一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化装置的制作方法

本实用新型属于电弧增材制造领域，具体涉及一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化装置。

背景技术：

电弧增材制造技术是以电弧为热源熔化金属丝材，按照计算机预设路径层层堆积成型三维金属构件的方法。与激光热源和电子束热源相比，电弧增材制造依托于现有焊接设备和焊材，设备及原材料的成本低，丝材的利用率高，在大气环境下即可实现超大型复杂构件的成型。理论上，利用电弧增材制造可以实现任意形状的任意金属材料及金属基复合材料成型。

然而，受市场现有丝材种类和可填丝数量的限制，目前的电弧增材制造还主要送填单质金属丝及小比例合金丝，可填丝数量还未突破双丝，难以实现用于电弧增材制造金属材料的原位合金化和复合化，严重限制了电弧增材制造在工业中的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化装置，包括喷涂装置、熔丝装置和翻转工作台；

所述翻转工作台上表面用于安装基板，所述翻转工作台可实现水平工作位和垂直工作位的切换，当翻转工作台位于水平工作位时，熔丝装置在基板上进行熔丝堆积，当翻转工作台位于垂直工作位时，喷涂装置在基板上已堆积层表面进行喷涂；

所述喷涂装置包括压气机、气流通道、粉末料箱、喷嘴和喷涂控制机器人，所述压气机连接气流通道，气流通道分岔为第一气流通道和第二气流通道，所述第一气流通道上设置有用于填料的粉末料箱，所述第二气流通道上设置有加热气体的加热室，所述第一气流通道和第二气流通道汇聚至喷嘴，所述喷嘴固定于喷涂控制机器人的机械手臂上受其驱动；

所述熔丝装置包括电弧热源、自动填丝机和熔丝控制机器人，所述电弧热源和自动填丝机的导丝嘴安装于熔丝控制机器人的机械手臂上。

在上述技术方案中，所述翻转工作台通过水平限位器对位于水平工作位的翻转工作台进行限位。

在上述技术方案中，所述翻转工作台通过垂直限位器对位于垂直工作位的翻转工作台进行限位。

在上述技术方案中，所述翻转工作台通过转轴实现水平工作位和垂直工作位的切换。

在上述技术方案中，所述基板通过基板卡具固定于翻转工作台上表面。

在上述技术方案中，所述喷涂控制机器人和熔丝控制机器人均为六轴关节机器人。

在上述技术方案中，所述压气机采用的气体为空气、氮气、氩气、氦气中的至少一种。

在上述技术方案中，所述粉末料箱采用的粉末为纯金属粉末、合金粉末、金属-陶瓷复合粉末中的至少一种。

在上述技术方案中，所述自动填丝机通过填丝机卡具固定于熔丝控制机器人的机械手臂上。

一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化方法，

1)根据金属零件的外观尺寸设计切片模型，然后根据每一层切片的具体特征进行沉积路径规划；

2)将打磨、清洗、烘干后的基板固定在翻转工作台上；

3)旋转翻转工作台至垂直工位；

4)喷涂控制机器人带动喷嘴移动，在基板目标层沉积路径上喷涂一定厚度的目标粉末，喷涂完毕后，旋转翻转工作台至水平工位；

5)熔丝控制机器人带动电弧热源配合自动填丝机在上述喷涂的粉末层上进行电弧填丝完成数个金属沉积层的熔凝成型，

6)依次重复进行步骤4)粉末喷涂和步骤5)金属层沉积直至零件完全成型。

在上述技术方案中，在步骤5)中，所述电弧填丝根据电弧增材制造材料的元素特性选择填单丝、填双丝、填三丝中的至少一种。

本实用新型的优点和有益效果为：

1.本实用新型通过所述气体动力喷涂装置可以实现原位喷涂多种纯金属粉末、合金粉末、金属-陶瓷复合粉末，能够最大程度上实现电弧增材制造材料合金化与复合化。

2.本实用新型所述气体动力喷涂装置进行原位喷涂粉末时，产生的携带粉末颗粒的高速气体射流冲击沉积层表面，起到喷丸强化的作用，引入压应力层，降低表面粗糙度，优化电弧增材制造金属构件组织性能。

3.本实用新型所述装置完全依托于现有焊接设备与市场现有喷涂设备，无须额外的设备研发费用，所述喷粉及后续电弧填丝过程均由六轴关节机器人编制程序控制，可进行自动化操作，工作效率高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为ti6al4v/3vol.％tib显微组织低倍背散射电镜照片。

图3为ti6al4v/3vol.％tib显微组织高倍二次电子电镜照片。

其中：1为压气机，2为粉末料箱，3为喷涂控制机器人，4为喷嘴，5为垂直限位器，6为电弧热源，7为填丝机卡具，8为自动填丝机，9为熔丝控制机器人，10为翻转工作台，11为水平限位器，12为基板卡具，13为基板，14为工件，15为加热室，16为气流通道。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

如图1所示一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化装置，包括喷涂装置、熔丝装置和翻转工作台10；

