本發明是一種熔絲填充多組分可控增材制造裝置，屬于電子束增材制造加工領域。

背景技術：

電子束焊接因功率密度高、焊縫深寬比大、焊接及冷卻速度快，焊接熱影響區小、真空潔凈度高、焊縫成形質量好、適合異種材料的焊接等優勢，被廣發應用于航空航天等重要的國防工業領域。根據送料方式的不同，電子束增材制造分為預鋪粉和同步送分或同步送絲兩種，其中預鋪粉和送粉時，高速電子束轟擊金屬粉末時，會出現嚴重的吹粉現象，使得粉末在熔化前偏離原理位置，影響成形質量。而利用熔絲填充成形制造用絲材代替粉末為原材料避免了吹粉現象。效率高、制造成本低，過程簡單。

電子束熔絲焊接過程中，中航工業現有的電子束填絲焊裝置，中航工業研究所在真空室外部設置兩個送絲系統真空室，電子槍是固定在真空室頂部中心位置，在送絲系統真空室內置送絲系統和三維對準機構，三維對準機構具有送絲工位和換絲工位，三維對準機構可以在這兩個工位之間由電機驅動進行移動。當需要換絲時，利用閥門關閉送絲系統真空室，使送絲系統真空室與焊機真空室隔離。這種方法雖然可以減少換絲的時間，但是需要在設備原有真空室外重新架構兩個真空室，而電子束設備真空室需要進行防輻射處理，重新架構的真空室會增大設備的成本，降低設備的防護安全系數。另外重新架構的真空室在抽真空時會耗費大量的抽真空時間。在設備工作時補絲，需要關閉補絲的真空室，但是該真空室和焊接用是主真空室還是相連的，補絲時會降低主真空室的真空度，當真空度達不到焊接要求時，不能進行焊接。

桂林獅達機電工程技術有限公司的電子束填絲裝置是在真空室外部添加一個送絲機構，采用動密封裝置，將送絲機構隔絕在真空室外部。采用可移動式電子槍，中央控制單元檢測到金屬絲帶快用盡時，便發出換絲提示，同時關閉電子束，停止送絲機送絲，停止運動裝置和工作臺運動，中央控制單元記錄沖斷點信息；此時對焊機將上盤金屬絲帶的末端與下盤金屬絲帶的始端焊接在一起，換絲結束后中央控制單元從沖斷點重復。但是該裝置只能運用送絲方式焊接，不能輸送其他材料進行焊接，且運用動密封裝置進行密封真空室，會降低真空室的真空度，當真空度達不到焊接要求時，不能進行焊接。

艾美特國際有限公司用多絲、采用惰性氣體保護或埋弧方法進行的堆焊系統及工藝，用于替代帶極堆焊以獲得更大的生產效率。系統包括焊槍擺動機構、多絲焊槍、送絲管、至少兩臺送絲機。相比于傳統堆焊，多絲堆焊的熔敷率更高；由于多絲堆焊的搭接區比傳統堆焊更光滑，所以為了得了光滑表面所需要的機加工時間大量減少。

技術實現要素：

本發明正是針對現有技術中存在的需要重新添加真空室及只能通過送絲或送粉的方式進行電子束增材制造的缺點而設計了內置式電子束熔絲填充多組分可控增材制造加工裝置，其目的是為了解決現有裝置中熔絲填充機構與工件分別處于不同的真空室內，造成真空室制造成本增加，設備的防護安全系數降低，焊接時真空室的真空度不穩定的缺點，同時可以實現絲材填充及顆粒填充等填充方式進行焊接，實現功能梯度材料的高效制備。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

熔絲填充多組分可控增材制造加工裝置，包括電氣控制系統、真空室、電子槍、高壓電源、運動系統、送絲單元、送料裝置，其中電子槍固定安裝在真空室頂部中心位置，通過高壓線連接至高壓電源。

真空室內部設置n個送絲單元，n個送絲單元由送絲機構、焊絲盤、焊絲盤軸、靜電屏蔽裝置、送絲調節機構組成。

由于永磁電機會產生電磁干擾，所以需要在每個送絲單元外部添加靜電屏蔽裝置。n個送絲單元外加靜電屏蔽裝置內置于真空室，懸掛安裝在真空室的頂部，置于電子槍的兩側對稱安裝。

