用于分层增材制造的多头自动堆焊中心及堆焊方法与流程

本发明属于焊接设备领域，具体涉及一种用于分层增材制造的多头自动堆焊中心及堆焊方法。

背景技术：

许多机械的重要金属零部件在使用过程中，常要求表面或局部要有较高的耐磨性、耐热性及耐蚀性等特殊性能，同时又要求整体具有较好的强韧性配合，这种要求采用单一材质和处理工艺是难以达到的。随着堆焊分层增材制造的快速发展，不仅可实现同一切层上不同的材料结合，而且不同分层处理层的材料还可以变化，使具有复杂性能材料的直接制造成为可能。但现有的堆焊工艺受限于设备的影响，分层制造一个非均质材料零件时，需要频繁的更换焊头及焊材，效率较低，不能很好的用于非均质材料零件的制造，实际上多用于均质材料零件的制造。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于分层增材制造的多头自动堆焊中心及堆焊方法，该堆焊中心和堆焊方法能够一次性完成非均质复杂零件的分层增材制造。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于分层增材制造的多头自动堆焊中心，包括三维移动装置、控制系统和用于放置待加工零件的工作台，三维移动装置的传动末端设有至少三个并排的焊枪以及与焊枪一一对应的气缸和送丝机构，气缸能够带动对应焊枪指向或离开工作台，每个气缸均由一个电控换向阀控制，每个送丝机构内的焊丝材质均不相同，所有焊枪均连接至一个气道分配器，气道分配器通过集成式电控换向阀与保护气体设备连接，所有焊枪共用一台具有切换功能的电源设备或者各自连接一台电源设备，控制系统分别与三维移动装置、送丝机构、电控换向阀、集成式电控换向阀和电源设备连接。

进一步地，三维移动装置包括均采用电机驱动滚珠丝杠副传动的横向移动机构、立向移动机构和纵向移动机构，立向移动机构安装在横向移动机构的传动末端，纵向移动机构安装在立向移动机构的传动末端，焊枪、气缸、送丝机构和气道分配器安装在纵向移动机构的传动末端。

进一步地，工作台包括台座，台座上从下到上依次设有电加热板、绝缘板和工作台面，工作台面四周围有保温罩。

进一步地，焊枪中部与三维移动装置的传动末端铰接，焊枪后部与气缸的推杆铰接。

进一步地，控制系统为PLC控制器或工控机。

一种基于上述用于分层增材制造的多头自动堆焊中心的堆焊方法，在分层制造非均质零件时，按照零件每一层面上各部分的材质和性能要求，依次选择不同材质的焊丝及其对应焊枪一次性完成堆焊，在堆焊过程中，在控制系统的统一调控下，通过电控换向阀控制焊枪是否投入使用、通过三维移动装置控制焊枪的定位和移动路径、通过送丝机构控制送丝速度与启停时间、通过集成式电控换向阀控制保护气体的分配、通过电源设备控制焊枪的工作参数。

本发明的有益效果是：

1.多个焊枪与送丝机并联安装，根据零件的的材质和性能要求，可以借助不同的焊枪及焊丝实现非均质零件的逐层制造；控制系统精确控制焊枪的运动轨迹及焊枪间的衔接工作，一次性完成非均质零件的分层增材制造、加工效率高；三维移动装置带动焊枪进行三个方向的线性运动，能够一次完成复杂零件的制造。

2.采用电机驱动易于控制，采用滚珠丝杠副传动平稳、精度高；横向移动机构带动立向移动机构和纵向移动机构做左右运动，立向移动机构带动纵向移动机构做上下运动，纵向移动机构带动焊枪系统(焊枪、气缸、送丝机构和气道分配器)作前后运动。

3.设置电加热板和保温罩，可以防止已成形零件表层冷却过快产生裂纹从而导致修复区域失效。

4.气缸伸出或缩回推杆可以带动焊枪绕焊枪中部的铰点摆动。

5.PLC控制器或工控机编程简单、操作简单。

6.采用该方法能够一次性完成非均质复杂零件的分层增材制造。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图中：1-焊枪一；2-焊枪二；3-焊枪三；4-气缸；5-电控换向阀；6-滑板；7-送丝机构；8-气道分配器；9-集成式电控换向阀；10-纵向移动机构；11-横向移动机构；12-减速机；13-控制系统；14-保温罩；15-工作台面；16-电加热板；17-台座；18-右滑架；19-升降座；20-立向移动机构；21-底座；22-左滑架。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，一种用于分层增材制造的多头自动堆焊中心，包括三维移动装置、控制系统13和用于放置待加工零件的工作台，三维移动装置的传动末端设有至少三个并排的焊枪(在本实施例中，为3个并排的焊枪，值的注意的是，焊枪的数目是根据零件的的材质和性能要求确定的，并不限于3个)以及与焊枪一一对应的气缸4和送丝机构7，气缸4能够带动对应焊枪指向或离开工作台，每个气缸4均由一个电控换向阀5控制(通过控制电控换向阀5的开关来控制气缸4的动作)，每个送丝机构7内的焊丝材质均不相同，所有焊枪均连接至一个气道分配器8，气道分配器8通过集成式电控换向阀9与保护气体设备连接(通过控制集成式电控换向阀9的开关来分配保护气体)，所有焊枪共用一台具有切换功能的电源设备或者各自连接一台电源设备(以满足不同材质的焊丝所需的焊接电流值)，控制系统13分别与三维移动装置、送丝机构7、电控换向阀5、集成式电控换向阀9和电源设备连接。

