脉冲气帘柔性拘束变极性TIG电弧铝合金薄壁增材制造方法
本发明涉及一种脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，属于金属成型制造方法领域。
背景技术：
1、增材制造技术是通过数字模型和3d打印设备，将材料逐层累计增加以制造三维实体零件的智能制造技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。根据热源的不同，金属材料的增材制造方法可以分为激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造等。其中，电弧增材制造技术主要以焊接电弧为热源，金属焊丝作为增材材料，将金属焊丝送入电弧中，利用电弧产生的高热量融化焊丝，实在在基板上安装设定的路线从下至上堆积形成致密的金属实体构件。
2、电弧增材制造技术除了具有其他金属增材制造所共有的材料利用率高，成形复杂零件等优点外，还具有较高的致密度、设备成本低、使用成本低等优势。但同时也存在电弧不稳定、热输入难以精准调控、成形精度低、表面粗糙度大、工艺不稳定等问题。
3、铝合金具有轻量化以及较高的比强度、比模量和优良的导热、耐腐蚀、抗疲劳等性能。因此，铝合金电弧增材制造技术在航天航空、交通运输、船舶舰艇等重要领域有着广泛的应用。随着电弧增材制造技术的快速发展，铝合金电弧增材制造的热源主要有tig电弧、熔化极电弧、等离子电弧等。然而tig和熔化极电弧在电流小于30a时，电弧分散、稳定性差；等离子电弧的焊枪结构复杂，起弧困难，在小电流时同样不适用。传统电弧难以实现薄壁结构件的增材。因此对传统电弧进行改进，提升电弧的能量密度及稳定性，在铝合金薄壁结构精密增材制造中具有重要意义。
4、本发明在传统tig电弧的基础上对焊枪进行结构改进，将原单层气路喷嘴改进为双层气路喷嘴并将内层气路喷嘴改进为锥形缩口,其横截面形状为椭圆形、八字形、圆形。气流通过锥形喷嘴会在出口处形成高速气流，直接作用于钨极端部，使电弧拘束收缩，从而提高电弧的能量密度。若锥形横截面为椭圆形，则椭圆短边流速大于长边流速，将电弧压缩成窄而长的形态，提高了增材成型的精度。内层气路通入脉冲气流，脉冲频率与电源变极性频率相同，en阶段通入气流，使电弧拘束收缩，同时能够降低钨极端部的温度，防止钨极过度烧损；ep阶段无气流通过，工件表面的阴极斑点可以充分扩展，能够有效清理铝合金表面氧化层，使电弧成弧更加稳定。因此脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧可以在铝合金薄壁结构进行精密的增材制造。
技术实现思路
1、本发明目的在于克服现有增材制造方法的精度缺陷及不足，提出了一种脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法。该增材制造方法通过改进喷嘴结构，使喷嘴具有内外两层气路，内层气路通入脉冲气流形成气帘，气帘的脉冲频率与电源变极性频率相同，在两者的共同作用下，en阶段气帘使电弧压缩，提高能量密度，实现电弧拘束的效果；ep阶段无气帘的形成，使阴极斑点充分扩展，能够有效清理铝合金表面氧化层。
2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法。钨极和铝合金工件通过变极性焊接电源控制，钨极端喷嘴改进为两层气路喷嘴，内层脉冲气流使电弧压缩，产生电弧拘束效果，提高了电弧能量密度，使得焊丝熔覆速度增加且熔滴过度稳定。
3、1、脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，该方法是在钨极周围原有的一道保护气流基础上多增加一道脉冲压缩气流，脉冲频率与使用的电源变极性频率相同，反极性阶段脉冲压缩气流沿着内层喷嘴端壁流向钨极尖端，直接作用于电弧，在高速气流压缩作用下电弧产生收缩效应，另外，脉冲压缩气流可以冷却钨极，避免烧损，同时可以使电子发射聚焦于钨极尖端，进一步提升电弧热流密度；正极性阶段无压缩气流，工件上产生的阴极斑点能够充分扩展，有效清理铝合金表面氧化层。调整钨极尖端与铝合金工件之间的距离，将焊丝水平送入脉冲气帘柔性拘束电弧中，电弧的拘束收缩有更集中的能量密度，使焊丝熔覆效率更高并且实现稳定成形。
4、2、进一步，钨极周围有两层喷嘴，分别为内层喷嘴和外层喷嘴，内外两层喷嘴可同时通入氩气或氦气同种气体，也可分别通入异种气体，如：内层喷嘴通入氩气，外层喷嘴通入氦气。其中氩气稳定性高，不易与其他元素发生反应，具有很好的保护效果；氦气导热性能好，产生电弧热量更高，增材速率增加。
5、3、进一步，内层喷嘴的气流流量为2-6l/min，主要使电弧拘束收缩，提高电弧的能量密度；外层喷嘴的气流流量为10-15l/min，主要防止空气进入熔池，保护熔池不受污染。
6、4、进一步，根据电弧增材制造方法的需求，可改变内外两层喷嘴内气体种类，实现同种或异种气体对电弧和熔池的不同作用效果。
7、5、进一步，内层气路通入脉冲气流，脉冲波形为矩形波，脉冲频率与电源变极性交流电频率相同，周期为25ms，其中正、反极性阶段占比为1：2。
8、6、进一步，喷嘴内层的横截面为中心对称的圆形截面，气流通过圆形截面后，在钨极端部形成流速均匀的气帘，使电弧各向均匀拘束收缩。
9、7、进一步，喷嘴内层的横截面为非中心对称的椭圆形和八字形截面，气流通过该截面后，由于截面的短边流速高于长边流速，在钨极端部形成窄而长的气帘，使电弧形态被拘束成各向异性。
