一种增材制造装置及其使用方法

本发明涉及一种金属增材制造，尤其涉及一种增材制造装置及制造方法。

背景技术：

1、电弧熔丝增材制造技术采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，对送丝端和工件端的移动路径编程，伴随着送丝端移动或者工件端位置移动，在不做支撑的情况下，采用平焊的方式即可完成对复杂金属零件的打印，但在增材过程中常常伴随着由于熔滴过渡时尺寸上不均匀性造成局部尺寸偏差，因此若能控制熔滴以平均的小尺寸过渡方式熔入增材零件，即可以提高增材零件的精度。

2、在平焊过程中，表面张力为熔滴过渡的阻力，表面张力使熔滴形成球形并产生物理吸附，使熔滴悬挂于固液界面。在传统的增材制造装置中，引入横向磁场后，借助熔池中的电流流通，磁场对熔池具有搅拌作用，增强了熔池流动性，有助于消除气孔，细化晶粒，最终提高增材零件的质量。然而，横向磁场与电流的位向关系在水平方向产生较大分力，使熔滴过渡时产生偏离，如图5(a)所示。如采用直流正接搭配横向磁场时，焊丝伸进电弧后在一侧形成熔滴，熔滴在电弧中充当液态导体，此时流经液态导体的电流从工件指向钨极，方向向上且略微前倾，受磁场力作用，根据左手定则，磁场力方向、电流方向与受力方向两两正交，此时熔滴受到的磁场力指向前侧偏下的位置，磁场力的水平分力明显强于竖直分力，而水平分力不会促进熔滴过渡，并且会产生使熔滴过渡时偏离下落轴线的副作用，因而采用此种方式控制熔滴过渡效果不佳。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种减小焊丝对熔滴的吸附效应，同时加强熔滴所受磁场力促进熔滴过渡的增材制造装置及其使用方法，提高增材控形效果。

2、技术方案：本发明所述的一种增材制造装置，包括送丝枪、tig焊枪、电磁场发生装置和固定在送丝枪上的夹具，所述夹具包括两组呈十字形分布的夹持臂，其中一组对称夹持臂分别连接一组tig焊枪，另一组对称夹持臂分别连接一组电磁场发生装置，所述tig焊枪与电磁场发生装置均水平布置；所述一组tig焊枪相对在焊丝前端聚焦，tig焊枪的可动钨极做往复运动，可以对焊丝进行机械加工并以双钨极之间产生的电弧为热源熔化焊丝形成熔滴；所述一组电磁场发生装置电磁线圈绕线方向相同，产生横向磁场，熔滴作为液态导体，流通水平电流后在横向磁场的作用下会受到向下的磁场力而加快滴落。

3、优选地，所述tig焊枪包括可动钨极和运动机构，所述可动钨极与运动机构连接，且可动钨极在运动机构作用下进行往复运动。

4、优选地，所述运动机构包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮以及第一扇齿轮和第二扇齿轮；所述第三齿轮两侧分别与第一齿轮和第二齿轮啮合，所述第一齿轮与第一扇齿轮同轴转动连接，第二齿轮与第二扇齿轮同轴转动连接，所述可动钨极设在第一扇齿轮和第二扇齿轮之间，第一扇齿轮和第二扇齿轮在旋转过程中交替与可动钨极啮合带动可动钨极产生往复运动。

5、优选地，所述第一扇齿轮和第二扇齿轮初始安装位置保证第一扇齿轮和第二扇齿轮在转动过程中不同时与可动钨极啮合。

6、优选地，所述运动机构还包括伺服电机，所述伺服电机提供动力带动第三齿轮转动。

7、优选地，所述tig焊枪还包括冷却机构，所述冷却机构位于运动机构和焊枪喷嘴之间，所述可动钨极穿过冷却机构。

8、优选地，所述一组tig焊枪其中一个连接焊接电源正极，另一个tig焊枪连接焊接电源负极，所述焊接电源产生直流脉冲电流。

9、本发明所述的一种增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：

10、(a)调整送丝枪、tig焊枪及磁场发生装置位置于焊丝前端聚焦，规划增材制造路径；

11、(b)打开气、液、电开关开始增材过程，所述一对tig焊枪在增材制造过程中形成横向脉冲电流，与磁场在水平面呈正交形态，依据左手定则，熔滴中通过水平电流后作为液态导体在横向磁场的作用下形成向下的磁场力；

12、(c)在增材制造过程中，可动钨极进行第一行程的伸出运动和第二行程的回抽运动，在第一行程中，可动钨极使焊丝颈缩，在第二行程中可动钨极生成电弧融掉焊丝前端熔滴，且在外加磁场的磁场力与重力共同作用下滴落。

13、优选地，步骤(c)中，在第一行程中，电流下降至最低，两个tig焊枪的可动钨极靠近焊丝，可动钨极剪切焊丝，使焊丝端部形成颈缩；在第二行程中，两个tig焊枪的可动钨极远离焊丝回抽至电弧燃起，电弧熔化焊丝，使焊丝端部形成熔滴，电流处于脉冲电流波峰区。