送絲機構固定在靜電屏蔽裝置內，采用雙驅動送絲機構，包括永磁電機、支架、加壓手柄、主動送絲滾輪、從動送絲滾輪、第一壓絲滾輪、第二壓絲滾輪。主動送絲滾輪安裝在永磁電機的輸出軸上，主動送絲滾輪通過連桿機構與從動滾輪傳動連接，第一壓絲滾輪與第二壓絲滾輪安裝在支架上，送絲滾輪與壓絲滾輪均垂直于基板所在的平面上，主動送絲滾輪與第一壓絲滾之間留有焊絲可通過的間隙，從動送絲滾輪與第二壓絲滾輪之間也留有焊絲可通過的間隙。

設有入絲導嘴位于主動送絲滾輪和第一壓絲滾輪的間隙入口處，出絲導嘴位于從動送絲滾輪和第二壓絲滾輪的間隙出口處，并固定在支架的兩側，加壓手柄固定在支架兩側，用于調節壓絲滾輪的位置，通過加壓手柄高度的調節，控制壓絲滾輪與送絲滾輪之間的間隙。

焊絲盤固定在焊絲盤軸上，安裝于靜電屏蔽裝置底部，臨近送絲機構的入絲導嘴處。送絲調節機構由電機Ⅱ驅動，由送絲軟管、導絲嘴、四維調節器組成，分別對應多個送絲單元，安裝在靜電屏蔽裝置外側。可以實現X方向、Y方向、Z方向平移及XY面角度調節，可以在焊接時調整焊接角度和位置，實現單絲送絲、雙絲送絲和多絲送絲。

在靜電屏蔽裝置外加顆粒送料裝置，顆粒送料裝置由電機Ⅰ、儲料盒、支撐桿、導料管、閥門組成，支撐桿設置在外殼底部中心，其頂部固定儲料盒，電機Ⅰ設置在支撐桿的一側；所述的閥門設置在導料管與儲料盒之間，電機Ⅰ控制儲料盒的閥門的開關及閥門的開口大小，當需要金屬顆粒進行非熔夾渣填充焊接時，打開儲盒閥門，當焊接結束時，關閉儲料盒閥門；支撐桿用于安裝固定儲料盒。

本發明相對于現有技術相比具有顯著優點：

1、本發明的增材制造裝置通過設置有1個或多個送絲單元，各個送絲單元可以實現獨立送絲和同步送絲，實現進行單送絲填絲焊接，雙送絲同材填絲焊接、雙絲異材填絲焊接和多絲異材焊接，同時，通過控制顆粒送料裝置添加金屬顆粒，可實現金屬顆粒非熔夾渣填充焊接。

2、該裝置通過調節多個送絲單元的送絲速度、送絲方式(連續送絲和脈沖送絲)，使得焊縫的填絲量的發生改變，在增材制造過程中，可以利用送送絲系統實現單絲焊接、雙絲異材同速焊接、雙絲異材異速焊、多絲異材同速焊接，利用顆粒填充裝置實現顆粒非熔夾渣焊接，使得焊縫的填絲材料的成分分配不同，實現功能梯度材料的連續加工。

3、該裝置能夠焊接過程中擺動，在獲得更寬的焊縫的同時，改善堆焊材料與木材的熔合比，獨特的擺動功能也可以保證堆焊層更加均勻一致。該裝置雖采用多絲焊接，但是電子束焊接與惰性氣體保護焊或埋弧焊相比電子束焊接相比具有功率密度高、焊縫深寬比大、焊接及冷卻速度快，焊接熱影響區小、真空潔凈度高等優點。

附圖說明

圖1為本發明裝置的結構示意圖。

圖2為送絲單元的結構示意圖。

圖3送絲單元在真空室內分布圖。

其中：1、電氣控制系統；2、真空室；3、電子槍；4、高壓線；5、真空機組；6、高壓電源；7、X軸行走機構；8、Y軸行走機構；9、送絲單元；10、四維調節器；11、靜電屏蔽裝置；12、焊絲盤，13、焊絲盤軸；14、永磁電機；15、加壓手柄；16、第一壓絲滾輪；17、第二壓絲滾輪；18、主動送絲輪；19、從動送絲輪；20、支架；21、送絲軟管；22、導絲嘴；23、入絲導嘴；24、出絲導嘴；25、連桿機構；26、電機Ⅱ、27、送料裝置；28、電機Ⅰ；29、儲料盒；30、支撐桿；31、導料管；32、閥門。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步詳述：

