一种中空电极送丝电弧增材制造系统及方法

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种中空电极送丝电弧增材制造系统及方法。

背景技术：

由于生产工艺的飞速发展以及材料成本不断增高，单靠一种材料难以满足特定需求，而异种金属复合结构可以充分发挥每种材料各自的优势。但是，对异种合金件的连接而言，界面是其最薄弱的环节，材料成型后抗拉强度与层间结合强度是当前急需解决的关键科学问题。所以连接工艺的选择成为影响异种合金连接界面性能的关键因素之一。目前用于异种合金的连接工艺有多种，包括钎焊、激光焊、扩散焊、线性摩擦焊、电子束焊和激光立体成形技术等。

钎焊利用比母材熔点低的材料做钎料，在低于母材熔点，高于钎料熔点的某一温度下加热，使液态钎料润湿母材，填充接头间隙，实现与母材原子间结合。它适于薄件、小件、形状复杂焊件的焊接，且对于具有低温脆性、热裂倾向等无法用熔焊方法获得满意接头的异种合金连接，钎焊方法简单、成本低、周期短，较为适宜。

激光焊是以聚焦的激光束作为热源轰击焊缝处，利用所产生的热量进行焊接的方法。它具有能量密度高，热变形小，热影响区小的特点，适合于高熔点金属的焊接，并且能净化熔池，纯净焊缝金属。

扩散焊是在真空及保护气体的环境下，使两焊接件紧密结合，在一定的温度和压力下保持一段时间，使两种材料接触面间的原子相互扩散的一种压焊方法。这种工艺不需要焊条、熔剂，焊后不会增加构件的质量、无需去除氧化皮、焊渣和焊瘤，与激光焊、电子束焊等熔焊相比，不生成气孔、裂纹等缺陷，残余应力小，变形小，多适用于薄板焊接。

线性摩擦焊利用两工件做高频低振幅往复直线运动在接触面上产生的摩擦热，使界面金属塑性化，后停止运动施加顶锻力，最终界面通过扩散和再结晶得到可靠连接。由于产热机制与扩散焊不同，因此它除了具有扩散焊的优点外，还由于焊接过程热量集中在摩擦处，使得热影响区较窄，界面处晶粒细小，不易产生缺陷。

电子束焊是以加速和聚集的电子束轰击真空中的焊件产生热能进行焊接的方法。电子束焊的能量密度高、焊接保护优良且效率较高，焊件热影响区小，较其他熔焊方法，能得到质量更高的焊缝。因此，广泛用于连接难熔金属及它们之间的异种金属，多在汽车或航空发动机的叶片等部件使用。

分析比较几种不同成形方法可知，钎焊、扩散焊、激光焊3种连接工艺连接异种合金时，由于接头形式和结合能力的限制，连接界面强度较低，若用于连接结构材料，无法满足力学性能的要求。扩散焊和激光焊又多适用于薄板焊接。相比此3种连接工艺，电子束焊的穿透力更强，获得熔深更深，且热影响区小，广泛应用于异种金属连接，但其需要较高的真空环境，设备成本昂贵，易造成射线泄露。而线性摩擦焊界面处晶粒细小不易产生缺陷，热影响区较窄，成为航空制造业中的主要技术之一。激光立体成形技术将块状金属的连接转化为粉末金属直接成形，将成分偏析很好地限制在颗粒尺寸之内，提高了制件的力学性能。采用线性摩擦焊、电子束焊和激光立体成形技术均可获得接头性能较好的零部件，但其都存在设备成本高，加工效率低，灵活性差等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种中空电极送丝电弧增材制造系统及方法，在提高成形效率的同时，作用于中空电极与成形基板上的脉冲焊接电流能够起到搅拌熔池、有效细化成形制件晶体组织的作用，降低了金属增材制造制件的加工时间和成本。

本发明采用以下技术方案：

一种中空电极送丝电弧增材制造系统，包括丝轮和基板，基板表面通电后形成熔池，丝轮将金属焊丝经中空电极焊接起弧装置的中空电极内部通道送入熔池熔化堆积，中空电极通过氩气保护罩与惰性气体保护装置连接，惰性气体保护装置能够形成惰性气体环境使熔池与空气隔离，通过基板在平面内移动实现金属的增材制造。