14、优选地，所述可动钨极第一行程的伸出运动和第二行程的回抽运动与焊接电源电流变化协同。

15、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：能够减小焊丝对熔滴的吸附效应，同时改变熔滴受力并加快熔滴过渡，实现熔滴过渡的精确控制。具体为：以横向双钨极之间产生的电弧为热源熔化焊丝，不与焊接工件形成电流回路，不形成熔池，避免熔池影响熔滴过渡；同时，水平双钨极做往复运动，运动分为两个行程，第一阶段剪切焊丝形成颈缩，第二阶段生成电弧熔掉焊丝前端的熔滴；由于横向脉冲电流与磁场均位于水平面且在水平面呈正交形态，流经熔滴的电流没有纵向分量不会产生偏离效果，熔滴作为液态导体受到外加磁场的向下的磁场力作用，磁场力与重力共同作用使熔滴在小尺寸时滴落，熔滴不会偏离下落轴线，电磁场对熔滴过渡的促进作用更明显，熔滴过渡稳定，增材控形效果好。

技术特征：

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括送丝枪(1)、tig焊枪(2)、电磁场发生装置(3)和固定在送丝枪(1)上的夹具(4)，所述夹具(4)包括两组呈十字形分布的夹持臂，其中一组对称夹持臂分别连接一组tig焊枪(2)，另一组对称夹持臂分别连接一组电磁场发生装置(3)，所述tig焊枪与电磁场发生装置均水平布置；所述一组tig焊枪相对在焊丝前端聚焦，tig焊枪的可动钨极(21)做往复运动，以双钨极之间产生的电弧为热源熔化焊丝形成熔滴；所述一组电磁场发生装置产生横向磁场，熔滴作为液态导体，流通水平电流后在横向磁场的作用下受到向下的磁场力而加快滴落。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述tig焊枪(2)包括可动钨极(21)和运动机构(22)，所述可动钨极(21)与运动机构(22)连接，且可动钨极在运动机构(22)作用下进行往复运动。

3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述运动机构(22)包括第一齿轮(221)、第二齿轮(222)、第三齿轮(223)以及第一扇齿轮(224)和第二扇齿轮(225)；所述第三齿轮(223)两侧分别与第一齿轮(221)和第二齿轮(222)啮合，所述第一齿轮(221)与第一扇齿轮(224)同轴转动连接，第二齿轮(222)与第二扇齿轮(225)同轴转动连接，所述可动钨极(21)设在第一扇齿轮(224)和第二扇齿轮(225)之间，第一扇齿轮(224)和第二扇齿轮(225)在旋转过程中交替与可动钨极(21)啮合带动可动钨极产生往复运动。

4.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述第一扇齿轮(224)和第二扇齿轮(225)初始安装位置保证第一扇齿轮(224)和第二扇齿轮(225)在转动过程中不同时与可动钨极啮合。

5.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述运动机构(22)还包括伺服电机，所述伺服电机提供动力带动第三齿轮(223)转动。

6.根据权利要求1-5任一所述的增材制造装置，其特征在于，所述tig焊枪还包括冷却机构(24)，所述冷却机构(24)位于运动机构(22)和焊枪喷嘴之间，所述可动钨极(21)穿过冷却机构。

7.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述一组tig焊枪其中一个连接焊接电源正极，另一个tig焊枪连接焊接电源负极，所述焊接电源产生直流脉冲电流。

8.一种根据权利要求1-7任一一项所述的增材制造装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的增材制造装置的使用方法，其特征在于，步骤(c)中，在第一行程中，焊接电流下降至最低使电弧熄灭，两个tig焊枪(2)的可动钨极(21)靠近焊丝，可动钨极(21)剪切焊丝，使焊丝端部形成颈缩；在第二行程中，两个tig焊枪(2)的可动钨极(21)远离焊丝回抽至电弧燃起，电弧熔化焊丝，使焊丝端部形成熔滴。

10.根据权利要求8所述的增材制造装置的使用方法，其特征在于，所述可动钨极第一行程的伸出运动和第二行程的回抽运动与焊接电源电流变化协同。

技术总结本发明公开了一种增材制造装置及其使用方法，该装置包括送丝枪、TIG焊枪、电磁场发生装置和固定在送丝枪上的夹具，所述夹具包括两组呈十字形分布的对称夹持臂，其中一组对称夹持臂分别连接一组TIG焊枪，另一组对称夹持臂分别连接一组电磁场发生装置，所述TIG焊枪与电磁场发生装置均水平布置；所述一组TIG焊枪相对在焊丝前端聚焦，TIG焊枪的可动钨极做往复运动，以双钨极之间产生的电弧为热源熔化焊丝形成熔滴；所述一组电磁场发生装置电磁线圈绕线方向相同，产生横向磁场，使熔滴受到向下的磁场力而加快滴落。本发明能够实现熔滴过渡的精确控制，且熔滴不会偏离焊丝轴线，熔滴过渡稳定，增材控形效果好。技术研发人员：浦娟,刘晓宇,路全彬,程亚芳,郭鹏,刘晓芳,孙华为受保护的技术使用者：上海第二工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11