CN106238876A - 非封闭薄壁结构件gtaw双重同步填丝增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，所述的非封闭薄壁结构件为首尾不相连的多层单道结构件，分别在GTAW焊枪左右两侧对称安装一送丝系统，焊枪沿堆积路径方向移动时，同一个送丝系统在从焊枪后端送丝时为后送丝系统、在从焊枪前端送丝时为前送丝系统，相邻堆积层之间的堆积路径方向是相反的，这样在不同的堆积层，左右两侧的送丝系统分别交替充当前、后送丝系统，独立调节前、后送丝系统的送丝量，前送丝系统负责高效熔丝，同时通过后送丝系统进行少量熔丝；本发明有效克服了非封闭结构件交错式堆积过程中后送丝方式熔丝效率低及成形质量差的难题，有效地提高了熔池冷却速率，能细化晶粒，提高成形构件力学性能。

Description

非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法。

背景技术

众所周知，金属零件的成形基本采用铸造或传统机械加工方法，但这些方法不可避免的存在材料利用率低、成形件组织及力学性能差、制造成本高等一系列问题。近年来，金属构件增材制造技术应运而生，该技术将零件的STL模型分层切片，按设定路径成形每个层片直至制造出整个金属构件，有材料利用率高、制造成本低等优点。

金属构件增材制造的热源有激光、电子束、电弧。其中，采用电弧作为热源有着设备成本低的显著优点，而且电弧热源一般与填丝系统匹配，构成电弧填丝增材制造系统。金属构件成形过程中，金属丝材能够完全送入熔池并熔化。因此，与激光添粉增材制造技术比较，电弧填丝增材制造材料利用率高、污染少、成形效率高。

电弧填丝增材制造常用的热源有GMAW和GTAW。尽管采用GMAW作为热源具有很高的成形效率，但其热输入大、飞溅多，对堆积层的损伤大，致使成形金属构件组织粗大。对比之下，GTAW热源电弧稳定、成形精度高、飞溅极少。因此，GTAW增材制造适用于高精度金属构件的直接制造。目前，GTAW填丝增材制造系统基本采用单一旁轴送丝。为获得较好的成形质量与成形效率，一般采取前送丝方式，即沿堆积路径方向，送丝系统安装在GTAW焊枪前方，丝材直接送入电弧中。后送丝方式是指沿堆积路径方向，送丝系统安装在GTAW焊枪后方，丝材直接送入熔池中，送丝速度受到极大限制。

在非封闭结构件的增材制造中，如果始终沿同一方向堆积，成形构件在两端的尺寸差异会逐渐增大，致使成形过程无法继续进行。倘若采用交错式堆积方式，即相邻层间的堆积方向相反，后送丝方式因丝材送入熔池中，送丝速度受限，难以高效熔丝。目前，GTAW填丝增材制造主要用于成形封闭结构件，在非封闭路径结构件的成形质量控制上尚未见可行的解决方法。因此，有必要探索一种新型GTAW填丝增材制造方法，从而解决非封闭结构件成形控制难题、提高其堆积效率及有利于实现成形过程的自动化。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决非封闭结构件在交错式路径成形时难以高效熔丝的难题，提高堆积层的力学性能。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，分别在GTAW焊枪左右两侧对称安装一套送丝系统，焊枪沿堆积路径方向移动时，同一个送丝系统在从焊枪后端送丝时为后送丝系统、在从焊枪前端送丝时为前送丝系统，相邻堆积层之间的堆积路径方向是相反的，这样在不同的堆积层，左右两侧的送丝系统分别交替充当前、后送丝系统，独立调节前、后送丝系统的送丝量，前送丝系统负责高效熔丝，同时通过后送丝系统进行少量熔丝。

具体来说，例如：堆积路径设定为从左向右堆积时，位于GTAW焊枪左侧的送丝系统是从焊枪后端送丝的，焊枪右侧的送丝系统是从焊枪前端送丝的，因此焊枪左侧的送丝系统是后送丝系统，焊枪右侧的送丝系统是前送丝系统；在进行下一层的成形时，由于采用交错式堆积路径，堆积路径方向与前一层是相反的，因此焊枪从右往左移动，位于焊枪左侧的送丝系统是从焊枪前端送丝的，焊枪右侧的送丝系统是从焊枪后端送丝的，因此焊枪左侧的送丝系统是前送丝系统，焊枪右侧的送丝系统是后送丝系统。

通过这种方式，在非封闭结构件的交错式路径成形时，一侧的送丝系统为前送丝系统，另一侧的送丝系统同时充当后送丝系统进行少量熔丝，前、后送丝系统可同时工作，提高了熔丝效率，通过后送丝系统少量熔丝增加了熔池的冷却速率，降低了熔池温度，细化了晶粒，提高了提高堆积层的力学性能。