如圖1、2所示，電子束熔絲填充多組分可控增材制造裝置由電氣控制系統1、真空室2、電子槍3、高壓電源6、運動系統7、8、1個或多個送絲單元9、送料裝置27組成。運動系統7、8為X軸行走機構7、Y軸行走機構8，將送絲單元9安裝在真空室2的頂部，分布在電子槍3的兩側對稱安裝，分布圖如圖3。送絲單元9內設有送絲機構、焊絲盤12，焊絲盤軸13、靜電屏蔽裝置11、送絲調節機構。送絲機構采用雙驅動送絲機構，由永磁電機14、支架20、兩個加壓手柄15、主動送絲滾輪18、從動送絲滾輪19、第一壓絲滾輪16、第二壓絲滾輪17、連桿機構25組成，主動送絲滾輪18與第一壓絲滾輪16之間留有焊絲可通過的間隙，從動送絲滾輪19與第二壓絲滾輪17之間也留有焊絲可通過的間隙，入絲導嘴23位于主動送絲滾輪18和第一壓絲滾輪16的間隙入口處，出絲導嘴24位于從動送絲滾輪19和第二壓絲滾輪16的間隙出口處，通過加壓手柄15高度的調節，控制第一、第二壓絲滾輪16、17與第一、第二送絲滾輪18、19之間的間隙。焊絲盤12固定在焊絲盤軸13上，安裝于靜電屏蔽裝置11底部，臨近送絲機構的入絲導嘴23處。送絲單元9外部有靜電屏蔽裝置11，送絲調節機構安裝在靜電屏蔽裝置11的外側，通過步進或伺服電機控制，將四維調節器10連接的送絲軟管21、導絲嘴22運動至電子束束流加工位置。在靜電屏蔽裝置11外加顆粒送料裝置27，顆粒送料裝置27由步進或伺服電機Ⅰ28、儲料盒29、支撐桿30、導料管31、閥門32組成，電機Ⅰ28控制儲料盒29，支撐桿30設置在外殼底部中心，其頂部固定儲料盒29，電機Ⅰ28設置在支撐桿30的一側；所述的閥門32設置在導料管31與儲料盒29之間，當需要金屬顆粒進行非熔夾渣填充焊接時，打開儲盒閥門32，通過電機28控制閥門的大小，以此來控制顆粒的流量，當焊接結束時，關閉儲料盒閥門32；支撐桿30用于安裝固定儲料盒29。

本發明裝置的工作過程：

打開高壓電源6，啟動真空預熱45分鐘，將所需加工的零件基材固定在工作臺上；

將加工所需的絲材纏繞在焊絲盤12上，各個焊絲盤12可用相同的材料也可用不同的材料，將焊絲盤12安裝在送絲單元9的焊絲盤軸13上，絲材通過入絲導嘴23進入送絲機構，通過主動送絲輪18、從動送絲輪19，第一加壓滾輪16、第二加壓滾輪17進行矯直后，通過出絲導嘴24進入送絲軟管21，從導絲嘴22導出；在儲料盒29內添加金屬顆粒。

四維調節器10由電機Ⅱ26驅動，將金屬絲材對準電子束束流加工位置；送過電機28調節導料管31的位置和閥門32，將導料管對準加工位置。

開始工作時，由真空機組5對真空室2進行抽真空，當槍真空和室真空分別達到7E-2、8E-3時，電子槍3形成電子束束流，調節束流焦點，根據絲材、金屬顆粒和基材的材料，調節束流、焊接速度、送絲速度，用電子束對金屬絲材和金屬顆粒進行加熱熔化，并按照預定的加工路線進行焊接。

