技术领域
[0001] 本实用新型属于增材制造工程领域，具体涉及一种强制拘束型电弧金属增材制造装置。
背景技术
[0002] 目前国内外增材制造技术主要包括粉末或丝状材料高能束
烧结、
熔化成型，丝材挤出热熔成型，液态
树脂光
固化成型，液体喷印成型，片/板/
块粘接或
焊接成型等五种形式。
[0003] 金属是增材制造最为广阔的市场。目前对金属材料进行增材制造通常采用的现有方法有：直接金属激光烧结(DMLS)、
电子束熔化烧结(EBM)、
选择性激光熔化成型(SLM)、
选择性激光烧结(SLS)以及尚未成熟的基于
熔焊方法的金属增材制造。但在用
现有技术对金属材料打印时，仅支持十多种金属进行加工，如特定的几种
铝硅合金、
钛合金、镍合金和不锈
钢，且需要预先制成专用的
金属粉末；打印出的金属制品致
密度低，最高能达到铸件的 98％，远低于
锻造件的
力学性能；打印制品表面
精度差，需要后续处理；而且通过激光或是电子束进行增材制造，生产效率极低，但成本却很高，若是通过基于熔焊方法的增材制造，效率虽然变高了，也不用制成金属粉末，但打印时由于焊接过程产生的熔滴较大从而导致打印出来的制品精度极差，并且多层打印时焊接过程的热输入太大，导致严重的残余
应力及
变形甚至是熔塌现象。目前金属材料打印产品极少能作为零部件直接组装应用。
[0004] 因此如何提高金属材料打印产品的品质成为现有技术亟待解决的问题。实用新型内容
[0005] 针对现有技术存在的诸多不足，本实用新型提供了一种强制拘束型电弧金属增材制造装置，该装置包括壳体、
铜盖、熔化极
电极和非熔化极电极，所述熔化极电极和非熔化极电极下方设置有陶瓷
喷嘴，且熔化极电极的
焊丝延长线和非熔化极电极底部均位于喷嘴内；采用这种结构的装置，通过焊丝与钨极之间起弧，电源接在焊丝与钨极之间，然后通过不同形状的陶瓷喷嘴的机械压缩及
热压缩对产生的MIG电弧进行拘束，使发散的电弧拘束形成竖直向下喷射的类
等离子体，与现有技术相比可有效避免增材
制造过程中逐层堆积产生的过大热输入及热积累带来的不良后果。
[0006] 在本实用新型之前，
发明人曾经提交过一篇
申请一种熔融金属增材制造装置及打印方法。该在先申请与本身的技术方案类似，但是其中所采用的喷嘴仅是作为一个可储存一定量液态金属的中间装置，陶瓷喷嘴不与电弧作用，通过该中间装置使液态金属可控的流到
基板，
焊枪按照既定的轨迹运动从而完成增材制造过程。但是发明人经过进一步实践后发现，采用这种结束在进行增材制造过程中，液态熔滴在流下的过程中
温度下降极快，容易形成未熔合等
缺陷，需要对中间的陶瓷喷嘴安置持续加热的部件，导致设备结构复杂，另外陶瓷喷嘴的作用单一，难以起到更好的辅助作用；而这也是本实用新型产生的原因。
[0007] 本实用新型的具体技术方案如下：
[0008] 一种强制拘束型电弧金属增材制造装置，包括壳体、铜盖、熔化极电极和非熔化极电极，铜盖上端与壳体的中间连接件相连，壳体内部有空腔，熔化极电极和非熔化极电极设置在壳体空腔内，且贯穿中间连接件和铜盖，所述铜盖底部连接有喷嘴，且熔化极电极的焊丝延长线和非熔化极电极底部均位于喷嘴内；
[0009] 采用这种结构的装置，陶瓷喷嘴作为拘束器，其中并不储存液态金属，这是与在先申请最大的不同，本实用新型中焊丝延长线与钨极的交点必须是在陶瓷喷嘴内部，焊丝与钨极之间
接触起弧，电弧在一定形状的陶瓷喷嘴的机械压缩或是热压缩的拘束作用下，由原本的发散状电弧变为拘束至竖直向下的电弧，并通
过喷嘴喷射到基板上，而焊丝在电弧中熔融变为液态熔滴，液态熔滴在整个熔滴过渡阶段均处于拘束电弧的保护下，在这一过程中可以对液态熔滴进行持续的加热及保温，同时对于基板也有很好的加热作用，从而保证了增材制造层间可以形成有效地
冶金结合；同时，喷射的拘束电弧可以补充液态熔池所需的热量，从而使增材制造层的成形更好；竖直向下挺度大的拘束电弧可以使熔滴过渡更加稳定，减小飞溅；除此以外，可以通过使用可改变形状及方向的陶瓷喷嘴来控制拘束效果，从而更加稳定地控制热输入；