作为优选方式，所述制造方法进一步包括以下步骤：

步骤一：将两套铜合金导丝管分别安装在GTAW焊枪上，导丝管与焊枪之间的夹角为35°-65°；GTAW增材制造是多层堆积过程，每堆积一层，GTAW焊枪沿高度方向提升一定层高，但是实际堆积层的高度与GTAW焊枪提升的高度不一定相等，因此GTAW焊枪到堆积层上表面的距离是动态变化的，即GTAW电弧弧长也在波动。如果导丝管与GTAW焊枪之间的夹角过大，则在前送丝系统中，丝材熔化受电弧弧长干扰较大，从电弧空间体积穿过的位置和长度波动较大，堆积过程成形质量较差，同样在后送丝系统中，丝材也难以准确地送入熔池内部。如果导丝管与GTAW焊枪之间的夹角过小，在前、后送丝系统中，送丝过程不能起到很好的缓冲作用，在送丝速度较大时易出现扎丝，丝材熔化速度受限。因此将夹角设定为35°-65°。

步骤二：在堆积前对基板表面进行打磨处理，然后清除基板表面油污，将清理后的基板固定在增材制造用工装夹具上；GTAW焊枪移动至基板上方，使钨极端部距离基板表面2-6mm，并确定堆积起弧点；设定为2-6mm是因为钨极端部到基板表面的距离直接决定电弧弧长，如果钨极端部到基板表面的距离过小，则GTAW弧长太短，不利于送丝系统熔丝；如果钨极端部到基板表面的距离过大，则GTAW弧长太长，电弧稳定性变差，丝材熔化呈现大滴过渡，无法得到较好的成形。为了控制成形质量，本发明中钨极端部到基板表面的距离为2-6mm。

步骤三：设定堆积路径方向，高频起弧引燃电弧，启动前送丝系统，丝材直接送入电弧中，当GTAW焊枪沿堆积路径方向行走一段距离8-15mm后启动后送丝系统，丝材直接送入熔池头部，待完成第一层的成形后，同时关闭前、后送丝系统，然后将GTAW焊枪提高一个层高；设定距离8-15mm是因为丝材必须送入熔池中，如果GTAW焊枪行走距离太短，不能形成稳定的熔池，行走距离太长，又不能及时保证后送丝系统开始熔丝。

步骤四：相邻层之间采用交错式堆积路径，启动前送丝系统，丝材直接送入电弧中，待GTAW焊枪沿堆积路径方向行走一段距离8-15mm后，启动后送丝系统，丝材直接送入熔池头部；待完成第二层的成形后，将GTAW焊枪提高一个层高；

步骤五：继续重复步骤三和步骤四，完成若干层的成形，直到达到整个结构件的尺寸要求为止。

作为优选方式，步骤三中前送丝系统的送丝速度为1-3.2m/min，后侧送丝系统的送丝速度为0.2-0.8m/min。步骤三中前送丝系统负责高效熔丝，送丝速度过小会影响成形效率，送丝速度过大，又难以熔丝并出现扎丝现象。后送丝系统送丝速度过小，不能起到降低熔池冷却速率的作用，送丝速度过大，会出现熔池扎丝现象，因此设定如上的送丝速度。

作为优选方式，步骤四中后送丝系统的送丝速度为0.2-0.8m/min，前送丝系统的送丝速度为1-3.2m/min。

作为优选方式，步骤三和步骤四中，完成每一层的成形后，电弧熄灭。

作为优选方式，GTAW左右两侧送丝系统中丝材是异种金属丝材，可以为钛合金、碳钢、不锈钢、铝合金、镍基高温合金中的一种或两种。

作为优选方式，堆积路径是任意非封闭曲线。

本发明通过在GTAW焊枪两侧安装两套送丝系统，在交错式堆积路径中能够独立调节前、后送丝系统的送丝量，有效解决了非封闭结构件在交错式路径成形时难以高效熔丝的难题，改善了堆积成形质量。

与普通GTAW单一旁轴送丝增材制造技术比较，本发明具有以下优点：

(1)本发明方法采用双旁轴同步送丝系统，有效克服了非封闭结构件交错式堆积过程中后送丝方式熔丝效率低及成形质量差的难题。

(2)本发明方法在非封闭金属构件增材制造过程中，采用前送丝方式时，丝材送入电弧以提高熔丝效率。同时匹配后送丝系统，丝材以较低的送丝速度填入熔池中，有效地提高了熔池冷却速率，能细化晶粒，提高成形构件力学性能。

