CN114406417A - 一种基于非轴对称钨极的旋转电弧gta增材制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统及方法，属于金属增材制造技术领域，包括氩弧焊焊接电源、旋转电弧GTAW焊枪、焊接机器人、送丝装置；旋转电弧GTAW焊枪包括焊枪枪壳、旋转电机、中心旋转轴、非轴对称钨极、导电系统、送气系统，送气系统包括主保护气结构与辅助保护气结构，主保护气从焊枪顶部引入，焊枪下部开有辅助口，辅助保护气从焊枪下部引入，增强枪体内部气体压力，送丝装置与旋转电弧GTAW焊枪机械连接，送丝装置匹配氩弧焊焊接电源；该方法能够有效增大熔池宽度、降低热输入，同时实现高电参数的金属沉积以提高增材制造的效率，实现大型零件的快速成型。

Description

一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统及方法，属于金属增材制造技术领域。

背景技术

增材制造技术是一种利用离散-堆积原理、焊接技术与计算机辅助设计等相结合的新的材料制造技术。与传统的材料加工工艺如锻压、机械加工、焊接相比，具有无需刀具与磨具、原材料利用率高、生产周期短、实现复杂结构的优势。

激光与电子束增材制造可以制造形状复杂的结构件，但是相应的成本过高，能量消耗较大，沉积速度较低，不适合制造大型的结构件。而传统的电弧金属制造技术，在进行生产制造时，往往会随着熔覆层数的增加，热积累严重，熔池高温停留时间过长，还会导致生产的工件产生变形，组织性能也会变弱。目前，电弧增材制造仍以冷金属过渡(CMT)技术为主，但是相应的设备比较昂贵，无法得到大范围的应用。而钨极惰性气体保护焊(GTAW)的电弧增材制造技术，具有设备价格低廉，焊接热输入低、焊接成型好，显微组织均匀，力学性能优异等特点。但是常规的GTAW焊接效率低，电弧的可控性差，熔池宽度较窄，仍然无法实现大型零件的快速成型。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造方法，该方法能够有效增大熔池宽度、降低热输入，同时实现高电参数的金属沉积以提高增材制造的效率，实现大型零件的快速成型。

本发明的技术方案如下：

一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统，包括氩弧焊焊接电源、旋转电弧GTAW焊枪、焊接机器人、送丝装置；

旋转电弧GTAW焊枪包括焊枪枪壳、旋转电机、中心旋转轴、非轴对称钨极、导电系统、送气系统，旋转电机通过中心旋转轴与非轴对称钨极相连，导电系统用于与氩弧焊焊接电源连接并提供电力；送气系统用于向焊枪内部提供保护气；送气系统包括主保护气路与辅助保护气路，主保护气路从焊枪顶部引入，将保护气充满枪体内气室，焊枪下部开有辅助口，辅助保护气路从焊枪下部引入，增强枪体内部气体压力，适当增加保护气体的气流量，以提高保护气对熔池的保护作用；

旋转电弧GTAW焊枪固定于焊接机器人上，由焊接机器人带动旋转电弧GTAW焊枪移动，在移动过程当中使送丝装置始终位于焊枪前进方向以保证增材质量；

送丝装置与旋转电弧GTAW焊枪机械连接，送丝装置匹配氩弧焊焊接电源，实现增材过程当中送丝参数的调整；

优选的，为增加旋转电弧的面积，非轴对称钨极尖端为倾斜面，倾斜面的倾斜角度为35°～50°之间。

通过设置改变钨极轴对称尖端为非轴对称平台，并对钨极进行旋转，分散电弧压力，将熔池铺展增加熔宽，

经一步优选的，为增加电弧的稳定性，电弧的燃烧面积及减缓钨极的烧损程度，非轴对称钨极倾斜面端部水平设有钝面平台，平台宽度为1～1.5mm。

优选的，为避免旋转电弧GTAW焊枪高频引弧时对工业机器人与焊接电源造成损坏，同时为减轻枪体重量，焊枪上部采用木质材料，且在焊枪与工业机器人接触处用导电橡胶进行隔离。

