[发明专利]一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统

说明书

本发明涉及一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统。该方法是以高‑低脉冲电流群波形的方式作为电弧电流的输出方式，高‑低脉冲电流群波形包括连续间隔输出的高脉冲电流群波段和低脉冲电流群波段，同时以匹配电流的送丝波形来控制焊丝的送丝时序波形，在高脉冲电流群波段控制焊丝进行送进，在低脉冲电流群波段停止送丝。低脉冲电流群波段电弧用于加热熔化母材和维持电弧燃烧，高脉冲电流群波段电弧用于熔化焊丝形成熔滴并过渡到熔池中且对熔池进行搅拌。采用高‑低脉冲电流群匹配定步长送丝时序波形的控制方法，解决了熔化极电弧增材中电弧—熔滴—熔池系统热‑力强耦合、过程稳定性难于控制、成形精度低的问题，提高了增材成形精度。

技术领域

本发明涉及金属材料电弧增材制造领域，具体涉及一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法及精确成形系统。

背景技术

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是基于离散-堆积原理，利用三维数据驱动将材料逐层累加形成实体零件的快速成形技术。相比于传统的切削加工技术，AM技术具有产品数字化设计、制造、分析高度一体化的独特优点，能够显著缩短产品研发周期和降低制造成本，尤其对于结构复杂、原材料附加值高的产品生产，其快速高效成形的优势越突出。面对航空航天、国防军工、电力等关键技术领域所涉及的高精度、高性能、低成本和短周期致密金属零部件的制造需求及金属实体结构逐渐向大型化、一体化方向发展趋势，作为AM技术体系中最前沿和最具发展潜力的金属增材制造技术将成为上述领域高性能高附加值产品制造优选的最佳途径。

金属增材制造目前采用的热源主要有：激光、电子束、等离子弧、电弧等。其中，高能束增材制造技术(激光、电子束和等离子弧) 已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高尖端领域部分关键零部件的制造，但因其热源、原材料的特点，在成形特定结构或特定成分构件及大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性。而基于堆焊技术发展起来的电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）在理论上可适用于大型零部件的低成本、高效快速近净成形，但受电弧增材方法本身的固有缺陷、成形过程的复杂多变及外部环境等多重内外因素的干扰使电弧增材成形件表面质量粗糙，尺寸精度低、组织性能难以保证，距工业化实际应用尚有一段路程。目前，成形尺寸精度低是制约电弧增材制造发展的关键核心要素之一，精确控制电弧增材成形精度是其在工程化应用中成为最迫切的需求。

WAAM方法本身的缺陷使成形精度降低主要表现在以下两个方面：1）传热和传质过程相互耦合使电弧-焊丝系统稳定性变差，在单次熔积过程中电弧、熔滴热输入、熔滴尺寸及过渡过程难以达到精确控制，致使每一道熔积过程中存在能量和质量传输误差，宏观表现在熔池几何尺寸的变化和熔积层表面形貌的变化。2）在材料积分过程中，由于成形件结构形状和电弧热沉积等使熔池散热边界条件改变，熔池凝固时间延长、稳定性变差，尤其在零件边缘或端部，熔池液态金属的不稳定流动容易造成液态金属下淌，产生阶梯状形貌，严重影响成形表面质量和尺寸精度，即熔积过程中熔池流态变化产生的成形误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，以解决现有技术中存在的电弧增材制造过程热-质传输强耦合造成的电弧-熔滴-熔池系统稳定性低、成形精度难以精确控制的问题；同时，本发明的目的还在于提供一种使用上述精确成形方法的精确成形系统。

为实现上述目的，本发明的一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法采用如下技术方案：一种TIG电弧增材制造过程的精确成形方法，以高-低脉冲电流群波形的方式作为电弧电流的输出方式，高-低脉冲电流群波形包括连续间隔输出的高脉冲电流群波段和低脉冲电流群波段，同时以匹配电流的送丝波形来控制焊丝的送丝时序，在高脉冲电流群波段控制焊丝进行送进，在低脉冲电流群波段控制送丝停止；低脉冲电流群波段电弧用于加热熔化母材和维持电弧稳定燃烧，高脉冲电流群波段电弧用于熔化焊丝形成熔滴并过渡到熔池中且对熔池进行搅拌。

电弧增材全过程在保护气体下进行。