一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法技術

本發明專利技術公開了一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法，該方法根據電弧三維快速成形制造工藝過程的特點，設計了三種不同的脈沖電流模式，從而獲得不同的脈沖MIG電弧工作模式和熔滴過渡模式。借助脈沖MIG電弧提供的熱、力作用模式，實現對自動同步送進的金屬絲材的熔化和強制熔滴實現不同形式的平穩過渡，并使熔滴堆疊成形，實現金屬構件的三維快速成形制造。利用本發明專利技術能夠實現常用金屬結構的高效成形制造，具有制造成本低、成形效率高、熱變形小、技術適應性強等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法，適用于以同步送絲形式實現不銹鋼、鋁合金等金屬材料的電弧三維快速成形制造。
技術介紹
直接制造金屬零件以及金屬部件，是制造業對金屬材料三維快速成形制造技術提出的終極目標。早在20世紀90年代三維快速成形制造技術發展的初期，研究人員便已經嘗試基于各種快速原型制造方法實現金屬制件的制備。與立體光造型(Stereolithography,SLA)、疊層制造(Laminated object manufacturing,LOM)、熔融沉積成型(Fused deposition modeling,FDM)等快速原型制造技術相比，選擇性激光燒結技術(Selected lasersintering,SLS)由于其使用粉末材料的特點，為制備金屬制件提供了一種最直接的可能。隨著大功率激光器在快速成形技術中的逐步應用，SLS技術隨之發展成為選區激光熔化成形技術(Selective laser melting,SLM)。該技術利用高能量的激光束照射預先鋪覆好的金屬粉末材料，將其直接熔化并固化成形獲得金屬制件。在SLM技術發展的同時，基于激光堆焊和激光熔覆技術，逐漸形成了金屬成形制造技術研究的另一重要分枝——激光快速成形技術(Laser rapid forming,LRF)或激光立體成形技術(Laser solid forming,LSF)。該技術利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側向噴射的金屬粉末直接熔化為液態，通過運動控制，將熔化后的液態金屬按照預定的軌跡堆積凝固成形，獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件，并經過后續的小余量加工后以及必要的后處理獲得最終的金屬制件。SLM技術和LRF技術作為金屬快速成形制造技術的兩個主要研究熱點，引領著當前金屬快速成形制造技術的發展。采用激光等高能束熱源進行金屬材料的快速成形制造，其設備復雜、價格昂貴，而且成形工藝復雜，成形零件微觀組織的致密度不高。為了克服這些方法的缺陷，開發設備簡單、制造效率高、零件致密度和力學性能好的金屬材料的快速成形制造新工藝成為了全球研究的熱點。電弧快速成形制造技術就是在上述背景之下興起的，使用焊接電弧作為熱源，采用焊接設備及工藝方法制成由全焊縫金屬組成的零件，因此又稱為電弧快速成形技術。其中，熔化極惰性氣體保護(Metal Inert Gas，MIG)焊接電弧在焊接應用中具有較高的填充效率，因此，將其應用于金屬構件的快速成形制造具有較好的可行性。但是，常規MIG電弧存在電弧熱輸入高、電弧和熔滴過渡穩定性差，成形后得到的金屬構件熱變形大的缺陷。因此，常規MIG電弧應用于快速成形制造具有一定的局限性。脈沖電弧熱源單脈沖能量高、電弧力較大，使 電弧具有平均熱輸入低、電弧指向性好、熔滴過渡平穩等特點，可以實現低成本、高效率、高穩定性的成形制造，這為實現金屬構件的三維快速成形制造帶來了新的可能。
技術實現思路
本專利技術針對金屬構件的成形制造，提供一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法，該方法能夠實現不銹鋼、鋁合金、鈦合金等金屬構件的三維快速成形制造。本專利技術采取以下技術方案：一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法，該方法借助脈沖MIG電弧提供的熱、力作用模式，實現對自動同步送進的金屬絲材的熔化和強制熔滴實現不同形式的平穩過渡，并使熔滴堆疊成形。