优选的，旋转电弧GTAW焊枪下方设有焊枪底部托罩，焊枪底部托罩包括圆台部和圆柱部，圆台部与旋转电弧GTAW焊枪连接，圆柱部内侧连接设有一个陶瓷喷嘴，非轴对称钨极贯穿陶瓷喷嘴，焊枪底部托罩与陶瓷喷嘴之间形成三孔排气口，该方法进行增材制造时，金属沉积面积较大，需要形成更大的气体保护区域以防止金属氧化，故在焊枪下部采用焊枪底部托罩、陶瓷喷嘴加三孔型排气结构以获得更大的气体保护区域。

进一步优选的，三孔排气口相互之间的角度差为60°，并按照排布方式分为后侧孔与两侧孔，在增材制造过程当中，后侧孔始终位于沉积金属的正上方，主要对沉积金属有后保护的作用，两侧孔位于沉积金属两侧，主要对沉积金属两侧进行保护。

优选的，送丝装置采用双送丝包括双丝送丝管，双丝送丝管截面为椭圆形，内并排有两个圆形通道，呈象鼻状结构，圆形通道用于放置金属丝，这种结构可实现快速的切换单丝-双丝送丝模式，增加双送丝的稳定性，显著提高金属沉积效率，同时也可以实现异质金属的增材制造。

本领域中双送丝角度有同侧和双侧，而本发明中为同方向送丝且设置了独特的送丝装置。常规设置是通过调整送丝角度以实现的异种金属的混合，且另一送丝机构需要另外装配到增材设备中，设备分散，不利于设备的整合；本发明利用旋转电弧搅拌熔池能够实现异种金属的良好混合，设备整合为一个整体；且象鼻结构的送丝管为同侧送丝对于熔滴过渡到熔池更加稳定；在热丝过程当中，如果采用独立的双丝系统，就需要两套热丝电源，而采用本发明这种结构只需要一套热丝电源；在GTA电弧增材过程中，需要让送丝管始终位于焊枪前侧，相比于常规设置的双送丝管，本结构使得焊枪在增材复杂构件中姿态调整更加便利。

进一步优选的，在送丝管上添加电热阻丝装置，可以提高金属沉积的效率，有效的降低热输入，显著改善电弧增材过程中沉积金属的热变形，提高增材制造的精度。第一、利用独立于焊接电源的另外一个电源(热丝电源)将焊丝加热到接近熔化的温度，大大加快了填充丝的熔化速度，提高了金属沉积率；第二、添加热丝装置之后，使得母材的稀释率降低，调整了焊接热输入量。

一种利用上述一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统的增材方法，包括步骤如下：

(1)增材前安置基板，采用工装夹具将基板固定，对基板表面进行打磨并用酒精清洗以去除铁锈和油污；将钨极底部打磨成斜锥面带平台的形状；

(2)开启焊接机器人，将增材的路径规划好后进行示教编程，在编程过程当中，使得送丝管始终位于焊枪前进方向；将钨极高度设定为一恒定值；调节增材过程中焊枪的行走速度；编程结束后进行空走以保证路径无误；开启氩弧焊焊接电源，调节焊机为恒流模式，并设定好电参数，提前5s开启主保护气与辅助保护气，延时5s关闭辅助保护气；设定送丝装置的送丝速度，行走与送丝同步，提前抽丝；

(3)调节好相应的参数，开启旋转电机，使得非轴对称钨极开始旋转；进行高频引弧，进行增材。

根据本发明优选的，步骤(1)中，采用直径为3.0mm的钨极，钨极底部加工出45°倾斜面并带有1mm宽的平台。

根据本发明优选的，步骤(2)中，钨极的旋转速度为300rpm，钨极高度为3mm，焊枪的行走速度为30cm/min，电流为170A；主保护气流量为15L/min，辅助保护气流量为8L/min；单送丝时，单送丝速度为240-360cm/min。

进一步优选的，步骤(2)中，采用双丝送丝以提高增材效率及增材宽度，送丝机用PLC控制进行同步送丝以保证送丝速度一致；双丝送丝模式的送丝速度为200～240cm/min。

对比常规的GTA电弧增材制造，本申请采用双送气装置，工艺实验时需将两者其流量相互匹配；与常规GTA电弧增材制造高电参数产生驼峰缺陷相比，旋转电弧由于电弧压力的分散可以实现高电参数的增材制造，沉积过程稳定。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的技术方案采用旋转电弧GTAW进行了增材制造，相比于传统的GTAW进一步降低了热输入，改善了焊接变形，增加了熔池的宽度，提高了增材效率，并使得增材组织更加细密，有效改善了工件的性能。