[0010] 而在本领域中也有类似熔化极等离子弧焊接方式，该方式是通过等离子弧与MIG电弧复合，采用两套电源：其中MIG电源接在焊丝与
工件之间，等离子弧电源接在铜喷嘴或是偏置钨极与工件之间，利用复合热源，提高熔敷效率，使熔滴过渡更加稳定，除此以外还可以实现高速焊接；但这种方法对
水冷要求高，腔体内部结构复杂，设备沉重，且需要调节的工艺参数较多，不易控制；电弧是在焊丝或是钨极等与工件之间燃烧，大部分热量均通
过热传导进入工件，从而热输入较大，熔深较大，不利于进行的增材制造，对于工件本身也有较大的损害，而本
专利所述的工艺中电弧是焊丝与钨极之间接触起弧，只需要一套电源即可实现，电弧接触基板的面积较小热效率高，熔深较小，对工件的损伤极小，因此本实用新型所采用的上述装置也是与现有的熔化极等离子弧焊接装置具有明显不同的。
[0011] 除了上述结构外，所述壳体中间连接件上方设置有第一密封板，连接件下方设置有第二密封板，熔化极电极和非熔化极电极贯穿两个密封板和铜盖，所述第一密封板设有气体入口，所述第二密封板设有气体出口，气体入口和出口贯通用以流通保护气体，这一设计与发明人的在先设计基本类似，发明人对此不在赘述；
[0012] 第一密封板、第二密封板的表面积与壳体横截面积一致，两个密封板配合两个电极使中间连接件下方的壳体内形成一个密封舱，通过气体入口、气体开口贯通第一密封板、第二密封板和中间连接件，用以通入保护气体，一来通入保护气体用以保护熔化极电极产生的液态熔滴不被
氧化，二来保护气可以通过热压缩来拘束电弧；进一步的所述保护气体为氩气与氧气的混合气体，
不锈钢的
熔化极气体保护焊优选的气体一般是混合气体，可选的有氩气与氧气混合气体或者氩气与二氧化
碳的混合气体；两者都可以改善
焊缝的成形及
质量，但是采用氩气与氧气的混合气体有利于金属熔滴的细化，降低了射流过渡的临界
电流值，可以提高增材制造的精度。
[0013] 进一步优选的，所述氧气在保护气中的比例为1％。实验证明氧气量在 2％以下，对接头的抗
腐蚀性能无显著影响。
[0014] 保护气的作用如下：保护气在不同形状的陶瓷喷嘴的拘束作用下，会包裹在拘束电弧四周，从而可以通过加大气流量，在一定出口直径的喷嘴中，可以有效的增加对拘束电弧的机械压缩。其次，保护气是相对冷的，可以有效地给拘束电弧提供一个
冷压缩(热压缩)作用。除此以外，正因为保护气会包裹在拘束电弧四周，而液态熔滴又被拘束电弧包裹，从而可以有效地隔绝空气，防止其使液态熔滴产生氧化。
[0015] 上述所述熔化极电极为MIG焊枪；所述非熔化极电极为TIG焊枪，TIG 焊枪为直柄焊枪，TIG焊枪内设有
循环水冷装置，上述两种焊枪均采用现有技术，发明人也不再赘述；
[0016] 所述的喷嘴为
立方氮化硼陶瓷喷嘴，或者其他材质的陶瓷喷嘴，又或是其他具备类似耐热性及耐热冲击的拘束器，由于本实用新型中产生的电弧温度极高，而铜盖无法承受如此高温，所以必须在铜盖的内部加设一个可以承受如此高温的立方氮化硼陶瓷喷嘴，由于立方氮化硼陶瓷加工性能不好，所以只能是与铜盖一起配合，铜盖和喷嘴之间通过
螺纹连接作为该枪体的喷嘴，同时立方氮化硼陶瓷喷嘴内部为漏斗状，用于增材制造过程中通过机械压缩作用拘束电弧，与气压的共同作用下细化焊接产生的熔滴，从而提高增材制造的精度；不同形状的陶瓷喷嘴对电弧的拘束效果不同，可以根据实际需要采用不同形状；
[0017] 所述铜盖为紫铜，因为紫铜的加工性能好，简单易得；还有就是铜盖导热性能好，塑性较好，不易发裂；进一步的所述中间连接件下部的壳体外部设有水冷装置，这样就可以更好的为铜盖
散热防止铜盖过热并且可以对电弧提供热压缩作用；所述铜盖一端设有
内螺纹，所述壳体的中间连接件上设有
外螺纹，铜盖与壳中间体连接件
螺纹连接。由于在增材制造中，喷嘴将长时间处于高温高压的工作状态，喷嘴的性能及使用寿命最先受到影响，将喷嘴与壳体通过内外螺纹匹配连接，便于更换喷嘴，降低维护成本。
[0018] 所述的焊丝为不锈钢焊丝或其他常用焊丝，只需能够与钨极之间接触起弧即可；
