本发明涉及一种电弧增材制造方法，属于金属增材制造技术领域。
背景技术
金属增材制造技术多采用直接金属激光烧结（dmls），选择性激光融化成型（slm），选择性激光烧结（sls），电子束熔化烧结（ebm）及尚未成熟的基于熔焊方法的金属丝熔融沉积成型技术。目前成熟的金属增材制造技术大多需要预先制备金属粉末，存在制造效率低，制造成本高，致密度低等缺陷。
电弧增材制造技术（wirearcadditivemanufacture，waam）是一种利用电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。它具有沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、成本低等优点。
由于电弧增材制造是熔化丝材进行液态熔滴过渡的方式进行的，受熔滴过渡和熔池流动的影响，增材制造复杂薄壁件的难度大，特别是对于具有形状尺寸结构变化大的薄壁金属结构成形困难。因此，亟需开发一种能够实现复杂薄壁结构电弧增材制造的方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电弧增材制造方法，tig焊枪按照计算机切片形状及轨迹移动，并在基板上进行金属熔敷，同时通过喷嘴喷出氩气对已制造件进行保护。通过逐层熔敷堆积的方式，可以成形倾斜角在45°～135°范围内的高致密度薄壁三维零件，该发明具有过程稳定、尺寸精度和表面质量高、加工周期短、成本低等优点。
为达到上述目的，本发明提供
一种电弧增材制造方法，包括以下步骤：
（1）根据成形目标零件的材料要求选用相应的热源类型、成形丝材、基板的材料类型；
（2）建立成形目标零件的cad几何模型，提取stl模型，对stl模型进行分析，对stl模型进行切片处理，自动规划成形路径，生成打印所需的g代码文件，并将g代码传输至打印机；
（3）设置打印参数，启动打印设备，设置打印零件的形状尺寸，按照规划路径逐层进行金属薄层打印；
（4）待打印机将全部层片打印完毕，焊枪息弧，即可得到成形目标零件。
优先地，所述步骤(2)中，建立成形目标零件的cad几何模型，提取stl模型，对stl模型进行分析，对成形目标零件的cad几何模型进行逐层平面扫描；步骤（3）中，钨针电极与基板之间持续产生电弧，三轴数控机床上成形丝材在送丝机的驱动下由送丝嘴送入电弧区间熔化，并堆积铺展在基板上,形成与扫描路径相同的金属薄层。
优先地，步骤（3）中，采用钨极氩弧焊作为热源，基板材质为不锈钢，成形丝材为与基板材质相同的焊丝，焊丝直径为0.8mm,由送丝嘴送入电弧区间的送丝角度与水平面夹角为15°～25°或45°～135°；焊枪的钨针、焊丝和基板间的距离关系为：焊丝上表面与钨针的距离大于4mm，焊丝下表面与钨针的距离小于5mm，焊丝下表面与基板距离为0.3～0.4mm。
优先地，步骤（3）中，成形参数为：增材制造电流为125a～135a，层高为0.4～0.6mm，增材制造速度范围为250mm/min～650mm/min，送丝速度为100cm/min～450cm/min，弧长维持在3～4mm。
优先地，所述步骤（3）中，成形目标零件的首层制造速度为250mm/min，弧长5mm，送丝速度为120mm/min；成形目标零件的第二层制造速度为300mm/min，弧长控制在3～4mm；成形目标零件第三层制造速度为350mm/min，弧长控制在3～4mm。
优先地，成形目标零件第四层制造速度为400mm/min，弧长控制在3～4mm；成形目标零件第五层制造速度为450mm/min，弧长控制在3～4mm；成形目标零件第六层及之后的第n层制造速度可控制在450mm/min～650mm/min范围内，弧长控制在3～4mm，n大于等于7。
优先地，所述步骤(3)中，通过调节打印设备的电流来调整打印零件的壁厚，实现壁厚介于4mm～8mm的薄壁增材制造模型。
优先地，基板放置在三轴数控机床的工作台上，基板沿x轴和y轴方向水平运动，焊枪固定在数控机床上沿z轴方向垂直运动。
本发明所达到的有益效果：
通过本发明方法打印的增材件误差小，无裂纹，具有表面质量好的优点，同时过程稳定、尺寸精度和表面质量高、加工周期短、成本低；打印过程闭环控制，自动化程度高，可减轻操作人员劳动量；可连续制造，制造效率高；仅需要三轴机床，即可打印圆柱侧壁，立方体侧壁等多种薄壁件，成本低廉，制造薄厚小于5.5mm，具有良好的成形质量；同时，本发明还可以进行倾斜角介于45°～135°的斜面增材制造，如圆锥与棱台等斜面封闭薄壁件的制造，适用范围广泛。
附图说明
图1是本发明中焊枪、焊丝与基板的位置图；
图2是本发明制造的增材制造薄壁花瓶件的结构图。
附图中标记含义，1-焊枪；2-焊丝；3-基板；4-喷嘴；5-钨极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种电弧增材制造方法，包括以下步骤：
