一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法技术

本发明专利技术涉及一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法。该设备包括：热丝机、导电嘴、送丝机、基板和工作台；送丝机用于将丝材送入至导电嘴，以在基板上制造无支撑杆件基板置于工作台上；丝材穿过导电嘴与无支撑杆件接触；热丝机与导电嘴电连接；通过采用热丝机提供的热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路的方式，产生电阻热，将丝材熔入熔池，能够提高无支撑杆单元成形效率，以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。而控制晶粒形貌。而控制晶粒形貌。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法


[0001]本专利技术涉及增材制造术领域，特别是涉及一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法。

技术介绍

[0002]点阵结构具有轻质、高比刚度、高比强度等优点，还具有减震、吸能等功能。是许多结构用于轻量化、提高强度和刚度的最佳选择。由于金属点阵空间结构复杂，传统的加工方法，从工艺和成本上都难以满足其制备需求，增材制造技术的出现极大的解决了复杂空间点阵结构的制备难题。
[0003]增材制造技术是一种自下而上的逐层堆积技术，理论上能够制备各种结构。虽然目前铺粉式的增材制造(如激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术)在制备点阵结构方面已经具有很成熟的工艺及应用但该类方法不仅存在成本高、成形尺寸小等缺点而且成形效率非常低。
[0004]电弧送丝增材制造技术(wire arc additive manufacturing，WAAM)，其包括熔化极气体保护焊增材制造(GMAW)、等离子增材制造(PAW)以及钨极气体保护焊(GTAW)，在制备大尺寸结构件上具备高效低成本等优点，其为大尺寸点阵结构件的高效制备提供了一种新的可能，但目前关于电弧增材制造制备点阵结构尚处于初始阶段，其相关研究也较少。
[0005]日本埼玉大学TakeyukiAbea(2019)等人使用GMAW技术制备了倾角90
°‑
30
°
的低碳钢无支撑杆以及BCC点阵结构，沉积效率为1.5mm/min。以及华中科技大学的LiYongjie等人(2020)也使用GMAW技术制备倾角为90
°‑
15
°
的铝合金无支撑杆以及点阵机构。苏黎世联邦理工学院VA Silvestru等人使用GMAW技术制备金属杆的效率约为1mm/min。使用GMAW技术制备无支撑点阵结构的方法式为：起弧熔化丝材
→
息弧等待熔池冷却
→
起弧熔化丝材。该方法频繁起弧息弧，中间还需等待熔池冷却，极大的降低了沉积效率。相比于GMAW增材制造技术，GTAW具有更稳定，以及飞溅少等优点，可以提高零件表面质量。另外由于热源与送丝独立，可以单独增加热丝装置，来辅助热丝，进而减少电弧热输入。北京理工大学增材制造课题组徐田秋等人(2021)已经成功利用热丝辅助GTAW增材制造技术制备出90
°
至0
°
的钛合金无支撑杆以及点阵夹芯板，制备效率为15mm/min,为GMAW技术的10倍。
[0006]GTAW技术利用脉冲成形技术，利用基值电流期间使熔池快速冷却，避免了息弧冷却造成的时间浪费，效率提升至15mm/min。GTAW技术以电弧产生的热量作为主要热输入，如果继续提升效率，需要提高电弧的热输入，而较大的电弧热输入会造成熔池坍塌，无法成形。因此限制效率的进一步提升。同时在成形效率低的时候，杆单元熔池凝固速率低，易于晶粒生长，会导致晶粒粗大，杆单元力学性能较差。
[0007]综上，目前现有的无支撑杆电弧增材制备技术中，GMAW的制备效率在1
‑
1.5mm/min,使用GTAW技术的制备效率为15mm/min。在制备大尺寸点阵结构中，提高杆件成形效率，能够极大的提升点阵结构的制备效率。
[0008]基于此，本领域亟需提供一种新型增材制造技术，能够提高无支撑杆单元成形效
率，同时还可以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备及方法，以热丝产生的电阻热作为增材制造过程中的主要热输入，电弧热作为辅助热输入，用来提高无支撑杆单元成形效率，同时可以增加凝固速度，控制晶粒形貌。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，包括：热丝机、导电嘴、送丝机、基板和工作台；
[0012]所述送丝机用于将丝材送入至所述导电嘴，以在所述基板上制造无支撑杆件；所述基板置于所述工作台上；所述丝材穿过所述导电嘴与所述无支撑杆件或基板接触；所述热丝机与所述导电嘴电连接；