[0019] 本实用新型中通过两个电极之间接触引弧熔化焊丝，产生的电弧以及液态熔滴会在锥形陶瓷喷嘴以及保护气的作用下压缩拘束，从而保温产生的熔滴并加热基板或是上一层打印层，再稳定地射流过渡到
工作台的基板上，并通过
机器人离线编程，完成制品的增材制造过程。
[0020] 本实用新型的有益效果在于：
[0021] 1、本实用新型的技术方案创造性地提出了一种新型的基于熔焊的增材制造装置，通过陶瓷喷嘴以及保护气对电弧以及液态熔滴的机械压缩和热压缩的作用，从而能够使电弧在熔滴过渡阶段都能有效的保护和保温熔滴，并同时能够加热基板，使熔滴与基板产生可靠地结合；由于电弧不直接与基板接触，所以降低了热输入，同时拘束电弧又保证了打印层间的可靠结合；还可以通过改变堆积速度，来控制增材制造零件的成形精度。
[0022] 2、本实用新型的技术方案中两个电极分别采用的是保护气体保护焊焊枪做
阳极，钨极氩弧焊焊枪做
阴极，由于阳极吸收电子发热量大，阴极发射电子发热量小，以此既增加了阳极不锈钢焊丝的熔化速度，同时也防止钨极过热；两电极之间形成回路，通过焊丝的送进接触引弧。
[0023] 3、本实用新型的技术方案可以通过改变陶瓷喷嘴的形状，比如陶瓷喷嘴下端的锥度可以控制在0—1.3，从而改变电弧的拘束度，以此来满足不同要求打印层的需求。
[0024] 4、由于电弧不直接与基板或是前一打印层直接作用，避免了打印过程中电弧较大的热输入对基板或是前一打印层的影响，防止增材制造制品的较大残余应力、变形甚至熔塌等严重缺陷。
[0025] 5、利用本实用新型的技术方案，通过改变堆积方案(如电源、电流
波形、辅加超声或激光等其他外界因素、两电极极性等)或是电参数可平稳的进行多种金属材料的增材制造，尤其适用于增材制造航空、航天、核电等重大工程领域中各类形状较复杂、精密元件，可打印材料包括钛合金、不锈钢、
铜合金等，应用广泛。
附图说明
[0026] 图1为本实用新型所述强制拘束型电弧增材制造装置结构示意图；
[0027] 图2为工作状态下喷嘴内电弧和熔滴的形态示意图；
[0028] 图中1为气电管，2为壳体，3为中间连接件，4为非熔化极电极，5为水冷管，6为气罩，7为基材，8为陶瓷喷嘴，9为熔化极电极，10为水冷装置，11为送丝管，12为非熔化极电极水冷管，13为铜盖，14为第二密封板， 15为第一密封板。
具体实施方式
[0029] 以下通过
实施例形式的具体实施方式，对本实用新型的上述内容做进一步的详细说明，但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本实用新型上述内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
[0030] 一种强制拘束型电弧金属增材制造装置，包括壳体2、铜盖13、熔化极电极9和非熔化极电极4，铜盖13上端与壳体2的中间连接件3相连，壳体 2内部有空腔，熔化极电极9和非熔化极电极4设置在壳体空腔内，且贯穿中间连接件3和铜盖13，所述铜盖13底部连接有喷嘴8，且熔化极电极9 的焊丝延长线和非熔化极电极4底部均位于喷嘴内。
[0031] 所述壳体中间连接件3上方设置有第一密封板15，连接件3下方设置有第二密封板14，熔化极电极9和非熔化极电极4贯穿两个密封板，所述第一密封板15设有气体入口，所述第二密封板14设有气体出口，气体入口和出口贯通用以流通保护气体；
[0032] 所述熔化极电极为MIG焊枪；所述非熔化极电极为TIG焊枪，TIG焊枪为直柄焊枪，TIG焊枪内设有循环水冷装置，所述的循环水冷装置包括非熔化极电极水冷管12，所述非熔化极电极还连接有气电管1；
[0033] 所述熔化极电极上还连接有送丝管11；
[0034] 所述的喷嘴8为立方氮化硼陶瓷喷嘴；
[0035] 进一步的所述中间连接件3下部的壳体2外部设有水冷装置10，所述水冷装置10连接有水冷管5，以防止铜盖过热并提供热压缩作用；所述铜盖一端设有内螺纹，所述壳体中间连接件3上设有外螺纹，铜盖与中间连接件螺纹连接，且所述中间连接件3下部的壳体2下部还连接有气罩6。
