一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的方法及装置与流程

本发明属于电弧增材制造技术领域，具体是一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的方法及装置。

背景技术：

电弧增材制造技术最早可追溯到1925年baker公开的一项以电弧为热源成形金属零件的专利，但是在当时该技术并未引起过多的重视。直到20世纪末，随着焊接技术以及数字化控制技术的飞速发展，电弧增材制造技术在大型复杂结构件快速成形上展现出巨大优势，国内外越来越多的研究机构相继开始电弧增材制造技术的研究工作，该技术在工业中的应用也愈加广泛，随之而来的新要求也愈加增强，为满足高效高质的工业需求，熔敷效率的提高和稀释率的降低尤为重要。本专利公开的一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的方法及装置，相较单丝熔化极电弧增材制造技术能提高填充相金属量，增大堆敷速度；相较双丝双电源增材制造技术，能降低稀释率；相较冷填丝电弧增材制造技术，能够将丝材进行预热，减少热输入，进而降低稀释率，提高堆敷效率。

申请号为200810064456.9的专利，主题名称为钨极—熔化极间接电弧焊的装置及其焊接方法公开了钨极—熔化极间接电弧焊的装置，该装置焊丝两端分别于送丝机和熔化极焊枪连接，并露在导电嘴外，钨极焊枪和熔化极焊枪的接线端分别于gtaw电源的正负极相连，此装置电源不接工件，工件表面不直接加热，电弧在两焊枪间产生，熔敷速率低，对于铝合金等的表面易形成氧化层的材质不能利用电弧起到破除氧化层的作用。专利号为zl03111560.8的专利，主题名称为钨极—熔化极氩弧焊双电源单面双弧同熔池复合焊接方法公开了一种钨极—熔化极氩弧焊双电源单面双弧同熔池复合焊接方法，该方法采用双电源即tig焊和mig焊分别采用各自的电源，焊接时非熔化极电弧和熔化极电弧同时作用，产生一个熔池进行焊接，此方法采用双电源，焊接速率高但焊缝成形效果较差，稀释率较高。

技术实现要素：

鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的方法及装置，在保证相对较低的稀释率下，提高熔敷速度，进而增大制造效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的装置，包括：工业机器人，熔化极焊接电源，增材制造装置，复合送丝机构，热丝加热装置构成；工业机器人与熔化极焊接电源连接实现对控制电源信号控制，且两者与复合送丝机构相连实现对送丝机构的送丝控制。复合送丝机构与热丝加热装置共同与增材制造装置及工业机器人相连，实现丝材的送丝与行走。

增材制造装置具体包括：熔化极焊枪固定在工业机器人上，熔化极焊接电源与机器人控制柜和熔化极送丝控制模块连接；基板固定于工作台上；

复合送丝机构具体包括：熔化极送丝机构与熔化极送丝控制模块连接，填丝机构与送丝支架连接，填丝机构与单填丝送丝控制模块连接，单填丝送丝控制模块与机器人控制柜连接；

热丝加热装置具体包括：热丝加热电源正极与送丝支架相连接，热丝加热电源负极与工作台相连接，加热控制模块与机器人控制柜及热丝加热电源相连；

填丝机构通过单填丝送丝控制模块由机器人控制柜直接控制。

采用单一电弧增材制造熔化二根丝材，一根丝材为导电的熔化极丝材，另外一根为电阻加热的丝材。

热丝送丝支架与熔化极焊枪固定在一起，热丝通过加热控制模块(控制加热电流的大小调整加热温度。

基于一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的装置所使用的方法，具体步骤如下：

1)基于上述装置安装熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的装置。

2)调节焊枪、填丝丝材与工件表面间距。

3)堆敷前，设置基本参数，根据构件几何参数规划堆焊路径，设置程序。

4)在基板上选取起弧点，机器人携带熔化极焊枪至起弧点，控制熔化极焊枪距离工件高度，通过熔化极送丝控制模块设定熔化极送丝机构送丝速度，通过单填丝送丝控制模块设定填丝机构送丝速度，通过热丝加热控制模块设定热丝加热电源加热电流大小。

