阅读说明：本技术 多源同轴等离子弧熔覆工艺及设备 (Multi-source coaxial plasma arc cladding process and equipment ) 是由 锁红波 李相金 赵凯 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了多源同轴等离子弧熔覆工艺及设备,该设备包括焊枪机构,送料机构,电源机构和离子气供气装置；焊枪机构包括等离子弧发生部件,等离子弧发生部件包括阴极棒和下枪体,电源机构的引弧电路的正极和负极分别电连接下枪体和阴极棒,下枪体包括离子气流道和导电喷嘴,阴极棒插设于所述离子气流道内,焊枪机构包括送料导嘴和多个阴极棒,下枪体包括与阴极棒一一对应设置的离子气流道和导电喷嘴,多个导电喷嘴的喷射口中轴线交汇于一点作为交汇点,交汇点位于送料导嘴出料口中轴线上,且位于送料导嘴出料口下方。该设备功率分布更平缓,焊缝熔深浅、熔宽大,更适于表面熔覆和增材制造,该设备既能提高焊缝质量,又能提高加工效率。(The invention discloses a multisource coaxial plasma arc cladding process and equipment, wherein the equipment comprises a welding gun mechanism, a feeding mechanism, a power supply mechanism and an ionic gas supply device; the welding gun mechanism comprises a plasma arc generation part, the plasma arc generation part comprises a cathode bar and a lower gun body, the anode and the cathode of an arc striking circuit of the power supply mechanism are respectively and electrically connected with the lower gun body and the cathode bar, the lower gun body comprises an ionic air flow channel and a conductive nozzle, the cathode bar is inserted in the ionic air flow channel, the welding gun mechanism comprises a feeding guide nozzle and a plurality of cathode bars, the lower gun body comprises the ionic air flow channel and the conductive nozzles which are arranged in one-to-one correspondence with the cathode bars, the central axes of the jet orifices of the conductive nozzles are intersected at one point to serve as an intersection point, and the intersection point is positioned on the central axis of the discharge port of the feeding guide nozzle and is positioned below the discharge. The equipment has the advantages of more gentle power distribution, shallow weld fusion depth and large weld fusion width, is more suitable for surface fusion covering and additive manufacturing, and can improve the weld quality and the processing efficiency.)

多源同轴等离子弧熔覆工艺及设备

技术领域

本发明属于金属零件成型加工技术领域，具体涉及多源同轴等离子弧熔覆工艺及设备。

背景技术

等离子熔覆技术是借助水冷系统针对喷嘴电弧约束控制，通过转移弧作为热源获得高能量密度的等离子弧，利用各种合金粉末、丝材针对的机械表面修复再制造的手段。现有的等离子弧熔覆/堆焊设备多采用单一等离子弧作为热源，一路或多路填充材料从等离子弧的单侧或周边向等离子弧送进。以粉末为填充材料时，采用多路粉末聚焦在等离子弧下方；以丝材为填充材料时，采用单丝从一侧送入等离子弧下方，即所谓的旁轴送丝方式。

但是，现有等离子弧熔覆设备存在以下不足：1.如果填充材料是丝材，其旁轴送丝方式使得不同运动方式下堆积焊缝的形貌有较大差异，在进行表面熔覆、增材制造时会造成累积误差，影响尺寸精度。反向、侧向送丝时，丝材端部会与已经形成的焊缝形成干涉，影响送丝稳定。由于丝材和已堆积焊缝对运动过程中的等离子弧造成干扰，使弧长发生变化，对焊缝的形态、质量均造成不利影响。2.如果填充材料是粉末，由于粉末是从外向内进入等离子弧，粉末难以实现完全熔化，一方面降低了材料利用率，另一方面未熔化的粉末进入熔池有可能产生冶金缺陷。为了改善焊缝质量，现有等离子弧熔覆设备多采用增大等离子弧功率，或减小粉末输送速度的方式，但这样操作又会增加零件基体的热输入，或者降低熔覆效率。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是，提供多源同轴等离子弧熔覆工艺及设备。该设备与现有等离子弧熔覆设备相比功率分布更平缓，焊缝熔深浅、熔宽大，更适于表面熔覆和增材制造，该设备既能提高焊缝质量，又能提高加工效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多源同轴等离子弧熔覆设备，包括焊枪机构，为所述焊枪机构输送填充料的送料机构，为所述焊枪机构供电的电源机构，以及为所述焊枪机构提供离子气的离子气供气装置；所述焊枪机构包括等离子弧发生部件，所述等离子弧发生部件包括阴极棒和作为阳极的下枪体，所述电源机构的引弧电路的正极和负极分别电连接所述下枪体和所述阴极棒，所述下枪体包括连接所述离子气供气装置的离子气流道，以及安装于离子气流道下端口的导电喷嘴，所述阴极棒插设于所述离子气流道内，所述焊枪机构包括连接所述送料机构的送料导嘴，以及多个所述阴极棒；所述下枪体包括与所述阴极棒一一对应设置的离子气流道和导电喷嘴，多个所述导电喷嘴的喷射口中轴线交汇于一点作为交汇点，所述交汇点位于所述送料导嘴出料口中轴线上，且位于所述送料导嘴出料口下方。