2、本发明的技术方案通过旋转钨极所产生的电弧实现增材，在增材过程中，由于旋转电弧周期性的旋转，在熔池两侧施加适当的电弧压力，使得两侧组织更加致密，有效改善了工件侧壁的力学性能与粗糙度。

3、本发明的技术方案通过设计主保护气结构与辅助保护气结构，显著改善了对熔池的保护效果；采用双送气通道，内送气为陶瓷喷嘴，外送气通道采用三孔型排气结构，通过采用陶瓷喷嘴加三孔型排气结构以获得更大的气体保护区域，且对气孔的布置进行了排布，有效解决了增材过程当中侧壁氧化的问题。增材制造过程中由于堆积层的增高惰性气体发散，外界活性气体易进入保护范围，因此对于熔池的保护效果不好，因此设计了双送气装置增大保护范围，且设计了三孔型排气增加外保护的气流挺度，对外界活性气体有较好的隔绝作用；传统的GTA电弧增材制造仅仅采用陶瓷喷嘴，保护范围小。本申请中保护范围大，且三孔型气流挺度大，对外部的活性气体隔绝作用较好。

4、本发明的技术方案通过设计双丝送丝结构，改变送丝结构，象鼻状送丝孔不仅可以实现单送丝，也可以实现双送丝，同侧送丝保证了熔化过程的稳定；同时旋转电弧对于异质金属增材熔池具有搅拌作用，使融合更加充分，进一步提高增材效率。

5、本发明技术方案通过焊接机器人带动焊枪进行移动，通过机器人控制与定位，可以精确且灵活的实现钨极在各个方向上的灵活移动，以确保增材过程稳定精确的增材。

6、本发明技术方案通过在送丝装置上增加电阻热丝装置，有利于提高熔覆速度及降低电参数，进一步降低焊接热输入，改善电弧增材的变形。

附图说明

图1为整体焊接系统示意图；

图2为旋转电弧GTAW焊枪主视示意图；

图3为旋转电弧GTAW焊枪侧视剖视示意图；

图4为焊枪底部托罩结构示意图；

图5为双丝送丝管结构示意图；

图6为双丝送丝管尾部弯段示意图；

图7为增材成形试样图；

图8a为本发明旋转电弧下增材件组织结构图；

图8b为常规电弧下增材件组织结构图；

其中，1、主保护气路；2、双丝送丝管；3、焊枪夹持装置；4、焊丝夹持装置；5、副保护气路；6、焊枪底部托罩；7、排气口；8、陶瓷喷嘴；9、非轴对称钨极；10、保护气壁。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统，如图1-3所示，包括氩弧焊焊接电源、旋转电弧GTAW焊枪、焊接机器人、送丝装置；

旋转电弧GTAW焊枪包括焊枪枪壳、旋转电机、中心旋转轴、非轴对称钨极、导电系统、送气系统，旋转电机通过中心旋转轴与非轴对称钨极相连，导电系统用于与氩弧焊焊接电源连接并提供电力；送气系统用于向焊枪内部提供保护气；送气系统包括主保护气路1与辅助保护气路5，主保护气从焊枪顶部引入，将保护气充满枪体内气室，焊枪下部开有辅助口，辅助保护气从焊枪下部引入，增强枪体内部气体压力，适当增加保护气体的气流量，以提高保护气对熔池的保护作用；