[0013]优选地，所述丝材直径值为0.8
‑
3.2mm。
[0014]优选地，送丝机的送丝速度为300
‑
3000mm/min。
[0015]所述热丝机用于提供热丝电流；所述热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路。
[0016]优选地，还包括：焊枪、焊机和数控系统；
[0017]所述数控系统分别与所述焊枪、所述焊机和所述送丝机电连接；所述焊枪与所述焊机电连接；所述焊机用于为所述焊枪提供电弧电流。
[0018]优选地，所述热丝电流为直流。
[0019]优选地，所述热丝电流的电流值为100
‑
200A。
[0020]优选地，所述电弧电流为恒流或脉冲电流。
[0021]优选地，所述电弧平均电流的电流值为5
‑
30A。
[0022]优选地，还包括：气罐；
[0023]所述气罐的输出气口与所述焊机的进气口管道连接；所述气罐用于存储保护气体。
[0024]优选地，所述保护气体为氩气。
[0025]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0026]本专利技术提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，通过采用热丝机提供的热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路的方式，产生电阻热，将丝材熔入熔池，能够提高无支撑杆单元成形效率，同时可以增加凝固速度，从而控制晶粒形貌。
[0027]此外，本专利技术还提供了一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法，该方法包括：
[0028]根据杆件轴线进行G代码编程，生成焊枪移动轨迹；
[0029]开启上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备；
[0030]安装基板或工件，并将焊枪移动至初始点；
[0031]设置制造参数；所述制造参数包括：焊机峰值电流、基值电流、占空比、电流频率、送丝速度和热丝电流；
[0032]启动焊机，使用所述热丝电流对基板或工件进行预热，以形成熔池；
[0033]预热后启动热丝和送丝机；
[0034]丝材送至熔池，热丝电流形成回路，丝材开始加热，并熔化进熔池；
[0035]电弧持续，提供热量维持熔池稳定；
[0036]焊枪按编程轨迹进行移动；
[0037]焊枪移动至终点，杆件制备完毕；
[0038]关闭所述电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备。
[0039]优选地，所述熔池的尺寸与所述工件的尺寸相同。
[0040]因本专利技术提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造方法实现的技术效果与上述提供的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，包括：热丝机、导电嘴、送丝机、基板和工作台；所述送丝机用于将丝材送入至所述导电嘴，以在所述基板上制造无支撑杆件所述基板置于所述工作台上；所述丝材穿过所述导电嘴与所述无支撑杆件接触；所述热丝机与所述导电嘴电连接；所述热丝机用于提供热丝电流；所述热丝电流经所述导电嘴、所述丝材、所述无支撑杆件、所述基板和所述工作台形成回路。2.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述丝材直径值为0.8
‑
3.2A。3.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述送丝机的送丝速度为300
‑
3000mm/min。4.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，还包括：焊枪、焊机和数控系统；所述数控系统分别与所述焊枪、所述焊机和所述送丝机电连接；所述焊枪与所述焊机电连接；所述焊机用于为所述焊枪提供电弧电流。5.根据权利要求1所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述热丝电流为直流。6.根据权利要求5所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特征在于，所述热丝电流的电流值为100
‑
200A。7.根据权利要求4所述的电弧辅助热丝空间无支撑杆高效增材制造设备，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长猛，敬晨晨，徐田秋，毛昊，李坤，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：