作为优选，所述下枪体为导电金属制成。

作为优选，所述多源同轴等离子弧熔覆设备还包括为所述焊枪机构供应冷却液的水冷装置，为所述焊枪机构供应保护气体的保护气供气装置；所述焊枪机构包括用于等离子弧发生部件散热的水冷换热部件，以及用于为多个所述等离子弧发生部件提供保护气的保护气流道，所述保护气流道的进气口连接所述保护气供气装置，所述水冷换热部件连接所述水冷装置。

作为优选，所述水冷换热部件包括设于所述下枪体内的冷却液腔室，所述冷却液腔室上部开设有进液口和出液口，所述进液口和出液口分别通过冷却液出水管和冷却液回水管连接所述水冷装置。

作为优选，所述下枪体的多个所述离子气流道均贯穿所述冷却液腔室，且所述离子气流道与所述冷却液腔室的外壁密封连接，所述送料导嘴贯穿所述冷却液腔室，且所述送料导嘴与所述冷却液腔室的外壁密封连接，所述送料导嘴的出料口和所述导电喷嘴的喷射口均设于所述冷却液腔室外。

作为优选，所述焊枪机构包括保护气喷嘴，所述冷却液腔室固定安装于所述保护气喷嘴中央，所述保护气喷嘴底部开设有可出射保护气和等离子弧的下端口，所述保护气喷嘴内壁与所述冷却液腔室外壁间构成所述保护气流道，所述保护气喷嘴的进气口设于其上部，所述保护气供气装置通过保护气流管道连接所述进气口。

作为优选，所述下枪体的多个所述导电喷嘴的喷射口组合构成主弧喷射部，所述主弧喷射部位于所述保护气喷嘴的下端口中央。

作为优选，所述导电喷嘴的喷射口中轴线与所述送料导嘴出料口中轴线间的夹角α为0°<α≤60°。

作为优选，所述电源机构包括多通道电源，所述多通道电源包括与多个所述阴极棒一一对应设置的多个输出通路，所述阴极棒和所述导电喷嘴通过电缆线连接与其对应的输出通路。

作为优选，所述离子气流道设有离子气入口，所述离子气入口通过气流管道连接所述离子气供气装置，连接所述离子气供气装置和所述离子气流道的每条所述离子气流道均设有气体流量计，所述阴极棒设为钨极。

本发明还公开了一种多源同轴等离子弧熔覆工艺，采用所述的多源同轴等离子弧熔覆设备，包括以下步骤：

设备连接：所述电源机构通过电缆线连接所述焊枪机构和待处理工件，所述送料机构通过送料管道连接所述送料导嘴，离子气供气装置通过气流管道连接所述离子气流道；

增材熔覆：所述焊枪机构移至待处理工件上方预设位置，开启电源机构和离子气供气装置，多个所述导电喷嘴的喷射口发射出的等离子弧从不同方向向一点汇聚以形成一个主弧；开启送料机构，使填充料自所述送料导嘴出料口送出，填充料被高温的主弧熔化，进入熔池，填充料凝固后在待处理工件上形成焊缝，即完成增材熔覆。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：提供了多源同轴等离子弧熔覆工艺及设备。该设备与现有等离子弧熔覆设备相比功率分布更平缓，焊缝熔深浅、熔宽大，更适于表面熔覆和增材制造，该设备既能提高焊缝质量，又能提高加工效率。

