[发明专利]一种丝‑粉‑气‑电弧同轴的3D打印装置

说明书

技术领域

本发明属于电弧加工技术领域，特别是一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置及其方法，可实现丝-粉-气-电弧同轴添加功能，适用于金属材料的焊接、表面改性、修复、增材制造等。

背景技术

电弧送丝增材制造技术(Wire+Arc Additive Manufacture-WAAM)是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔化，在计算机的控制下直接制造全密度三维金属零件的工艺方法。与铸造技术和机械加工方法等传统方法相比，电弧送丝增材制造技术的工序简化、材料利用率提高、生产成本降低、机械加工难度低，同时可以控制零件中的宏观缺陷以及成分偏析，后续加工工序简化，适用于新型产品快速研制以及批量生产。

查找现有的电弧送丝增材制造技术的相关报道，电弧增材制造一般包括：同轴或旁轴送丝电弧3D打印和送粉等离子弧3D打印，而没有丝粉同轴添加的报道。通过单一的送丝方式实现电弧增材制造，其生产的产品的成分受丝材成分的限制，即产品成分不可设计。

本发明提供的一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置，可实现丝-粉-气-电弧同轴添加功能，在送丝电弧增材制造的同时添加相应的合金粉末，其材料成分可设计，适用于金属材料的焊接、表面改性、修复、增材制造等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置及其方法，具备送丝-添粉-加气保-热源四项同步同轴进行的功能，适用于金属材料的焊接、修复、表面处理和增材制造等。

实现本发明目的的技术方案为：

一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置，包括：

一熔化极气体保护焊枪；

一气粉同轴传送装置，其内设有与非熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，螺旋气粉罩内开有与熔化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹；

气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩外设有与螺旋气粉罩外壁相切的n个送粉送气通道，分别为第一送气送粉通道与第二送气送粉通道；

所述的第一送气送粉通道分别开有第一送气口与第一送粉口；第n送气送粉通道分别开有n个送气口与n个送粉口；

所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺旋气粉槽。

如上所述的气粉传送装置有n条气粉传送通道，n一般取2～8，且各通道沿螺旋气粉罩圆周方向上均匀分布；

如上所述的螺旋气粉槽为变螺线-变螺距-变截面结构，螺旋气粉槽包括n螺旋槽、大截面单螺旋槽、小截面单螺旋槽，槽为半圆槽；螺旋气粉槽顶端靠近气粉通道入口处为n螺旋结构的n螺旋槽，槽直径为4mm～7mm，且所述的n螺旋结构为n+1圈；

所述的n个气粉通道连通分别处于两相邻的n螺旋槽处；

与所述的n螺旋槽相连的为大截面单螺旋槽，槽直径为7mm～12mm；与大截面单螺旋槽相连的为小截面单螺旋槽，槽直径为4mm～7mm。

如上所述的螺旋气粉槽从顶部到低部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽螺纹升角为0°～60°；螺旋气粉槽在螺旋气粉罩出口的螺纹升角为0°～5°。

如上所述的一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置，其特征在于，所述的螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。

如上所述的送粉口和送气口上均分别装有送粉调速器和气体流量计。

如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

如上所述的熔化极气体保护焊枪外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹，所述的熔化极气体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。

一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印的方法，包括步骤如下：

步骤1，根据3D打印钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％；选择低碳钢焊丝作为送丝原料；

根据3D打印钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到送粉原料中合金元素i含量的修正值Wif_修正％；将Wif_修正％比转化成送粉原料的含量比α₁:α₂:α₃…:α_j，其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％，送粉原料包括j种原料粉末，j为2-8，送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；