旋转电弧GTAW焊枪通过焊枪夹持装置3固定于焊接机器人上，由焊接机器人带动旋转电弧GTAW焊枪移动，在移动过程当中使送丝装置始终位于焊枪前进方向以保证增材质量；

送丝装置通过焊丝夹持装置4与旋转电弧GTAW焊枪机械连接，送丝装置匹配氩弧焊焊接电源，实现增材过程当中送丝参数的调整；

非轴对称钨极尖端为倾斜面，倾斜面的倾斜角度为45°，非轴对称钨极倾斜面端部水平设有钝面平台，平台宽度为1mm。

为避免旋转电弧GTAW焊枪高频引弧时对工业机器人与焊接电源造成损坏，同时为减轻枪体重量，焊枪上部采用木质材料，且在焊枪与工业机器人接触处用导电橡胶进行隔离。

旋转电弧GTAW焊枪下方设有焊枪底部托罩6，焊枪底部托罩包括圆台部和圆柱部，圆台部与旋转电弧GTAW焊枪连接，圆柱部内侧连接设有一个陶瓷喷嘴8，非轴对称钨极9贯穿陶瓷喷嘴，焊枪底部托罩与陶瓷喷嘴之间形成三孔排气口，该方法进行增材制造时，金属沉积面积较大，需要形成更大的气体保护区域以防止金属氧化，故在焊枪下部采用陶瓷喷嘴加三孔型排气结构以获得更大的气体保护区域。

三孔排气口之间的角度差为60°，如图4所示，并按照排布方式分为后侧孔与两侧孔，在增材制造过程当中，后侧孔始终位于沉积金属的正上方，主要对沉积金属有后保护的作用，两侧孔位于沉积金属两侧，主要对沉积金属两侧进行保护。

送丝装置采用双送丝包括双丝送丝管2，双丝送丝管截面为椭圆形，内并排有两个圆形通道，孔径为1.4mm，两通道中心之间距离为2mm，呈象鼻状结构如图5所示，尾段弯曲如图6所示，圆形通道用于放置金属丝，这种结构可实现快速的切换单丝-双丝送丝模式，增加双送丝的稳定性，显著提高金属沉积效率，同时也可以实现异质金属的增材制造。

实施例2：

一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统，其结构如实施例1所述，所不同的是，非轴对称钨极尖端为倾斜面，倾斜面的倾斜角度为35°，非轴对称钨极倾斜面端部水平设有钝面平台，平台宽度为1mm。

实施例3：

一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统，其结构如实施例1所述，所不同的是，非轴对称钨极尖端为倾斜面，倾斜面的倾斜角度为50°，非轴对称钨极倾斜面端部水平设有钝面平台，平台宽度为1.5mm。

实施例4：

一种基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统，其结构如实施例1所述，所不同的是，在送丝管上添加电热阻丝装置，可以提高金属沉积的效率，有效的降低热输入，显著改善电弧增材过程中沉积金属的热变形，提高增材制造的精度。在增材过程当中，由于对增材部位不均匀的加热-冷却会导致在增材过程当中，金属产生变形，当采用了热丝装置时，在达到同等的增材效率下，可以选择较低的电参数，产生的热量就会下降，变形效果减弱，提高增材制造的精度。

实施例5：

一种利用实施例1所述基于非轴对称钨极的旋转电弧GTA增材制造系统的增材方法，包括步骤如下：

(1)增材前安置基板，采用工装夹具将基板固定，对基板表面进行打磨并用酒精清洗以去除铁锈和油污；将钨极底部打磨成斜锥面带平台的形状；采用直径为3.0mm的钨极，钨极底部加工出45°倾斜面并带有1mm宽的平台。

(2)开启焊接机器人，将增材的路径规划好后进行示教编程，在编程过程当中，使得送丝管始终位于焊枪前进方向；将钨极高度设定为一恒定值为3mm；钨极的旋转速度为300rpm，调节增材过程中焊枪的行走速度为30cm/min；编程结束后进行空走以保证路径无误；开启氩弧焊焊接电源，调节焊机为恒流模式，并设定好电参数电流为170A，提前5s开启主保护气与辅助保护气，延时5s关闭辅助保护气；设定送丝装置的送丝速度，行走与送丝同步，提前抽丝；主保护气流量为15L/min，辅助保护气流量为8L/min；单送丝时，单送丝速度为260cm/min。

(3)调节好相应的参数，开启旋转电机，使得非轴对称钨极开始旋转；进行高频引弧，启动焊接机器人移动系统，进行增材。

增材成形件如图7所示，由图中可以看出，成形件侧壁平整，精度较高。根据截面图可以看出，成形件层与层之间熔合良好，没有明显的缺陷。如图8a和图8b所示，旋转电弧增材件组织比常规GTA电弧增材件更细密。

实施例6：

一种利用实施例1所述适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其步骤如实施例5所述，所不同的是，步骤(2)中，单送丝速度为240cm/min。

实施例7：

一种利用实施例1所述适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其步骤如实施例5所述，所不同的是，步骤(2)中，单送丝速度为360cm/min。