5)机器人控制柜发送信号至熔化极焊接电源进行起弧，引燃电弧后，机器人控制柜发送信号给单填丝送丝控制模块及热丝加热控制模块，随后填丝机构中送出的丝材通过热丝加热装置加热后，进入熔化极电弧区，与熔化极丝材同步熔化，形成同一熔池，随后按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；该层堆敷结束时，机器人控制柜发送信号给熔化极焊接电源、单填丝送丝控制模块和热丝加热控制模块，填丝机构和熔化极送丝机构同时停止送丝，熔化极焊接电源和加热电源停止供电，电弧熄灭，并准备下一道的堆敷。

6)层间等待后，开始堆敷下一层。

7)重复步骤5)-6)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。

作为优选方案，填丝焊枪末端距工作表面高度为7-10mm，填丝丝材在焊枪轴线位置距焊枪末端高度为3-4mm。

作为优选方案，填丝丝材与焊枪轴线夹角为30°-45°。

作为优选方案，熔化极熔敷电流可为40a-400a，加热电源的电流调节范围为0-200a。堆敷速度为10cm/min-70cm/min和保护气流量可为10l/min-30l/min。

作为优选方案，加热电源的电流调节范围为20-200a，可在不改变焊接电源电流的条件下增加丝材熔敷量，丝材预热温度表达式为

其中l为丝材干伸长，α为电阻温度系数，t0为初始温度，ρ0为丝材t0温度下电阻率，ρ为丝材电阻率，ih为热丝电流，r为丝材半径，v为送丝速度。

作为优选方案，熔化极丝材可为不锈钢，高氮钢，低合金结构钢等金属丝材，丝材直径可为1.0mm-1.6mm；填丝丝材可为不锈钢，高氮钢，低合金结构钢等金属丝材，丝材直径可为1.0mm-1.6mm。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

1、本发明与普通钨极—熔化极间接电弧增材制造对比，对工件表面直接加热，熔敷速率高，对于低碳钢等的表面易形成氧化层的材质可以利用电弧起到破除氧化层的作用

2、本发明与钨极—熔化极氩弧焊双电源单面双弧同熔池复合增材制造方法相比，本技术采用单电源，不仅焊接速率高且焊缝成形效果好，稀释率较低。

3、本发明与普通熔化极电弧焊增材制造技术相比，本发明在保持低稀释率的情况下提高熔敷效率，且通过丝材加热装置进一步提升熔敷效率，降低稀释率，提高构件成形情况。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为低碳钢试样外观图。

图3为不锈钢试样外观图。

其中，1为机器人控制柜，2为熔化极焊接电源，3为机器人，4为熔化极焊枪，5为熔化极送丝控制模块，6为熔化极送丝机构，7为填丝机构，8为单填丝送丝控制模块，9为送丝支架，10为热丝加热电源，11为工作台，12为工件，13为热丝加热控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

具体采用的设备型号如下：abbirb2600型弧焊机器人、abbirc5型控制柜，熔化极电源为福尼斯froniusmagicadvanced4000型焊机。

本发明中，加热电源的电流调节范围为20-200a，可在不改变焊接电源电流的条件下增加丝材熔敷量，丝材预热温度表达式为

其中l为丝材干伸长，α为电阻温度系数，t0为初始温度，ρ0为丝材t0温度下电阻率，ρ为丝材电阻率，ih为热丝电流，r为丝材半径，v为送丝速度。

实施例1

本发明基于提供的一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的方法及装置，提供了一种低碳钢的增材制造方式。具体过程如下：

