再将螺旋水冷管道嵌入水冷管道固定件上所开的凹槽内；最后枪颈外壳上端的内径与三合一转换接头41下端的外径过盈配合，采取热装配工艺将两者连接起来。

散热喷嘴模块43作为电弧枪的喷嘴结构，用于将保护气体聚集并向电弧区域输送保护气体，保护电弧，且由于在增材制造过程中，单电源三丝共熔滴电弧温度较高，且喷嘴模块与电弧距离较近，因此散热喷嘴模块需具有优良的散热能力。如图3所示，散热喷嘴模块43设计成包括喷嘴绝缘套431、喷嘴散热鳍片432和喷嘴433，其用于向电弧区域输送保护气体同时进行散热。其中，喷嘴绝缘套431材质为聚四氟乙烯，具有一定弹性及良好的高温绝缘性能，起到绝缘作用，保证电弧枪安全性。喷嘴散热鳍片432材质为7系铝合金，保证喷嘴整体刚度的前提下，喷嘴散热鳍片设有多层散热鳍片，大大增加与空气接触面积，增加了散热效率。喷嘴433材质为紫铜，具有优良的导热能力，其外端进行了圆弧过渡处理，避免了热量的集中。具体的，喷嘴绝缘套431套装在枪颈主体模块42下端(具体是电弧枪管425下端)的外部，喷嘴散热鳍片432套装在喷嘴绝缘套431的外部，其上端的外部设置有散热鳍片，下端用于连接喷嘴433。

装配散热喷嘴模块时，首先将喷嘴绝缘套紧紧包裹在电弧枪管下端的外表面，起到绝缘作用；然后，喷嘴散热鳍片的内径公差与喷嘴绝缘套的外径公差为过盈配合，喷嘴散热鳍片套装在喷嘴绝缘套外部，采取热装配工艺，将喷嘴散热鳍片与喷嘴绝缘套装配在一起，喷嘴套装在喷嘴散热鳍片下端外部，同样采取热装配工艺装配在一起。

如图3所示，三丝导电嘴模块44包括三丝导电嘴座441、固定螺母442和三丝导电嘴443，三丝导电嘴座441的上端与枪颈主体模块42的下端(具体是电弧枪管425下端)相连，例如螺纹连接，三丝导电嘴443材质为紫铜，其内开设有三条送丝通道，其通过固定螺母442固定在三丝导电嘴座441的下端。进一步的，三丝导电嘴座441上开有通孔，便于三根送丝软管通过，可使送丝软管直接插入三丝导电嘴443中，减小送丝阻力。三丝导电嘴座441的侧面开设有多个气孔，便于保护气体的逸出，保护电弧与熔池。三丝导电嘴443上端光滑，当三根送丝软管插入三丝导电嘴座441对应的三条送丝通道中后，三丝导电嘴443可直接插入三丝导电嘴座441，再利用固定螺母442将三丝导电嘴443与三丝导电嘴座441固定。

如图4所示，三丝导电嘴中的送丝通道采用b样条曲线拟合获得，其与金属丝材自然曲率吻合，不仅可以减小送丝阻力，而且可以避免三丝导电嘴的磨损，提高三丝导电嘴的使用寿命。

如图5所示，三丝送丝机2用于实现三根金属丝材的同步输送与回抽，包括送丝轮组件22及用于驱动送丝轮组件运动的单个动力源21，该动力源21例如为马达，送丝轮组件2包括以上下对称方式布置的四个独立的送丝轮，其中上方的两个送丝轮为平轮，用于压紧丝材，下方的两个送丝轮上均开设有三个相同形状与尺寸的凹槽，用于同步输送三根金属丝材。本发明中送丝轮组件包含四种规格，可输送直径为0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.4mm的金属丝材。本发明设计的三丝送丝机适用于单电源三丝共熔滴电弧增材制造，能够实现同步输送三根金属丝材，并且保证金属丝材的同步输送与回抽，进而可以避免在电弧增材制造过程中因送丝速度不匹配导致的三丝共熔滴电弧的失稳。

如图6所示，送丝管路3包括三个送丝支路，能够实现三根金属丝材的同时输送，避免金属丝材之间的相互摩擦。每个送丝支路均包括金属送丝软管31、套装在金属送丝软管31外部的导电铜芯32及套装在导电铜芯32外部的送丝绝缘套33。其中，金属送丝软管31由三丝送丝机的出口一直延伸至三丝导电嘴模块44中，具体延伸至三丝导电嘴443的三条送丝通道的入口处，导电铜芯32一端与电弧增材制造电源1相连，另一端与三合一转换接头41的上端相连。具体的与三合一转换接头41上端的三个接线柱相连，以此将电流经三合一转换接头41导入电弧枪管中，再经电弧枪管导入三丝导电嘴模块44中。具体的，三合一转换接头41的内部为导电材料外部为绝缘材料，三个接线柱均开设有通孔，便于对应的金属送丝软管穿过。