实施例8：

一种利用实施例1所述适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其步骤如实施例5所述，所不同的是，步骤(2)中，采用双丝送丝以提高增材效率及增材宽度，送丝机用PLC控制进行同步送丝以保证送丝速度一致；双丝送丝模式的送丝速度为220cm/min。

实施例9：

一种利用实施例1所述适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(2)中，双丝送丝模式的送丝速度为200cm/min。

实施例10：

一种利用实施例1所述适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(2)中，双丝送丝模式的送丝速度为240cm/min。

Claims (10)

1.一种适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统，其特征在于，包括氩弧焊焊接电源、旋转电弧GTAW焊枪、焊接机器人、送丝装置；

旋转电弧GTAW焊枪包括焊枪枪壳、旋转电机、中心旋转轴、非轴对称钨极、导电系统、送气系统，旋转电机通过中心旋转轴与非轴对称钨极相连，导电系统用于与氩弧焊焊接电源连接并提供电力；送气系统用于向焊枪内部提供保护气；送气系统包括主保护气结构与辅助保护气结构，主保护气从焊枪顶部引入，将保护气充满枪体内气室，焊枪下部开有辅助口，辅助保护气从焊枪下部引入，增强枪体内部气体压力；

旋转电弧GTAW焊枪固定于焊接机器人上，由焊接机器人带动旋转电弧GTAW焊枪移动；

送丝装置与旋转电弧GTAW焊枪机械连接，送丝装置匹配氩弧焊焊接电源。

2.根据权利要求1所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统，其特征在于，非轴对称钨极尖端为倾斜面，倾斜面的倾斜角度为35°～50°之间。

3.根据权利要求2所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统，其特征在于，非轴对称钨极倾斜面端部水平设有钝面平台，平台宽度为1～1.5mm。

4.根据权利要求1所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统，其特征在于，旋转电弧GTAW焊枪下方设有陶瓷喷嘴，非轴对称钨极贯穿陶瓷喷嘴，陶瓷喷嘴外侧设有焊枪底部托罩，焊枪底部托罩与陶瓷喷嘴之间形成三孔排气口。

5.根据权利要求1所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统，其特征在于，三孔排气口之间的角度差为60°，并按照排布方式分为后侧孔与两侧孔，后侧孔始终位于沉积金属的正上方，两侧孔位于沉积金属两侧。

6.根据权利要求1所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统，其特征在于，送丝装置包括双丝送丝管，双丝送丝管截面为椭圆形，内并排有两个圆形通道，圆形通道用于放置金属丝；

优选的，在双丝送丝管上添加电热阻丝装置。

7.一种利用上述权利要求1-6任意一项权利要求所述适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)增材前安置基板，采用工装夹具将基板固定，对基板表面进行打磨并用酒精清洗以去除铁锈和油污；将钨极底部打磨成斜锥面带平台的形状；

(2)开启焊接机器人，将增材的路径规划好后进行示教编程，使得送丝管始终位于焊枪前进方向；将钨极高度设定为一恒定值；调节增材过程中焊枪的行走速度；编程结束后进行空走以保证路径无误；开启氩弧焊焊接电源，调节焊机为恒流模式，并设定好电参数，提前5s开启主保护气与辅助保护气，延时5s关闭辅助保护气；设定送丝装置的送丝速度，行走与送丝同步，提前抽丝；

(3)调节好相应的参数，开启旋转电机，使得非轴对称钨极开始旋转；进行高频引弧，进行增材。

8.根据权利要求7所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其特征在于，步骤(1)中，采用直径为3.0mm的钨极，钨极底部加工出45°倾斜面并带有1mm宽的平台。

9.根据权利要求7所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其特征在于，步骤(2)中，钨极的旋转速度为300rpm，钨极高度为3mm，焊枪的行走速度为30cm/min，电流为170A；主保护气流量为15L/min，辅助保护气流量为8L/min；单送丝时，单送丝速度为240～360cm/min。

10.根据权利要求9所述的适用于电弧增材制造的旋转电弧GTAW焊接系统的增材方法，其特征在于，步骤(2)中，采用双丝送丝，送丝机用PLC控制进行同步送丝；双丝送丝模式的送丝速度为200～240cm/min。

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