具体的，金属焊丝的一端与丝轮连接，另一端经过第一送丝轮与第二送丝轮之间进入中空电极内，第一送丝轮和第二送丝轮设置在中空电极焊接起弧装置的正上方。

具体的，中空电极竖直设置在氩气保护罩内，中空电极与氩气保护罩之间依次设置有循环流道和中空电极加紧套。

进一步的，中空电极加紧套与中空电极之间采用过盈配合方式连接。

具体的，中空电极通过中空电极引线与焊机的正极连接，焊机的负极通过基板引线与基板连接。

具体的，惰性气体保护装置包括氩气罐，氩气罐通过氩气管与氩气保护罩连接。

进一步的，氩气罐与氩气管之间设置有通断阀。

进一步的，氩气罐上设置有压力表。

本发明的另一技术方案是，一种中空电极送丝电弧增材制造系统的工作方法，惰性气体保护装置运行，以15～20l/min的速度向中空电极中通入氩气，通电使中空电极与基板之间形成等离子体电弧，在基板表面形成熔池；以2～5m/min的送丝速率将金属焊丝送入熔池内熔化，通入的氩气对中空电极内送入的金属焊丝及熔池表面局部区域形成气体保护；移动基板，待熔池冷却凝固后形成逐层堆积的金属制件。

具体的，金属增材制造完成后，先关闭中空电极焊接起弧装置，然后关闭增材制造装置，最后关闭惰性气体保护装置。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种中空电极送丝电弧增材制造系统，通过将不同焊丝材料高速送入中空电极与成形基板等离子电弧区，进而直接插入成形基板熔池中，在提高成形效率的同时，作用于中空电极与基板上的脉冲电流能够起到搅拌熔池、有效细化成形制件晶体组织的作用，该方法降低金属制件加工时间和成本。

进一步的，第一送丝轮和第二送丝轮在保证平滑送丝过程的同时，保证焊丝进入中空电极内部通道时具有较好的直线度，进而提高焊丝送入熔池时的位置精度。

进一步的，循环冷却流道能够及时有效的带走起弧过程中空电极所产生的热能，避免中空电极的过热损坏。

进一步的，采用过盈配合连接有利于根据不同焊丝材料及直径快速替换中空电极加紧套(6)，提高成形设备的焊丝适应性。

进一步的，焊机采用可变极性焊接电流，变极性焊接电流利用其“阴极清理”效应可及时有效清除沉积层表面或基板表面的金属氧化膜，避免沉积内部氧化物夹杂。

进一步的，采用氩气管连接增加了成形设备的柔性。

进一步的，通过通断阀可实施调控供气流量及供气的通断，节约用气量。

进一步的，通过压力表准确读取实时氩气流量及压力值提供数据。

一种中空电极送丝电弧增材制造系统的工作方法，用于不同焊丝材料的高效低成本电弧增材制造，能够有效细化成形制件晶体组织，提供成形制件力学性能，降低金属增材制造制件的加工时间和成本，为解决当前非熔化极电弧熔丝增材制造中存在的熔丝方位与成形路径非对称性问题提供了一种思路。综上所述，本发明通过将不同焊丝材料高速送入中空电极与成形基板等离子电弧区，进而直接插入成形基板熔池中，在提高成形效率的同时，作用于中空电极与成形基板上的脉冲焊接电流能够起到搅拌熔池、有效细化成形制件晶体组织的作用，降低了金属增材制造制件的加工时间和成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

其中：1.氩气罐；2.压力表；3.通断阀；4.氩气管；5.氩气保护罩；6.中空电极加紧套；7.循环流道；8.中空电极；9.第一送丝轮；10.第二送丝轮；11.金属焊丝；12.丝轮；13.中空电极引线；14.焊机；15.基板引线；16.基板；17.熔池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种中空电极送丝电弧增材制造系统，利用中空电极焊接起弧装置和增材制造装置连接实现电弧增材制造，在中空电极焊接起弧装置上设置惰性气体保护装置。

