[发明专利]一种基于脉冲电流强制熔滴过渡的电弧三维快速成形制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲电流强制熔滴过渡的电弧三维快速成形制造方法，适用于以同步送丝形式实现不锈钢、铝合金等金属材料的电弧三维快速成形制造。

背景技术

直接制造金属零件以及金属部件，是制造业对金属材料三维快速成形制造技术提出的终极目标。早在20世纪90年代三维快速成形制造技术发展的初期，研究人员便已经尝试基于各种快速原型制造方法实现金属制件的制备。与立体光造型（Stereolithography, SLA）、叠层制造（Laminated object manufacturing, LOM）、熔融沉积成型（Fused deposition modeling, FDM）等快速原型制造技术相比，选择性激光烧结技术（Selected lasersintering, SLS）由于其使用粉末材料的特点，为制备金属制件提供了一种最直接的可能。随着大功率激光器在快速成形技术中的逐步应用，SLS技术随之发展成为选区激光熔化成形技术（Selective laser melting, SLM）。该技术利用高能量的激光束照射预先铺覆好的金属粉末材料，将其直接熔化并固化成形获得金属制件。在SLM技术发展的同时，基于激光堆焊和激光熔覆技术，逐渐形成了金属成形制造技术研究的另一重要分枝——激光快速成形技术（Laser rapid forming, LRF）或激光立体成形技术（Laser solid forming, LSF）。该技术利用高能量激光束将与光束同轴喷射或侧向喷射的金属粉末直接熔化为液态，通过运动控制，将熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，获得从尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件，并经过后续的小余量加工后以及必要的后处理获得最终的金属制件。

SLM技术和LRF技术作为金属快速成形制造技术的两个主要研究热点，引领着当前金属快速成形制造技术的发展。采用激光等高能束热源进行金属材料的快速成形制造，其设备复杂、价格昂贵，而且成形工艺复杂，成形零件微观组织的致密度不高。为了克服这些方法的缺陷，开发设备简单、制造效率高、零件致密度和力学性能好的金属材料的快速成形制造新工艺成为了全球研究的热点。

电弧快速成形制造技术就是在上述背景之下兴起的，使用焊接电弧作为热源，采用焊接设备及工艺方法制成由全焊缝金属组成的零件，因此又称为电弧快速成形技术。其中，熔化极惰性气体保护（Metal Inert Gas，MIG）焊接电弧在焊接应用中具有较高的填充效率，因此，将其应用于金属构件的快速成形制造具有较好的可行性。但是，常规MIG电弧存在电弧热输入高、电弧和熔滴过渡稳定性差，成形后得到的金属构件热变形大的缺陷。因此，常规MIG电弧应用于快速成形制造具有一定的局限性。脉冲电弧热源单脉冲能量高、电弧力较大，使电弧具有平均热输入低、电弧指向性好、熔滴过渡平稳等特点，可以实现低成本、高效率、高稳定性的成形制造，这为实现金属构件的三维快速成形制造带来了新的可能。

发明内容

本发明针对金属构件的成形制造，提供一种基于脉冲电流强制熔滴过渡的电弧三维快速成形制造方法，该方法能够实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属构件的三维快速成形制造。

本发明采取以下技术方案：

一种基于脉冲电流强制熔滴过渡的电弧三维快速成形制造方法，该方法借助脉冲MIG电弧提供的热、力作用模式，实现对自动同步送进的金属丝材的熔化和强制熔滴实现不同形式的平稳过渡，并使熔滴堆叠成形。

所述制造方法的步骤如下：

（1）安装基板，并可靠装夹，水平固定；

（2）调整MIG焊枪方向，使其与基板平面垂直；

（3）零件三维建模、分层切片，生成成形制造程序；

（4）移动MIG焊枪至基点位置，提前送出保护气，引弧使脉冲MIG电弧开始工作，同时启动送丝机构，使金属丝材随脉冲电流的输出同步送进，成形制造过程开始；

（5）制造过程结束时，先熄灭脉冲MIG电弧和关停送丝机构，延迟停止保护气，结束全部制造流程。

所述步骤（4）的脉冲电流为复合脉冲，选自三种脉冲电流模式中的任意一种，使成形制造过程获得三种不同的熔滴过渡模式，其中，脉冲电流模式一、二适用于频率为200Hz以下的脉冲设置，脉冲电流模式三适用于频率为200Hz以上的脉冲设置.