所述制造方法的步驟如下：(1)安裝基板，并可靠裝夾，水平固定；(2)調整MIG焊槍方向，使其與基板平面垂直；(3)零件三維建模、分層切片，生成成形制造程序；(4)移動MIG焊槍至基點位置，提前送出保護氣，引弧使脈沖MIG電弧開始工作，同時啟動送絲機構，使金屬絲材隨脈沖電流的輸出同步送進，成形制造過程開始；(5)制造過程結束時，先熄滅脈沖MIG電弧和關停送絲機構，延遲停止保護氣，結束全部制造流程。所述步驟(4)的脈沖電流為復合脈沖，選自三種脈沖電流模式中的任意一種，使成形制造過程獲得三種不同的熔滴過渡模式，其中，脈沖電流模式一、二適用于頻率為200Hz以下的脈沖設置，脈沖電流模式三適用于頻率為200Hz以上的脈沖設置.脈沖電流模式一：射滴過渡電流脈沖與短路過渡半長時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電流周期包括四個射滴過渡電流脈沖和一個短路過渡半長時電流脈沖。其中，短路過渡半長時電流脈沖的持續時間為射滴過渡電流脈沖持續時間的二分之一，短路過渡半長時電流脈沖的峰值與射滴過渡電流脈沖的基值相等。由射滴過渡電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的射滴過渡，由短路過渡半長時電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的短路過渡；脈沖電流模式二：射滴過渡電流脈沖與短路過渡長時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電流周期包括三個射滴過渡電流脈沖和一個短路過渡長時電流脈沖。其中，短路過渡長時電流脈沖的持續時間與射滴過渡電流脈沖持續時間相同，短路過渡長時電流脈沖的峰值與射滴過渡電流脈沖的基值相等。由射滴過渡電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的射滴過渡，由短路過渡長時電流脈沖強制實現1～2個熔滴的短路過渡；脈沖電流模式三：射滴過渡電流脈沖與短路過渡短時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電 流周期包括三個射滴過渡電流脈沖和三個短路過渡短時電流脈沖。其中，短路過渡短時電流脈沖的持續時間與射滴過渡電流脈沖持續時間相同，短路過渡短時電流脈沖的峰值與射滴過渡電流脈沖的基值相等。由射滴過渡電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的射滴過渡，由短路過渡短時電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的短路過渡。所述產生脈沖MIG電弧的電源為直流電源，電極接法為金屬絲材為陽極接電源正極，基板為陰極接電源負極。本專利技術的創新在于根據電弧三維快速成形制造工藝過程的特點，設計了三種不同的脈沖電流模式，從而獲得不同的脈沖MIG電弧工作模式和熔滴過渡模式。利用脈沖MIG電弧提供的熱量，實現對自動同步送進的金屬絲材的熔化；利用脈沖MIG電弧較大的電弧力，獲得良好的電弧指向性和穩定性，強制熔滴實現不同形式的平穩過渡，使熔滴實現堆疊成形；利用脈沖MIG電弧相對較低的平均熱輸入，降低成形構件的內應力和熱變形。從而充分發揮電弧三維快速成形的技術優勢，實現金屬構件的低成本、高效率成形制造。本專利技術與現有技術相比具有以下優點：(1)制造成本低，熔滴沉積率高，金屬構件成形效率高；(2)脈沖電弧熱輸入低，熱變形小，容易實現加工精度的提升；(3)適應性強，適合多種金屬材料和結構的三維快速成形制造。附圖說明圖1是基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造系統組成示意圖。圖2是脈沖電流模式一的電流脈沖波形示意圖。圖3是脈沖電流模式二的電流脈沖波形示意圖。圖4是脈沖電流模式三的電流脈沖波形示意圖。圖5是實施例1制造的鋁合金構件樣品。圖6是實施例2制造的鋁合金構件樣品。圖7是實施例3制造的鋁合金構件樣品。圖中，1電源、2送絲機、3氣瓶、4MIG焊槍、5三維運動控制器、6基板、7成形件、8電弧、9前進方向、10射滴過渡電流脈沖、11短路過渡半長時電流脈沖、12短路過渡長時電流脈沖、13短路過渡短時電流脈沖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本專利技術。