附图说明

图1为本实施例的焊枪机构的结构示意图；

图2为本实施例的多源同轴等离子弧熔覆设备的结构示意图；

图3为本实施例的多源同轴等离子弧熔覆设备的电源连接示意图；

以上个图中：1-电源机构，11-多通道电源，12-电源插头，2-焊枪机构，21-离子气流道，211-离子气入口，22-导电喷嘴，23-阴极棒，24-送料导嘴，25-保护气流道，251-进气口，26-冷却液腔室，261-进液口，262-出液口，27-保护气喷嘴，271-下端口，3-送料机构，31-送料管道，4-离子气供气装置，41-离子气流道，5-电缆线，51-阳极电缆线，52-阴极电缆线，6-待处理工件，7-填充料，8-熔池，9-水冷装置，91-冷却液出水管，92-冷却液回水管，10-保护气供气装置，101-保护气流管道。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至3所示，一种多源同轴等离子弧熔覆设备，包括焊枪机构2，为所述焊枪机构2输送填充料的送料机构3，为所述焊枪机构2供电的电源机构1，以及为所述焊枪机构2提供离子气的离子气供气装置4；所述焊枪机构2包括等离子弧发生部件，所述等离子弧发生部件包括阴极棒23和作为阳极的下枪体，所述电源机构1的引弧电路的正极和负极分别电连接所述下枪体和所述阴极棒23，所述下枪体包括连接所述离子气供气装置4的离子气流道21，以及安装于离子气流道21下端口的导电喷嘴22，所述阴极棒23插设于所述离子气流道21内，所述焊枪机构2包括连接所述送料机构3的送料导嘴24，以及多个阴极棒23；所述下枪体包括与所述阴极棒23一一对应设置的离子气流道21和导电喷嘴22，多个所述导电喷嘴22的喷射口中轴线交汇于一点作为交汇点，所述交汇点位于所述送料导嘴24出料口中轴线上，且位于所述送料导嘴24出料口下方。

一种多源同轴等离子弧熔覆工艺，采用所述的多源同轴等离子弧熔覆设备，所述多源同轴等离子弧熔覆工艺包括以下步骤：

设备连接：所述电源机构1通过电缆线5连接所述焊枪机构2和待处理工件6，所述送料机构3通过送料管道31连接所述送料导嘴24，离子气供气装置4通过离子气流道41连接所述离子气流道21；

增材熔覆：所述焊枪机构2移至待处理工件6上方预设位置，开启电源机构1和离子气供气装置4，多个所述导电喷嘴22的喷射口发射出的等离子弧从不同方向向一点汇聚以形成一个主弧；开启送料机构3，使填充料7自所述送料导嘴24出料口送出，填充料7被高温的主弧熔化，进入熔池8，填充料凝固后在待处理工件6上形成焊缝，即完成增材熔覆。

上述工艺方法中，本实施例的多源同轴等离子弧熔覆设备的功能原理如下：电源机构1通过电缆线5与焊枪机构2相连，待处理工件6与电源机构1通过电缆线5相连。工作时，启动电源机构1，在阴极棒23和导电喷嘴22间产生电弧，经离子气吹出，形成引导弧。将焊枪机构2移向待处理工件6，当导电喷嘴21与待处理工件6表面的距离足够小时(通常为2-10mm)，等离子弧发生转移，在待处理工件6与焊枪机构2间产生等离子弧，熔化工件，形成熔池8；同时，送料机构3将填充料7送入焊枪机构2，并经焊枪机构2上的送料导嘴24送出，被高温等离子弧熔化，进入熔池8，凝固后在待处理工件6上形成焊缝。

本实施例的多源同轴等离子弧熔覆设备和熔覆工艺，采用等离子弧发生部件发射的多路等离子弧从不同方向向一点汇聚，从而形成一个主弧，填充料7(如金属丝材或粉末)从多路等离子弧的中央向送进主弧，熔化后进入熔池。与传统单弧技术相比，本实施例采用多弧汇聚的方式，在相同的熔覆所需功率时，每个导电喷嘴22发射的电弧的功率可以大大降低，能够有效降低设备成本；多个电弧汇聚而成的主弧与单电弧相比，功率密度分布更加分散，熔池8更浅，更适合于增材制造或表面熔覆。同时，与传统旁轴送丝方式(填充料7为金属丝材)相比，本实施例的丝材从等离子弧中央送进，消除了旁轴送丝方位对堆积过程和质量的不利影响；同理，与传统从周边向等离子弧送粉的方式(填充料7为金属粉末)相比，本实施例的粉末直接送入等离子弧中央，粉末可以熔化更充分。综上，本实施例的多源同轴等离子弧熔覆设备和熔覆工艺与现有等离子弧熔覆设备相比功率分布更平缓，焊缝熔深浅、熔宽大，更适于表面熔覆和增材制造，该设备既能提高焊缝质量，又能提高加工效率。