基于一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的装置所得到的方法，具体步骤如下：

1)准备增材装置及丝材，其中熔化极丝材为er50-6低碳钢丝材，丝材直径为1.0mm；填丝丝材为er50-6低碳钢丝材，丝材直径为1.0mm。

2)调节焊枪、填丝丝材与工件表面间距。

3)设置基本参数，熔化极熔敷电流可为150a，加热电源的丝材加热电流大小为55a，堆敷速度为60cm/min和保护气流量为20l/min，熔化极送丝机构送丝速度为4.8m/min，填丝机构送丝速度1.6m/min。

4)根据构件几何参数规划堆焊路径，开始电弧堆敷，控制熔化极焊枪距离工件高度，在q235低碳钢基板上选取起弧点，机器人控制柜发送信号至熔化极焊接电源进行起弧，引燃电弧后，机器人控制柜发送信号给热丝加热控制模块，随后填丝机构中送出的丝材通过热丝加热装置加热后，进入熔化极电弧区，与熔化极丝材同步熔化，形成同一熔池，随后按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；该层堆敷结束时，机器人控制柜发送信号给熔化极焊接电源、单填丝送丝控制模块和热丝加热控制模块，填丝机构和熔化极送丝机构同时停止送丝，加热电源停止供电，电弧熄灭，并准备下一道的堆敷。

5)层间等待120s后，开始堆敷下一层；

6)重复步骤4)-5)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。

作为优选方式，填丝丝材在焊枪轴线位置与工件表面高度差为4.0mm，焊枪末端距工件表面高度为10.0mm。焊枪轴线与工作台间夹角为90°，填丝丝材与焊枪轴线夹角为30°

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不是限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之下，所做的修改，替换，改进等，均应该在本发明的保护范围之内。

实施例2

本发明基于提供的一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的方法及装置，提供了一种不锈钢增材制造方式。具体过程如下：

基于一种熔化极电弧与热填丝复合单电弧双丝增材制造的装置所得到的方法，具体步骤如下：

1)准备增材装置及丝材，其中熔化极丝材er316l不锈钢丝材，丝材直径为1.2mm；填丝丝材为er316l不锈钢丝材，丝材直径为1.2mm。

2)调节焊枪、填丝丝材与工件表面间距。

3)设置基本参数，熔化极熔敷电流可为180a，加热电源的丝材加热电流大小为65a，堆敷速度为50cm/min和保护气流量为22l/min，熔化极送丝机构送丝速度为7.8m/min，填丝机构送丝速度2.1m/min。

4)根据构件几何参数规划堆焊路径，开始电弧堆敷，控制熔化极焊枪距离工件高度，在304不锈钢基板上选取起弧点，机器人控制柜发送信号至熔化极焊接电源进行起弧，引燃电弧后，机器人控制柜发送信号给热丝加热控制模块，随后填丝机构中送出的丝材通过热丝加热装置加热后，进入熔化极电弧区，与熔化极丝材同步熔化，形成同一熔池，随后按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；该层堆敷结束时，机器人控制柜发送信号给熔化极焊接电源、单填丝送丝控制模块和热丝加热控制模块，填丝机构和熔化极送丝机构同时停止送丝，加热电源停止供电，电弧熄灭，并准备下一道的堆敷。

5)层间等待150s后，开始堆敷下一层；

6)重复步骤4)-5)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。

作为优选方式，填丝丝材与工件表面高度差为3.0mm，焊枪距工作表面高度为10.0mm。，外部丝材送进方向与焊枪夹角为45°。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不是限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之下，所做的修改，替换，改进等，均应该在本发明的保护范围之内。

对比例1

通过使用gma单丝电弧增材制造方式进行低碳钢电弧增材制造，与本技术进行对比，丝材为er50-6低碳钢丝材，丝材直径为1.0mm。对比结果如下：

对比例2

通过使用gma单丝电弧增材制造方式进行不锈钢电弧增材制造，与本技术进行对比，丝材为er316l不锈钢丝材，丝材直径为1.2mm。对比结果如下：

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不是限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之下，所做的修改，替换，改进等，均应该在本发明的保护范围之内。