多个焊枪与送丝机并联安装，根据零件的的材质和性能要求，可以借助不同的焊枪及焊丝实现非均质零件的逐层制造；控制系统13精确控制焊枪的运动轨迹及焊枪间的衔接工作，一次性完成非均质零件的分层增材制造、加工效率高；三维移动装置带动焊枪进行三个方向的线性运动，能够一次完成复杂零件的制造。

如图1和图2所示，在本实施例中，三维移动装置包括均采用电机驱动滚珠丝杠副传动的横向移动机构11、立向移动机构20和纵向移动机构10，立向移动机构20安装在横向移动机构11的传动末端，纵向移动机构10安装在立向移动机构20的传动末端，焊枪、气缸4、送丝机构7和气道分配器8安装在纵向移动机构10的传动末端。采用电机驱动易于控制，采用滚珠丝杠副传动平稳、精度高；横向移动机构11带动立向移动机构20和纵向移动机构10做左右运动(在本实施例中，左行程为300mm、右行程为450mm)，立向移动机构20带动纵向移动机构10做上下运动(在本实施例中，上下行程为250mm)，纵向移动机构10带动焊枪系统(焊枪、气缸4、送丝机构7和气道分配器8)作前后运动(在本实施例中，前后行程为300mm)。

如图1和图2所示，在本实施例中，横向移动机构11包括底座21以及设在底座21上的横向电机、减速机12、滚珠丝杠、滑架(包括左滑架22和右滑架18)和导轨，横向电机通过减速机12与滚珠丝杠连接，滑架与滚珠丝杠配合，滑架由导轨约束作直线运动，立向移动机构20安装在滑架上(立向移动机构20安装在左滑架22和右滑架18之间)；立向移动机构20包括立向电机、滚珠丝杠、升降座19和导轨，立向电机与滚珠丝杠连接，升降座19与滚珠丝杠配合，升降座19由导轨约束作直线运动，纵向移动机构10安装在升降座19上；纵向移动机构10包括纵向电机、滚珠丝杠、滑板6和导轨，纵向电机与滚珠丝杠连接，滑板6由导轨约束作直线运动，滑板6与滚珠丝杠配合，焊枪系统(焊枪、气缸4、送丝机构7和气道分配器8)安装滑板6上。

如图1所示，在本实施例中，工作台包括台座17，台座17上从下到上依次设有电加热板16、绝缘板和工作台面15，工作台面15四周围有保温罩14。置电加热板16和保温罩14，可以防止已成形零件表层冷却过快产生裂纹从而导致修复区域失效。

如图1所示，在本实施例中，焊枪中部与三维移动装置的传动末端铰接，焊枪后部与气缸4的推杆铰接。气缸4伸出或缩回推杆可以带动焊枪绕焊枪中部的铰点摆动。

在本发明中，控制系统13可以选择PLC控制器或者工控机。PLC控制器或工控机编程简单、操作简单。

一种基于上述用于分层增材制造的多头自动堆焊中心的堆焊方法，在分层制造非均质零件时，按照零件每一层面上各部分的材质和性能要求，依次选择不同材质的焊丝及其对应焊枪一次性完成堆焊，在堆焊过程中，在控制系统13的统一调控下，通过电控换向阀5控制焊枪是否投入使用、通过三维移动装置控制焊枪的定位和移动路径、通过送丝机构7控制送丝速度与启停时间、通过集成式电控换向阀9控制保护气体的分配、通过电源设备控制焊枪的工作参数。该方法能够一次性完成非均质复杂零件的分层增材制造。

本发明实施例的具体工作过程是：首先预热工作台面15，然后向控制系统13输入控制程序，控制程序是根据待加工零件的分层几何特征和材料组织结构编制的。当达到预热要求后，控制系统13发出指令，通过三维移动装置中横向移动机构11、立向移动机构20和纵向移动机构10的移动，实现焊枪的精确定位，同时按照零件每一层面上各部分的的材质和性能要求，选择不同材质的焊丝及其焊枪对零件进行堆焊，以焊枪一1为例，当焊枪一1工作时，送丝机构7将焊丝送入到焊枪一1中，并打开对应电控换向阀5的开关，使气缸4下止点上移带动焊枪一1下移，同时通过集成式电控换向阀9的开关将保护气体送入到焊枪一1中，进行增材制造。当焊枪一1工作完成后，送丝机构7停止送丝，气缸4上止点下移带动焊枪一1上移，并控制集成式电控换向阀9将保护气体送入到下一个工作的焊枪二2中，各焊枪和送丝机构7工作时平稳配合，最终完成非均质零件的逐层制造。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。