焊接完成后，進行室放氣，當壓力升至一個大氣壓后，開門，將焊接工件通過行走機構拿出。

功能梯度材料的加工方法：將送絲單元9的焊絲盤12上按照加工需要纏繞上不成分的焊絲，儲料盒29內放置不同成分的金屬顆粒，分別安裝在送絲單元9內和送料裝置內，當進行雙絲及多絲送絲加工時，可以分別調整送絲機的送絲速度，送絲方式連續送絲或脈沖送絲，將多個四維調節機構對準電子束束流加工位置，焊接時，可按照預先設置好的加工路徑進行加工，得到與成分不同的焊縫。進行多絲同材焊接時，可以通過改變送絲速度、送絲方式，可以增加填絲量，進而增大焊縫熔寬；當進行多絲異材焊接時，使用多絲焊接，通過改變多個送絲機的送絲速度、送絲方式，增加填絲量，增大熔寬，改變焊縫的組成成分，進而獲得不同成分的材料，而獲得功能梯度材料；金屬顆粒非熔夾渣填充時，電機28控制儲料盒29的閥門，焊接時將儲料盒29的閥門32打開，使得金屬顆粒能夠進入焊縫，實現金屬顆粒非熔夾渣填充，獲得功能梯度材料；金屬絲材連同金屬顆粒同步填充時，將絲材與導料管31同時對準焊縫，實現絲材與金屬顆粒非熔夾渣填充。

實施例一，選用顆粒非熔夾渣填充焊接，具體實施步驟如下：

1.打開高壓電源6，啟動真空預熱45分鐘，將增材制造所需的基材固定在工作臺上；

2.將填充時所需的金屬顆粒放置在儲料盒29內，根據焊縫的大小調節閥門32的大小，利用閥門32控制金屬顆粒的流量。

3.通過電機28調節將導料管31的出口對準焊縫，使得金屬顆粒前置填充。

4.關閉真空室，由真空機組對真空室抽真空，當槍真空和室真空分別達到7E-2、8E-3時，打開中頻機組、參數電源、加高壓、燈絲電流，電子槍3形成電子束束流，調節束流焦點，根據顆粒和基材的材料，調節束流、焊接速度、送絲速度，其中金屬顆粒的流量可以通過閥門32進行控制。

5.調整好參數后，打開電子束束流，同時金屬顆粒同步填充，對金屬顆粒進行加熱熔化，并按照預定的加工路線進行焊接。

6.焊完一層后，關閉束流，停止送料，重新調節束流焦點，繼續重復步驟5，進行逐層焊接。

7.焊接完成后，進行室放氣，開門，利用行走機構將工件移出真空室。

實施例二，選用顆粒非熔夾渣及絲材填充焊接，具體實施步驟如下：

1.打開高壓電源6，啟動真空預熱45分鐘，將增材制造所學的基材固定在工作臺上；

2.將增材制造所需的n種絲材分別纏繞在對應的焊絲盤12上，分別安裝在對應是焊絲盤軸13上，將焊絲穿過入絲導嘴、主動送絲輪上的凹槽、連桿機構、從動送絲輪上的凹槽，進入送絲軟管，打開送絲機控制開關，將金屬絲材穿過送絲軟管、四維調機器，從導絲嘴穿出。調節兩根絲材的伸出長度。將填充時所需的金屬顆粒放置在儲料盒29)內，根據焊縫的大小調節閥門32的大小，通過電機28調節導料管的位置，使導料管28)對準電子束束流。

3.通過電機26調節送絲調節器，將金屬絲材調整到合適的送絲角度、送絲方式和兩根絲材之間的角度，使得絲材對準電子束束流位置，通過電機28調節將導料管31的出口對準焊縫，使得金屬顆粒前置填充。

4.關閉真空室，由真空機組對真空室抽真空，當槍真空和室真空分別達到7E-2、8E-3時，打開中頻機組、參數電源、加高壓、燈絲電流，電子槍3形成電子束束流，調節束流焦點，根據絲材和基材的材料，調節束流、焊接速度、送絲速度，其中送絲速度可用送絲控制系統進行調節，設置各個送絲機的送絲速度不相同，以此將多種絲材進行不同比例的熔合，調節儲料盒29的閥門32，控制金屬顆粒填充量的不同。

5.調整好參數后，打開電子束束流，同時多種金屬絲材同步送絲，金屬顆粒同步填充，對金屬絲材和金屬顆粒進行加熱熔化，并按照預定的加工路線進行焊接。

6.焊完一層后，關閉束流，停止送絲和送料，重新調節束流焦點，繼續重復步驟5，進行逐層焊接。

7.焊接完成后，進行室放氣，開門，利用行走機構將工件移出真空室。

實施例三，選用同種絲材同速送絲進行多絲增材制造，具體實施步驟如下：

打開高壓電源6，啟動真空預熱45分鐘，將增材制造所學的基材固定在工作臺上；

將增材制造所需的同種絲材纏繞在焊絲盤12上，并分別安裝在焊絲盤軸13上，將焊絲穿過入絲導嘴、主動送絲輪上的凹槽、連桿機構、從動送絲輪上的凹槽，進入送絲軟管，打開送絲機控制開關，將金屬絲材穿過送絲軟管、四維調機器，從導絲嘴穿出。調節兩根絲材的伸出長度。