(3)本发明方法可灵活选择两套送丝系统的丝材材质，进行异种金属构件的增材制造。

(4)本发明方法操作过程简单，增加了熔丝效率，可以缩短金属构件增材制造周期，同时提高增材制造过程的自动化程度。

附图说明

图1非封闭薄壁结构件GTAW双重填丝增材制造方法示意图。

1为基板，2为GTAW焊枪，3直壁结构件，4和5是导丝管。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，所述的非封闭薄壁结构件为首尾不相连的多层单道结构件，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：将铜合金导丝管5、4分别对称安装在GTAW焊枪2左右两侧，导丝管与焊枪之间的夹角β为35°。

步骤二：在堆积前对基板1表面进行打磨处理，然后用丙酮清除基板1表面油污，将清理后的基板1固定在增材制造用工装夹具上。GTAW焊枪2移动至基板上方，使钨极端部距离基板表面2mm处，并确定堆积起弧点。手动开启焊接电源保护气。

步骤三：堆积路径为直线，第一层堆积路径方向为从右向左。高频起弧引燃电弧，启动GTAW焊枪2左侧送丝系统，丝材直接从导丝管5送入电弧中熔化，送丝速度1m/min，当GTAW焊枪2沿堆积路径方向行走一段距离8mm后，启动GTAW焊枪2右侧送丝系统，丝材经导丝管4直接送入熔池头部，送丝速度0.2m/min。待完成第一层的成形后，电弧熄灭，同时关闭两套送丝系统，丝材停止送丝，然后将GTAW焊枪2提高一个层高。

步骤四：相邻层之间采用交错式堆积路径。高频起弧引燃电弧，启动GTAW焊枪2右侧送丝系统，丝材经导丝管4直接送入电弧中，送丝速度0.2m/min，待GTAW焊枪2沿堆积路径方向行走一段距离8mm后，开始启动焊枪左侧送丝系统，丝材经导丝管5直接送入熔池头部，送丝速度1m/min。待完成第二层的成形后，电弧熄灭，同时关闭两套送丝系统，丝材停止送丝，然后将GTAW焊枪2提高一个层高。

步骤五：继续重复步骤三和步骤四，完成若干层的成形，直到达到整个结构件的尺寸要求为止。

上述步骤一至步骤五中两套送丝系统分别由两套送丝电源驱动，GTAW电源为Fronius MagicWave 3000，GTAW焊枪2安装在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人带动GTAW焊枪的运动。堆积过程填充丝材材质为碳钢焊丝，工艺参数为：平均电流120A，堆积速度2mm/s，保护气为纯氩，气体流量10L/min，焊丝直径1.2mm。

实施例2

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种非封闭薄壁结构件GTAW双重填丝增材制造方法，所述的非封闭薄壁结构件为首尾不相连的多层单道结构件，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：将铜合金合金导丝管5、4分别对称安装在GTAW焊枪2左右两侧，导丝管与焊枪之间的夹角β为65°。

步骤二：在堆积前对基板1表面进行打磨处理，然后用丙酮清除基板1表面油污，将清理后的基板1固定在增材制造用工装夹具上。GTAW焊枪2移动至基板上方，使钨极端部距离基板表面6mm处，并确定堆积起弧点。手动开启焊接电源保护气。

步骤三：堆积路径为直线，第一层堆积路径方向为从右向左。高频起弧引燃电弧，启动GTAW焊枪2左侧送丝系统，丝材直接从导丝管5送入电弧中熔化，送丝速度3.2m/min，当GTAW焊枪2沿堆积路径方向行走一段距离15mm后，启动GTAW焊枪2右侧送丝系统，丝材经导丝管4直接送入熔池头部，送丝速度0.8m/min。待完成第一层的成形后，将GTAW焊枪2提高一个层高。

步骤四：相邻层之间采用交错式堆积路径。高频起弧引燃电弧，启动GTAW焊枪2右侧送丝系统，丝材经导丝管4直接送入电弧中，送丝速度0.8m/min，待GTAW焊枪2沿堆积路径方向行走一段距离15mm后，开始启动焊枪左侧送丝系统，丝材经导丝管5直接送入熔池头部，送丝速度3.2m/min。待完成第二层的成形后，将GTAW焊枪2提高一个层高。

步骤五：继续重复步骤三和步骤四，完成若干层的成形，直到达到整个结构件的尺寸要求为止。

上述步骤一至步骤五中两套送丝系统分别由两套送丝电源驱动，GTAW电源为Fronius MagicWave 3000，GTAW焊枪2安装在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人带动GTAW焊枪的运动。堆积过程工艺参数为：平均电流280A，堆积速度4mm/s，保护气为纯氩，气体流量10L/min，焊丝直径1.2mm。

实施例3

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种非封闭薄壁结构件GTAW双重填丝增材制造方法，所述的非封闭薄壁结构件为首尾不相连的多层单道结构件，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：将铜合金合金导丝管5、4分别对称安装在GTAW焊枪2左右两侧，导丝管与焊枪之间的夹角β为50°。

