一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印方法技术

本发明专利技术涉及一种丝‑粉‑气‑电弧同轴的3D打印方法。该方法通过丝‑粉‑气‑电弧同轴的3D打印装置实现，该装置包括气体保护焊枪和同轴气粉传送装置，气体保护焊枪为熔化极。同轴气粉传送装置，包括送粉装置、送气装置和同轴螺旋气粉罩。该同轴气粉传送装置为多通道结构，且各通道均配有送粉调速器和送气流量计。利用本装置进行3D打印的方法，可实现对添粉速率实时调控，适用于常规金属制品、梯度材料以及复合材料的增材制造，且所获制品成分均匀，产品加工短、后续加工量少。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电弧加工
，特别是一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置及其方法，可实现丝-粉-气-电弧同轴添加功能，适用于金属材料的焊接、表面改性、修复、增材制造等。
技术介绍
电弧送丝增材制造技术(Wire+ArcAdditiveManufacture-WAAM)是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔化，在计算机的控制下直接制造全密度三维金属零件的工艺方法。与铸造技术和机械加工方法等传统方法相比，电弧送丝增材制造技术的工序简化、材料利用率提高、生产成本降低、机械加工难度低，同时可以控制零件中的宏观缺陷以及成分偏析，后续加工工序简化，适用于新型产品快速研制以及批量生产。查找现有的电弧送丝增材制造技术的相关技术，电弧增材制造一般包括：同轴或旁轴送丝电弧3D打印和送粉等离子弧3D打印，而没有丝粉同轴添加。通过单一的送丝方式实现电弧增材制造，其生产的产品的成分受丝材成分的限制，即产品成分不可设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置及其方法，具备送丝-添粉-加气保-热源四项同步同轴进行的功能，适用于金属材料的焊接、修复、表面处理和增材制造等。实现本专利技术目的的技术方案为：一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置，包括：一熔化极气体保护焊枪；一气粉同轴传送装置，其内设有与非熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，螺旋气粉罩内开有与熔化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹；<br>气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩外设有与螺旋气粉罩外壁相切的n个送粉送气通道，分别为第一送气送粉通道与第二送气送粉通道；所述的第一送气送粉通道分别开有第一送气口与第一送粉口；第n送气送粉通道分别开有n个送气口与n个送粉口；所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺旋气粉槽。如上所述的气粉传送装置有n条气粉传送通道，n一般取2～8，且各通道沿螺旋气粉罩圆周方向上均匀分布；如上所述的螺旋气粉槽为变螺线-变螺距-变截面结构，螺旋气粉槽包括n螺旋槽、大截面单螺旋槽、小截面单螺旋槽，槽为半圆槽；螺旋气粉槽顶端靠近气粉通道入口处为n螺旋结构的n螺旋槽，槽直径为4mm～7mm，且所述的n螺旋结构为n+1圈；所述的n个气粉通道连通分别处于两相邻的n螺旋槽处；与所述的n螺旋槽相连的为大截面单螺旋槽，槽直径为7mm～12mm；与大截面单螺旋槽相连的为小截面单螺旋槽，槽直径为4mm～7mm。如上所述的螺旋气粉槽从顶部到低部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽螺纹升角为0°～60°；螺旋气粉槽在螺旋气粉罩出口的螺纹升角为0°～5°。如上所述的一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置，其特征在于，所述的螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。如上所述的送粉口和送气口上均分别装有送粉调速器和气体流量计。如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。如上所述的熔化极气体保护焊枪外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹，所述的熔化极气体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印的方法，包括步骤如下：步骤1，根据3D打印钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量WFe％；选择低碳钢焊丝作为送丝原料；根据3D打印钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到送粉原料中合金元素i含量的修正值Wif修正％；将Wif修正％比转化成送粉原料的含量比α1:α2:α3…:αj，其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％，送粉原料包括j种原料粉末，j为2-8，送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；步骤2，根据关系式W1％:W2％…:Wj％:WFe％＝α1:α2:α3…:αj:β，确定送入熔池的送粉原料与送丝原料的质量比α1:α2:α3…:αj:β，设进入熔池中的原料粉末j的质量m粉j＝Vfj×Δt，设进入熔池中的送丝原料质量其中Vfj为原料粉末j的送粉速率，单位为g/min；Vs为送丝速率，单位为m/min；d为送丝原料直径，单位为m；ρ为送丝原料密度，单位为g/m3；Δt为时间，单位为min；步骤3，由关系式确定送粉速率Vf与送丝速率Vs参数匹配关系 V f 1 : V f 2 ... : V f j : ( π 4 ρd 2 × V s ) = α 1 : α 2 : α 3 ... : α j : β ; ]]>得简化公式Vf1:Vf2…:Vfj:(K×Vs)＝α1:α2:α3…:αj:β；步骤4，选取送丝送率Vs为1.5m/min～12m/min，根据公式Vf1:Vf2…:Vfj:(K×Vs)＝α1:α2:α3…:αj:β，得出各原料粉末j的送粉速率Vfj；步骤5，启动3D打印的装置，根据步骤4确定的送粉速率Vfj和送丝送率Vs，在气粉同轴传送装置上调节送气速率V气j和送粉速率Vfj，在调节熔化极气体保护焊枪上调节保护气速率V气0和送丝送率Vs，进行焊接；步骤6，根据目标钢制品形状尺寸确定3D打印路线，以焊接速率v进行堆焊，每一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程最终获得高氮钢制品。如上送气速率V气j与焊枪保护气速率V气0满足V气1≈V气2…≈V气j＝15～40L/min。优选的，焊接速率v为3～16mm/s。本专利技术与现有技术相比其显著优点是：1、利用本专利技术所提供的装置进行电弧3D打印，原料粉末无需通过球磨混合处理，直接通过气粉同轴传送装置添加，节约合金粉末预处理时间，提供打印效率。2、本专利技术所提供的螺旋气粉罩内壁镗有螺纹槽，且其螺旋线可为变螺线变螺距变截面结构或定螺线定螺距定截面结构，有助于合金粉末的均本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种丝‑粉‑气‑电弧同轴的3D打印方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1，根据目标高氮钢制品的合金成分，得到合金元素i与铁元素的成分比，确定送入熔池送粉原料的j种原料质量与送丝原料质量比α1:α2:α3…:αj:β；其中，j为2‑8；步骤2，根据送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比确定送粉速率Vfj与送丝速率Vs参数匹配关系其中Vfj为原料粉末j的送粉速率，单位为g/min；Vs为送丝速率，单位为m/min；d为送丝原料直径，单位为m；ρ为送丝原料密度，单位为g/m3；Δt为时间，单位为min，m粉j为送入熔池的送粉原料的质量，m丝为送入熔池的送丝原料的质量；步骤3，选取送丝送率Vs为1.5m/min～12m/min，得出各原料粉末j的送粉速率Vfj；步骤4，启动3D打印的装置，在气粉同轴传送装置上调节送气速率和送粉速率Vfj，在熔化极气体保护焊枪上调节保护气速率和送丝送率Vs，进行焊接；步骤5，根据目标钢制品形状尺寸确定3D打印路线，以焊接速率v进行堆焊，每一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程最终获得高氮钢制品。