增材制造装置用于不同焊丝材料的高效低成本电弧增材制造，能够有效细化成形制件晶体组织，提供成形制件力学性能，降低金属增材制造制件的加工时间和成本。中空电极内送丝电弧增材制造方法，为解决当前非熔化极电弧熔丝增材制造中存在的熔丝方位与成形路径非对称性问题提供了一种思路。

增材制造装置包括第一送丝轮9，第二送丝轮10，丝11，丝轮12，基板16和熔池17。

第一送丝轮9与第二送丝轮10分别固定并可以绕着中心旋转；丝11缠绕在中心固定可旋转的丝轮12，另一端夹在第一送丝轮9与第二送丝轮10之间。

基板16相互连接，且基板16在平面内可以移动；接通电源形成熔池17。

中空电极焊接起弧装置，采用中空电极焊接起弧，可形成浅层熔池，避免大熔深的同时增加了熔丝效率，有利于提高成形效率。

中空电极焊接起弧装置包括氩气保护罩5、中空电极加紧套6、循环流道7、中空电极8、焊机正极13、焊机14和焊机负极15。

氩气保护罩5，中空电极加紧套6和循环流道7依次采用螺纹方式进行连接；中空电极加紧套6与中空电极8之间采用过盈配合方式连接。

惰性气体保护装置，中空电极中通入的氩气，为中空电极与成形基板间形成等离子体电弧提供了电离介质，等离子体电弧的形成将直接熔化成形基板表面从而形成熔池。同时，氩气的通入将对中空电极内送入的焊丝及熔池表面局部区域形成有效气体保护，避免金属熔体与空气直接接触形成金属氧化物。

惰性气体保护装置包括氩气罐1、压力表2、通断阀3和氩气管4，氩气罐1、压力表2、通断阀3和氩气管4依次通过螺纹连接。

请参阅图1，氩气罐1设置于地面上，氩气罐1上设置有压力表2；氩气罐1通过通断阀3与氩气管4的一端连接，氩气管4的另一端设置在氩气保护罩5内，氩气保护罩5内竖直设置有中空电极8，中空电极8外部套装有循环流道7，循环流道7的外部通过中空电极加紧套6与氩气保护罩5连接；中空电极8的上方设置有第一送丝轮9和第二送丝轮10，丝11的一端与丝轮12连接，另一端经第一送丝轮9和第二送丝轮10后进入中空电极8，中空电极8的下端设置有可移动的基板16，基板16通电后形成熔池17，基板16通过基板引线15与焊机14的负极连接，焊机14的正极通过中空电极引线13与中空电极8连接。

本发明一种中空电极送丝电弧增材制造系统的工作过程如下：

启动操作步骤：惰性气体保护装置先运行，通断阀3处于通的状态，氩气在中空电极8的末端和熔池17周围形成惰性气体环境使熔池17与空气隔离；

中空电极焊接起弧装置运行，启动焊机14，中空电极8与基板16形成电弧，加热基板16，出现熔池17；最后增材制造装置启动，第一送丝轮9和第二送丝轮10将丝11送入熔池17熔化，同时基板16在平面内移动实现金属的增材制造功能。

停止操作步骤：关闭中空电极焊接起弧装置的焊机14，关闭增材制造装置，最后关闭惰性气体保护装置。

综上所述，本发明一种中空电极送丝电弧增材制造系统及方法，具有以下特点：

1、通过中空电极后到达电弧温度最高的中心位置，在高温作用下实现两种金属材料能够更充分地液液融合，促使两种金属的原子能够更好的相互扩散和化学反应，使得成型后内部组织质量最佳。

2、中空电极实现丝到达熔池后永远处于熔池的中间位置，丝熔融后并向两侧对称扩散，实现在熔池的正中间凸起，并向两边平缓降低，使得成型后外部表面纹理更加细腻。

3、省去了送丝装置的末端执行器，能够简化了送丝电弧增材制造系统的复杂性，降低了送丝电弧增材制造系统的工艺搭建与工艺实现的难度。

4、水冷装置保证丝在中空电极内部永远处于固体状态，同时使中空电极的温度处于低温状态，防止中空电极的熔化。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。