步骤二：在堆积前对基板1表面进行打磨处理，然后用丙酮清除基板1表面油污，将清理后的基板1固定在增材制造用工装夹具上。GTAW焊枪2移动至基板上方，使钨极端部距离基板表面6mm处，并确定堆积起弧点。手动开启焊接电源保护气。

步骤三：堆积路径为直线，第一层堆积路径方向为从右向左。高频起弧引燃电弧，启动GTAW焊枪2左侧送丝系统，丝材直接从导丝管5送入电弧中熔化，送丝速度2.1m/min，当GTAW焊枪2沿堆积路径方向行走12mm后，启动GTAW焊枪2右侧送丝系统，丝材经导丝管4直接送入熔池内部，送丝速度0.5m/min。待完成第一层的成形后，电弧熄灭，同时关闭两套送丝系统，丝材停止送丝，然后将GTAW焊枪2提高一个层高。

步骤四：相邻层之间采用交错式堆积路径。高频起弧引燃电弧，启动GTAW焊枪2右侧送丝系统，丝材经导丝管4直接送入电弧中，送丝速度0.5m/min，待GTAW焊枪2沿堆积路径方向行走12mm后，开始启动焊枪左侧送丝系统，丝材经导丝管5直接送入熔池中，送丝速度2.1m/min。待完成第二层的成形后，电弧熄灭，同时关闭两套送丝系统，丝材停止送丝，然后将GTAW焊枪2提高一个层高。

步骤五：继续重复步骤三和步骤四，完成若干层的成形，直到达到整个结构件的尺寸要求为止。

上述步骤一至步骤五中两套送丝系统分别由两套送丝电源驱动，GTAW电源为Fronius MagicWave 3000，GTAW焊枪2安装在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人带动GTAW焊枪的运动。堆积过程工艺参数为：平均电流200A，堆积速度3mm/s，保护气为纯氩，气体流量10L/min，焊丝直径1.2mm。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，所述的非封闭薄壁结构件为首尾不相连的多层单道结构件，其特征在于：分别在GTAW焊枪左右两侧对称安装一套送丝系统，焊枪沿堆积路径方向移动时，同一个送丝系统在从焊枪后端送丝时为后送丝系统、在从焊枪前端送丝时为前送丝系统，相邻堆积层之间的堆积路径方向是相反的，这样在不同的堆积层，左右两侧的送丝系统分别交替充当前、后送丝系统，独立调节前、后送丝系统的送丝量，前送丝系统负责高效熔丝，同时通过后送丝系统进行少量熔丝。

2.根据权利要求1所述的非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将两套铜合金导丝管分别安装在GTAW焊枪上，导丝管与焊枪之间的夹角为35°-65°；

步骤二：在堆积前对基板表面进行打磨处理，然后清除基板表面油污，将清理后的基板固定在电弧填丝增材制造用工装夹具上；GTAW焊枪移动至基板上方，使钨极端部距离基板表面2-6mm，并确定堆积起弧点；

步骤三：设定堆积路径方向，高频起弧引燃电弧，启动前送丝系统，丝材直接送入电弧中，当GTAW焊枪沿堆积路径方向行走一段距离8-15mm后，启动后送丝系统，丝材直接送入熔池头部，待完成第一层的成形后，同时关闭前、后送丝系统，然后将GTAW焊枪提高一个层高；

步骤四：相邻层之间采用交错式堆积路径，启动前送丝系统，丝材直接送入电弧中，待GTAW焊枪沿堆积路径方向行走一段距离8-15mm后，启动后送丝系统，丝材直接送入熔池头部；待完成第二层的成形后，将GTAW焊枪提高一个层高；

步骤五：继续重复步骤三和步骤四，完成若干层的成形，直到达到整个结构件的尺寸要求为止。

3.根据权利要求2所述的非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，其特征在于：步骤三中前送丝系统的送丝速度为1-3.2m/min，后送丝系统的送丝速度为0.2-0.8m/min。

4.根据权利要求2所述的非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，其特征在于：步骤四中后送丝系统的送丝速度为0.2-0.8m/min，前送丝系统的送丝速度为1-3.2m/min。

5.根据权利要求2所述的非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，其特征在于：步骤三和步骤四中，完成每一层的成形后，电弧熄灭。

6.根据权利要求1所述的非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，其特征在于：GTAW前、后送丝系统中丝材是异种金属材质，可以为钛合金、碳钢、不锈钢、铝合金、镍基高温合金中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的一种非封闭薄壁结构件GTAW双重同步填丝增材制造方法，其特征在于：堆积路径是任意非封闭曲线。