更为具体的，电弧增材制造电源1优选为额定电流不低于850a的弧焊电源，电源提供能量同时熔化三根金属丝材形成一个共同的大熔滴。机器人5优选为高精度弧焊机器人，用于固定电弧枪，并高精度的按照预设轨迹行走。具体的，电弧枪下方还设置有用于放置待成形金属件的工作平台6，该工作平台优选为双轴变位机平台，可作为高精度机器人的外部轴，实现与高精度机器人的联动。供电时，可使工作平台的上方接电弧增材制造电源1的负极/正极，使电弧枪接电弧增材制造电源1的正极/负极以形成电流回路，当然也可以采用其他供电方式。

下面以制备厚壁圆管构件为例对本发明制造系统的效果进行说明。

首先，选用牌号为er50-6，丝材直径为1.0mm的金属丝材作为堆积材料；电弧增材制造堆积电流为450-500a，堆积电压为20v-23v，堆积速度为36cm/min-40cm/min，水冷机循环水流量为21l/min。

针对不同的堆积材料，需确定电弧增材制造系统在三丝共熔滴的工作模式下，单道堆积层的宽度与高度，将堆积层宽度的一半定义为电弧增材制造中的同层偏移量，将堆积层高度定义为电弧增材制造层间提升量。因此按照预设的工艺参数进行预堆积，使用本发明所述电弧增材制造系统在q235母材上进行单道直线堆积，经过多次堆积与测量，取平均值得到单道堆积层的宽度为21.2mm，单道堆积层的高度为5.8mm；将堆积层宽度的一半定义为电弧增材制造中的同层偏移量，即同层偏移量为10.6mm；将堆积层高度定义为电弧增材制造层间提升量，即层间提升量为5.8mm；

使用上述堆积工艺参数进行厚壁圆管构件的电弧增材制造成形，采用平面切片与偏置填充方式进行路径规划，同层偏移量为10.6mm，层间提升量为5.8mm，圆管内径为30mm，圆管外径为60mm，圆管高度为200mm。

厚壁圆管构件制造完成后，测量其表面粗糙度为30.40μm，相较于普通电弧增材制造成形构件的41.50μm表面粗糙度，提高20％，使用三维测量设备测得其尺寸精度为±1.0mm，满足圆管构件使用要求。

如图7所示，本发明的单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统形成的共同熔滴受到三根金属丝材的表面张力的相互牵引作用，十分稳定，不会在丝材末端运动和旋转，在自身重力和气体吹力的作用下实现短路过渡，形成了十分稳定的堆积层，提高电弧增材制造构件的精度。图8为单电源三丝共熔滴堆积层与单电源单丝堆积层截面对比图，其中(a)为单电源三丝共熔滴堆积层截面图，(b)为单电源单丝堆积层截面图，从图中可以看出，本发明的单电源三丝共熔滴的电弧增材制造系统所形成的堆积层层宽较宽，且宽高比较小，在增材制造堆积过程中，减少了搭接次数。在增材制造过程中，搭接处往往较易产生缺陷。因此，单电源三丝共熔滴电弧增材制造可以减少构件的缺陷率，提高构件的质量。并且由于单电源三丝共熔滴电弧堆积层的宽高比较小，相较于单丝电弧增材制造形成的构件表面更加平整，提高了构件的精度。

总之，本发明采用单电源同时熔化三根丝材形成一个共同的熔滴，三根金属丝材分布在共同熔滴内，且三根丝材在通过导电嘴后相互平行，在电弧增材制造过程中，三根金属丝材从同一台三丝送丝机中沿着送丝管路以相同的送丝速度向前输送，并且三根金属丝材的电流完全相同。当电弧增材制造过程开始时，三根金属丝材同时起弧形成一个整体电弧，伴随着电弧的稳定燃烧，三根金属丝材的端部同时熔化，形成一个共同的熔滴，在重力、气体吹力等的共同作用下过渡到打印工件的熔池中。单电源三丝共熔滴电弧相较于普通单电源单丝电流更大，因此电弧挺度大，不容易产生电弧飘移的现象，且三根金属丝材形成的共同熔滴位于三根丝材上，熔滴受到三根金属丝材牵制作用，熔滴十分稳定，不会在丝材末端运动与旋转，形成稳定的熔池和堆积层。因此，单电源三丝共熔滴电弧增材制造可以避免单丝电弧在增材制造过程中出现的电弧飘移与熔滴旋转现象，造成熔池尺寸波动大，成形精度低的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。