（1）根据成形目标零件的材料要求选用相应的热源类型、成形丝材、基板的材料类型；
（2）建立成形目标零件的cad几何模型，提取stl模型，对stl模型进行分析，对stl模型进行切片处理，自动规划成形路径，生成打印所需的g代码文件，并将g代码传输至打印机；
（3）设置打印参数，启动打印设备，设置打印零件的形状尺寸，按照规划路径逐层进行金属薄层打印；
（4）待打印机将全部层片打印完毕，焊枪息弧，即可得到成形目标零件。
进一步地，所述步骤(2)中，建立成形目标零件的cad几何模型，提取stl模型，对stl模型进行分析，对成形目标零件的cad几何模型进行逐层平面扫描；步骤（3）中，钨针电极与基板之间持续产生电弧，三轴数控机床上成形丝材在送丝机的驱动下由送丝嘴送入电弧区间熔化，并堆积铺展在基板上,形成与扫描路径相同的金属薄层。
进一步地，步骤（3）中，采用钨极氩弧焊作为热源，基板材质为不锈钢，成形丝材为与基板为材质相同的焊丝，焊丝直径为0.8mm,由送丝嘴送入电弧区间的送丝角度与水平面夹角为15°～25°或45°～135°；焊枪的钨针、焊丝和基板间的距离关系为：焊丝上表面与钨针的距离大于4mm，焊丝下表面与钨针的距离小于5mm，焊丝下表面与基板距离为0.3～0.4mm。
进一步地，步骤（3）中，成形参数为：增材制造电流为125a～135a，层高为0.4～0.6mm，增材制造速度范围为250mm/min～650mm/min，送丝速度为100cm/min～450cm/min，弧长维持在3～4mm。
进一步地，所述步骤（3）中，成形目标零件的首层制造速度为250mm/min，弧长5mm，送丝速度为120mm/min；成形目标零件的第二层制造速度为300mm/min，弧长控制在3～4mm；成形目标零件第三层制造速度为350mm/min，弧长控制在3～4mm。
进一步地，成形目标零件第四层制造速度为400mm/min，弧长控制在3～4mm；成形目标零件第五层制造速度为450mm/min，弧长控制在3～4mm；成形目标零件第六层及之后的第n层制造速度可控制在450mm/min～650mm/min范围内，弧长控制在3～4mm，n大于等于7。
进一步地，所述步骤(3)中，通过调节打印设备的电流来调整打印零件的壁厚，实现壁厚介于4mm～8mm的薄壁增材制造模型。
进一步地，基板放置在三轴数控机床的工作台上，基板沿x轴和y轴方向水平运动，焊枪固定在数控机床上沿z轴方向垂直运动。
主要原理为tig焊枪按照计算机切片形状及轨迹移动在基板上进行金属熔敷，同时通过喷嘴喷出氩气对已制造件进行保护，通过逐层熔敷堆积的方式，可以成形倾斜角在45°～135°范围内的高致密度薄壁三维零件，该发明具有过程稳定、尺寸精度和表面质量高、加工周期短、成本低等优点。
制造图2所示回转体不锈钢花瓶件，不锈钢结构件高度为120mm，底部半径为20mm，中部最大半径为40mm，由240层环形件堆焊形成。其采用本发明所述的一种薄壁电弧增材制造工艺，具体步骤如下：
(1)开始制造前根据图1调整焊丝、钨针、基板间位置关系，焊丝上表面距钨针距离大于4mm，焊丝下表面距钨针距离小于5mm，焊丝下表面距基板距离为0.4mm；选用gtaw热源，氩气流量10l/min，氩气纯度99.99%；焊丝选用不锈钢丝材，焊丝直径为0.8mm；基板水平放置，并以同材料不锈钢钢板作为基板材料；使用三轴数控机床。
(2)根据成形花瓶的形状及尺寸大小，建立金属花瓶的cad几何模型，提取stl模型，并用切片软件对stl模型进行切片处理与路径规划，生成制造所需的g代码文件，并将g代码发送至打印机。
(3)设置合理的打印参数，运行g代码文件按照规划路径开始打印，三轴数控机床上焊丝在送丝机的驱动下由送丝嘴送入熔池中，三轴数控机床上焊丝在送丝机的驱动下由送丝嘴送入电弧区间熔化，形成与扫描路径相同的金属薄层。
参数如下：增材制造电流为130a，送丝角度为20°，第一层增材制造速度为250mm/min，弧长5mm，送丝速度120cm/min；第二层增材制造速度为300mm/min，弧长由系统调整至3～4mm，送丝速度由系统控制，弧长与送丝速度均由系统控制维持至打印结束，第三层增材制造速度为350mm/min，第四层增材制造速度为400mm/min，第五层增材制造速度450mm/min，第六层及后续增材制造速度为500mm/min。制造过程不息弧，为连续制造。在制造过程中，可根据打印情况适当调整制造速度，调整范围在400mm/min～650mm/min之间。打印240层后至目标高度，焊机息弧，打印过程结束。
经测量，上述实例所成形的不锈钢花瓶件厚度约为5mm,最大误差值为0.4mm，表面粗糙度可达到ra30um～ra40um。同时，此成形件最大熔敷效率为0.946kg/h，无裂纹产生，具有表面质量好等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。