通過電機調節送絲調節器，將金屬絲材調整到合適的送絲角度、送絲方式和多根絲材之間的匹配位置，使得絲材對準電子束束流位置。

關閉真空室，由真空機組對真空室抽真空，當槍真空和室真空分別達到7E-2、8E-3時，打開中頻機組、參數電源、加高壓、燈絲電流，電子槍3形成電子束束流，調節束流焦點，根據絲材和基材的材料，調節束流、焊接速度、送絲速度。

調整好參數后，打開電子束束流，同時多種金屬絲材同步送絲，對金屬絲材進行加熱熔化，并按照預定的加工路線進行焊接。

焊完一層后，關閉束流，停止送絲，重新調節束流焦點，繼續重復步驟5，進行逐層焊接。

焊接完成后，進行室放氣，開門，利用行走機構將工件移出真空室。

實施例四，選用異種絲材同速進行多絲增材制造，具體實施步驟如下：

1.打開高壓電源6，啟動真空預熱45分鐘，將增材制造所學的基材固定在工作臺上；

2.將增材制造所需的多種絲材分別纏繞在各個焊絲盤12上，分別安裝在對應的焊絲盤軸13上，將焊絲穿過入絲導嘴、主動送絲輪上的凹槽、連桿機構、從動送絲輪上的凹槽，進入送絲軟管，打開送絲機控制開關，將金屬絲材穿過送絲軟管、四維調機器，從導絲嘴穿出。調節絲材的伸出長度。

3.通過電機調節送絲調節器，將金屬絲材調整到合適的送絲角度、送絲方式和多個絲材之間的角度，使得絲材對準電子束束流位置。

4.關閉真空室，由真空機組對真空室抽真空，當槍真空和室真空分別達到7E-2、8E-3時，打開中頻機組、參數電源、加高壓、燈絲電流，電子槍3形成電子束束流，調節束流焦點，根據絲材和基材的材料，調節束流、焊接速度、送絲速度。

5.調整好參數后，打開電子束束流，同時多種金屬絲材同步送絲，對金屬絲材進行加熱熔化，并按照預定的加工路線進行焊接。

6.焊完一層后，關閉束流，停止送絲，重新調節束流焦點，繼續重復步驟5，進行逐層焊接。

7.焊接完成后，進行室放氣，開門，利用行走機構將工件移出真空室。

實施例五，選用異種絲材不同速進行多絲增材制造，具體實施步驟如下：

1.打開高壓電源6，啟動真空預熱45分鐘，將增材制造所學的基材固定在工作臺上；

2.將增材制造所需的多種絲材分別纏繞在對應的焊絲盤12上，分別安裝在對應的焊絲盤軸13上，將焊絲穿過入絲導嘴、主動送絲輪上的凹槽、連桿機構、從動送絲輪上的凹槽，進入送絲軟管，打開送絲機控制開關，將金屬絲材穿過送絲軟管、四維調機器，從導絲嘴穿出，調節多根絲材的伸出長度。

3.通過電機26調節送絲調節器，將金屬絲材調整到合適的送絲角度、送絲方式和多根絲材之間的角度，使得絲材對準電子束束流位置。

4.關閉真空室，由真空機組對真空室抽真空，當槍真空和室真空分別達到7E-2、8E-3時，打開中頻機組、參數電源、加高壓、燈絲電流，電子槍3形成電子束束流，調節束流焦點，根據絲材和基材的材料，調節束流、焊接速度、送絲速度，其中送絲速度可根據送絲控制系統進行調節，設置多個送絲機的送絲速度不相同，以此將多種絲材進行不同比例的熔合。

5.調整好參數后，打開電子束束流，同時多種金屬絲材同步送絲，對金屬絲材進行加熱熔化，并按照預定的加工路線進行焊接。

6.焊完一層后，關閉束流，停止送絲，重新調節束流焦點，繼續重復步驟5，進行逐層焊接。

7.焊接完成后，進行室放氣，開門，利用行走機構將工件移出真空室。