10、8、进一步，电源特性为变极性交流电，电流大小在50a以下，钨极尖端与工件距离为0.1mm-1mm，焊丝直径为0.1mm-0.2mm，将焊丝从钨极正下端送入，在脉冲气流的作用下，电弧拘束收缩，并具有集中的能量密度，实现稳定成形，可控制沉积层宽度在30微米-100微米之间。
11、该增材制造方法具体操作步骤如下：
12、(1)增材前工作准备。首先，将铝合金工件及与之相匹配的焊丝准备就绪。其次，固定铝合金工件，调整焊枪位置，将变极性焊接电源和控制系统与钨极和铝合金工件连接成回路。之后，将喷嘴外层气路通过气流量控制阀连接到气罐，喷嘴内层气路通过脉冲电磁阀和气流量阀连接到气罐，并确保气路畅通。其他设备按照常规方法连接。
13、(2)检气。开启气罐阀门，检查气路是否有堵气、漏气现象，脉冲电磁阀通电，检查脉冲电磁阀能否正常工作，并通过调整气流量阀使气流达到增材制造所需要的预设气流量值。
14、(3)起弧。调整钨极尖端与工件距离，调节变极性电源的工作电流和变极性频率，确保与脉冲气流频率相同，打开气流量阀，使钨极燃弧，打开脉冲电磁阀，开启送丝装置，使焊丝按照一定速度持续送入电弧内部并熔化。
15、(4)正常增材制造。待上述起弧稳定后，按照一定的焊接速度和送丝速度开始正常增材制造。在增材制造过程中，可以调节变极性电源和脉冲气流的正极性和反极性阶段的占比时间，调整对铝合金工件表面清理程度，使电弧形态保持稳定，同时可调节内层喷嘴气流量，压缩电弧，控制电弧拘束程度，进而准确控制焊接增材过程中的热输入。
16、与现有技术相比，本发明方法的优点如下：
17、1、与传统tig焊接电源相比，本发明使用变极性电流可以在正极性阶段有效清除铝合金表面氧化层；在反极性阶段，钨极端热输入减少，钨极可以得到一定程度的冷却，从而减轻钨极烧损，且此时发射电子更加容易，有利于电弧的稳定燃烧。
18、2、与单层气路喷嘴结构相比，本发明在原喷嘴结构上多增加一道内层脉冲气流，直接作用与钨极端部形成脉冲气帘，可以在保证电弧燃烧的情况下有效的压缩电弧，产生电弧拘束效果，使电弧宽度减小，能量密度提高，从而减少堆积层气孔的出现，使增材成形质量提高，气帘对钨极起到一定冷却作用，防止钨极过度烧损；且在ep阶段，无气帘的作用，能使工件上产生的阴极斑点充分发生扩展，有效清理工件表面残渣，从而使电弧形态更加稳定。
19、3、与传统tig电弧、熔化极电弧和等离子电弧增材制造方法相比，本发明在变极性电流和脉冲气流共同作用下，通过调节正、反极性阶段占比时间、电流大小、压缩气流量，使电弧形态和能量密度稳定可控，有效提高增材成形的精度和效率。
技术特征：
1.脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，其特征在于：在钨极周围原有的一道保护气流基础上多增加一道脉冲压缩气流，脉冲频率与使用的电源变极性频率相同，反极性阶段脉冲压缩气流沿着内层喷嘴端壁流向钨极尖端，直接作用于电弧；钨极周围有两层喷嘴，分别为内层喷嘴和外层喷嘴，内外两层喷嘴同时通入氩气或氦气同种气体，或者通入异种气体，内层喷嘴的气流流量为2-6l/min，使电弧拘束收缩，提高电弧的能量密度；外层喷嘴的气流流量为10-15l/min。
2.根据权利要求1所述的脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，其特征在于：内层气路通入脉冲气流，脉冲波形为矩形波，脉冲频率与电源变极性交流电频率相同，周期为25ms，其中正、反极性阶段占比为1：2。
3.根据权利要求1所述的脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，其特征在于：喷嘴内层的横截面为中心对称的圆形截面，气流通过圆形截面后，在钨极端部形成流速均匀的气帘，使电弧各向均匀拘束收缩。
4.根据权利要求1所述的脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，其特征在于：喷嘴内层的横截面为非中心对称的椭圆形或八字形截面，气流通过该截面后，使电弧形态被拘束成各向异性。
5.根据权利要求1所述的脉冲气帘柔性拘束变极性tig电弧铝合金薄壁增材制造方法，其特征在于：电源特性为变极性交流电，电流大小在50a以下，钨极尖端与工件距离为0.1mm-1mm，焊丝直径为0.1mm-0.2mm，将焊丝从钨极正下端送入。
技术总结
本发明涉及一种脉冲气帘柔性拘束变极性TIG电弧铝合金薄壁增材制造方法，将传统单层气路喷嘴改进为双层气路喷嘴，外层气路喷嘴通入保护气，保护熔池不受污染；内层气路喷嘴通入脉冲气，根据内层喷嘴横截面形状不同，如：椭圆形、八字形、圆形，使电弧产生不同程度的拘束收缩。脉冲气流的频率与电源变极性频率相同，EN阶段内层喷嘴通入气流，使电弧拘束收缩，形成稳定并高能量密度的拘束电弧；EP阶段内层喷嘴无气流通过，工件表面的阴极斑点可以充分扩展，能够有效清除铝合金表面氧化层。该脉冲拘束电弧具有良好的稳定性和较高的能量密度，有助于提高焊丝熔覆效率并降低沉积层的宽度，能够对铝合金薄壁结构件进行精密的增材制造。
技术研发人员：陈树君,张程,徐斌,蒋凡,张国凯,张明达
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23