參見圖1，本專利技術方法采用的電弧三維快速成形制造系統由1電源、送絲機2、氣瓶3、MIG焊槍4、三維運動控制器5本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法，其特征在于，所述方法借助脈沖MIG電弧提供的熱、力作用模式，實現對自動同步送進的金屬絲材的熔化和強制熔滴的不同形式的平穩過渡，使熔滴堆疊成形；所述檢測方法的步驟如下：(1)安裝基板，并可靠裝夾，水平固定；(2)調整MIG焊槍方向，使其與基板平面垂直；(3)零件三維建模、分層切片，生成成形制造程序；(4)移動MIG焊槍至基點位置，提前送出保護氣，引弧使脈沖MIG電弧開始工作，同時啟動送絲機構，使金屬絲材隨脈沖電流的輸出同步送進，成形制造過程開始；(5)制造過程結束時，先熄滅脈沖MIG電弧和關停送絲機構，延遲停止保護氣，結束全部制造流程；所述步驟(4)的脈沖電流為復合脈沖，選自三種脈沖電流模式中的任意一種，使成形制造過程獲得三種不同的熔滴過渡模式，其中，脈沖電流模式一、二適用于頻率為200Hz以下的脈沖設置，脈沖電流模式三適用于頻率為200Hz以上的脈沖設置：脈沖電流模式一：射滴過渡電流脈沖與短路過渡半長時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電流周期包括四個射滴過渡電流脈沖和一個短路過渡半長時電流脈沖。其中，短路過渡半長時電流脈沖的持續時間為射滴過渡電流脈沖持續時間的二分之一，短路過渡半長時電流脈沖的峰值與射滴過渡電流脈沖的基值相等，由射滴過渡電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的射滴過渡，由短路過渡半長時電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的短路過渡；脈沖電流模式二：射滴過渡電流脈沖與短路過渡長時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電流周期包括三個射滴過渡電流脈沖和一個短路過渡長時電流脈沖。其中，短路過渡長時電流脈沖的持續時間與射滴過渡電流脈沖持續時間相同，短路過渡長時電流脈沖的峰值與射滴過渡電流脈沖的基值相等，由射滴過渡電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的射滴過渡，由短路過渡長時電流脈沖強制實現1～2個熔滴的短路過渡；脈沖電流模式三：射滴過渡電流脈沖與短路過渡短時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電流周期包括三個射滴過渡電流脈沖和三個短路過渡短時電流脈沖。其中，短路過渡短時電流脈沖的持續時間與射滴過渡電流脈沖持續時間相同，短路過渡短時電流脈沖的峰值與射滴過渡電流脈沖的基值相等，由射滴過渡電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的射滴過渡，由短路過渡短時電流脈沖強制熔滴實現一脈一滴的短路過渡。...

【技術特征摘要】
1.一種基于脈沖電流強制熔滴過渡的電弧三維快速成形制造方法，其特征在于，所述方法借助脈沖MIG電弧提供的熱、力作用模式，實現對自動同步送進的金屬絲材的熔化和強制熔滴的不同形式的平穩過渡，使熔滴堆疊成形；所述檢測方法的步驟如下：(1)安裝基板，并可靠裝夾，水平固定；(2)調整MIG焊槍方向，使其與基板平面垂直；(3)零件三維建模、分層切片，生成成形制造程序；(4)移動MIG焊槍至基點位置，提前送出保護氣，引弧使脈沖MIG電弧開始工作，同時啟動送絲機構，使金屬絲材隨脈沖電流的輸出同步送進，成形制造過程開始；(5)制造過程結束時，先熄滅脈沖MIG電弧和關停送絲機構，延遲停止保護氣，結束全部制造流程；所述步驟(4)的脈沖電流為復合脈沖，選自三種脈沖電流模式中的任意一種，使成形制造過程獲得三種不同的熔滴過渡模式，其中，脈沖電流模式一、二適用于頻率為200Hz以下的脈沖設置，脈沖電流模式三適用于頻率為200Hz以上的脈沖設置：脈沖電流模式一：射滴過渡電流脈沖與短路過渡半長時電流脈沖的復合模式，一個脈沖電流周期包括四個射滴過渡電流脈沖和一個短路過渡半長時電流脈沖。其中，短路過渡半長時電流脈沖的持續時間為射滴過渡電流脈沖持續時間的二分之一，短路過渡半長時電...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅怡，朱亮，許潔，韓靜韜，余艇，唐小張，楊貴友，李正，
申請(專利權)人：重慶理工大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50