所述翻转工作台上表面用于安装基板，所述翻转工作台可实现水平工作位和垂直工作位的切换，当翻转工作台位于水平工作位时，熔丝装置在基板上进行熔丝堆积，当翻转工作台位于垂直工作位时，喷涂装置在基板上已堆积层表面进行喷涂；

所述喷涂装置包括压气机1、气流通道16、粉末料箱2、喷嘴4和喷涂控制机器人3，所述压气机连接气流通道，气流通道分岔为第一气流通道和第二气流通道，所述第一气流通道上设置有用于填料的粉末料箱，所述第二气流通道上设置有加热气体的加热室15，所述第一气流通道和第二气流通道汇聚至喷嘴4，所述喷嘴固定于喷涂控制机器人的机械手臂上受其驱动；

所述熔丝装置包括电弧热源6、自动填丝机8和熔丝控制机器人9，所述电弧热源和自动填丝机的导丝嘴安装于熔丝控制机器人的机械手臂上。

所述翻转工作台通过水平限位器11对位于水平工作位的翻转工作台进行限位。

所述翻转工作台通过垂直限位器5对位于垂直工作位的翻转工作台进行限位。

所述翻转工作台通过转轴实现水平工作位和垂直工作位的切换。

所述基板通过基板卡具固定于翻转工作台上表面。

所述喷涂控制机器人和熔丝控制机器人均为六轴关节机器人。

所述压气机采用的气体为空气、氮气、氩气、氦气中的至少一种。

所述粉末料箱采用的粉末为纯金属粉末、合金粉末、金属-陶瓷复合粉末中的至少一种。

所述自动填丝机的导丝嘴通过填丝机卡具固定于熔丝控制机器人的机械手臂上。

实施例2

一种交替熔丝送粉的电弧增材制造原位合金化方法，按照下列步骤进行：

1)根据金属零件的外观尺寸设计切片模型，然后根据每一层切片的具体特征进行沉积路径规划；

2)将打磨、清洗、烘干后的基板固定在翻转工作台上；

3)旋转翻转工作台至垂直工位；

4)喷涂控制机器人带动喷嘴移动，在基板目标层沉积路径上喷涂一定厚度的目标粉末，喷涂完毕后，旋转翻转工作台至水平工位；

5)熔丝控制机器人带动电弧热源配合自动填丝机在上述喷涂的粉末层上进行电弧填丝完成数个金属沉积层的熔凝成型，电弧填丝根据电弧增材制造材料的元素特性选择填单丝、填双丝、填三丝中的至少一种。

6)依次重复进行步骤4)粉末喷涂和步骤5)金属层沉积直至零件完全成型。

实施例3

a：准备阶段

以直径为1.2mm的ti6al4v钛合金焊丝为原材料。

考虑到tib2粉末变形困难不易喷涂至基板上，将质地较软的ti6al4v合金粉(粒度范围30-45μm)和tib2陶瓷粉(粒径范围10-15μm)以6:4的质量比进行高能球磨，使tib2陶瓷粉嵌入到ti6al4v合金粉表面制成混合粉末作为原位合金化材料。

制备外形尺寸为120mm长、10mm宽、50mm高的“壁”式构件，根据外观尺寸设计切片模型并进行沉积路径规划；

将厚度为5mm的ti6al4v钛合金基板经打磨、清洗、烘干后固定在翻转工作台上；

旋转翻转工作台至垂直工位；

b：喷涂阶段

喷涂混合粉末使用设备为plasmagiken生产的pcs-800型冷喷涂设备，其中第一流道送粉气体为99.999％纯氩气，气压为2.5mpa，进粉速率为0.5克每秒；第二流道气体为99.999％纯氩气，气压为2.2mpa，在加热室加热温度300℃，喷涂距离设置为20mm，喷嘴材质为不锈钢喷嘴。

进行喷涂之前，预先开启第一流道与第二流道氩气2-3分钟，排净流道内的空气。

启动喷涂控制机器人带动喷嘴以10毫米每秒的扫描速度在基板目标层沉积路径上移动，喷涂完毕后，旋转翻转工作台至水平工位；

c：熔丝阶段

熔丝所采用的热源是fronius生产的transtig-5000型非熔化极惰性气体保护焊焊接热源，钨极直径为2.4mm，焊接电流为120安培，ti6al4v钛合金焊丝的送进速度为2米每分钟，熔丝控制机器人带动电弧热源以2毫米每秒的扫描速度配合自动填丝机在上述喷涂的粉末层上进行电弧填丝单个金属沉积层的熔凝成型，待金属沉积层在氩气环境下由高温红色冷却至低温银白色，撤回熔丝装置，旋转翻转工作台至垂直工位。

依次重复进行粉末喷涂和金属层沉积直至零件完全成型，最终制备出含有约3％体积分数tib晶须强化的ti6al4v钛合金构件。

图2为ti6al4v/3vol.％tib显微组织低倍背散射电镜照片，其中灰色组织为ti6al4v基体，黑色相为tib。

图3为ti6al4v/3vol.％tib显微组织高倍二次电子电镜照片，其中黑色组织为ti6al4v基体，白色相为tib晶须。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。