【技术特征摘要】
1.一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1，根据目标高氮钢制品的合金成分，得到合金元素i与铁元素的成分比，确定送入
熔池送粉原料的j种原料质量与送丝原料质量比α1:α2:α3…:αj:β；其中，j为2-8；
步骤2，根据送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比
确定送粉速率Vfj与送丝速率Vs
参数匹配关系其中Vfj为原料粉末j的送粉
速率，单位为g/min；Vs为送丝速率，单位为m/min；d为送丝原料直径，单位为m；ρ为送丝原料
密度，单位为g/m3；Δt为时间，单位为min，m粉j为送入熔池的送粉原料的质量，m丝为送入熔池
的送丝原料的质量；
步骤3，选取送丝送率Vs为1.5m/min～12m/min，得出各原料粉末j的送粉速率Vfj；
步骤4，启动3D打印的装置，在气粉同轴传送装置上调节送气速率和送粉速率Vfj，在熔
化极气体保护焊枪上调节保护气速率和送丝送率Vs，进行焊接；
步骤5，根据目标钢制品形状尺寸确定3D打印路线，以焊接速率v进行堆焊，每一层堆焊
完时，将焊枪提高...

【专利技术属性】
技术研发人员：周琦，孔见，王克鸿，周春东，朱军，彭勇，孙宏宇，蔡雅君，
申请(专利权)人：江苏烁石焊接科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32