具体的，所述下枪体为导电金属制成。

具体的，所述电缆线5包括阳极电缆线51和阴极电缆线52，所述待处理工件6通过阳极电缆线51连接所述电源机构1阳极，所述下枪体通过阳极电缆线51连接所述电源机构1的引弧电路的阳极，所述阴极棒23通过阴极电缆线52连接所述电源机构1阴极，所述阴极棒23设为钨极，即所述等离子弧发生部件为发射转移型等离子弧的等离子弧发生部件。

等离子弧的类型按电源的供电方式分为非转移型、转移型及联合型三种形式，其中非转移型等离子弧的电弧建立在钨极与导电喷嘴22之间，离子气强迫等离子弧从导电喷嘴22上的小孔喷出。转移型等离子弧的电弧建立在钨极与待处理工件6之间。联合型是以上两种电弧类型同时存在。本实施例的等离子弧属于转移型等离子弧。在非转移型等离子弧电路接线方式中，钨极接电源负极，导电喷嘴22接正极，工作状态下，电弧产生在二者之间；在转移型等离子弧电路接线方式中，通常钨极接电源机构1负极，待处理工件6通过电缆线5接电源机构1正极，当焊接特殊材料时，也可以将电路反接或采用交流模式，但等离子弧始终产生在钨极和待处理工件6之间。

具体的，所述电源机构1包括多通道电源11，所述多通道电源11包括与多个所述阴极棒23一一对应设置的多个输出通路，所述阴极棒23和导电喷嘴22通过电缆线5连接与其对应的输出通路。所述多通道电源11由多个组合在一起的并联电源模块组成，通过电缆线5与焊枪机构2相连，待处理工件6与多通道电源11通过电缆线5相连。

具体的，所述多通道电源11的每个输出通路的正极分别通过阳极电缆线51(引弧电路阳极电缆)与与之对应的导电喷嘴22连接，所述括多通道电源11的每个输出通路的负极分别通过阴极电缆线52与与之对应的钨极连接。

本实施例的单个等离子弧发生部件产生转移型等离子弧的原理与现有设备没有本质变化，其与现有设备不同之处在于，为了实现多通道同时输出，本实施例采用将多个电源模块优化组合在一起构成的多通道电源11，多通道电源11具有多个相同的电源通路(电源模块)，通过分路器可实现各通道输出电压、电流均等，从而实现各导电喷嘴22发射功率均等的等离子弧。

具体的，所述多通道电源11通过电源插头12连接市电。

具体的，所述离子气流道21设有离子气入口211，所述离子气入口211通过离子气流道41连接所述离子气供气装置4，连接所述离子气供气装置4和所述离子气流道21的每条所述离子气流道41均设有气体流量计。连接所述离子气供气装置4和所述离子气流道21的每条所述离子气流道41均设有流量计，以监测控制保证各通道离子气流量均等。

具体的，所述离子气供气装置4包括离子气供气瓶，气流分流器，以及连接所述离子气供气瓶和气流分流器的离子气总管，所述气流分流器连接所述气流总管和多个所述气流管道41。所述离子气供气瓶内的气体可为高纯度氩气。

具体的，焊枪机构2安装在运动机构(如机器人或机床)上。通过运动机构带动焊枪机构2移动，在不同的运动路径上实现焊接、表面熔覆或者增材制造。

具体的，所述多源同轴等离子弧熔覆设备还包括为所述焊枪机构2供应冷却液的水冷装置9，为所述焊枪机构2供应保护气体的保护气供气装置10；所述焊枪机构2包括用于等离子弧发生部件散热的水冷换热部件，以及用于为多个所述等离子弧发生部件提供保护气的保护气流道25，所述保护气流道25的进气口251通过保护气流管道101连接所述保护气供气装置10，所述水冷换热部件连接所述水冷装置9。

具体的，所述保护气供气装置10包括保护气供气瓶，以及连接所述保护气供气瓶和保护气流道25的保护气总管。所述保护气供气瓶内的保护气可为氩气。

具体的，所述水冷换热部件包括设于所述下枪体内的冷却液腔室26，所述冷却液腔室26上部开设有进液口261和出液口262，所述进液口261和出液口262分别通过冷却液出水管91和冷却液回水管92连接所述水冷装置9。

具体的，所述水冷装置9设为带有输液泵的水冷机，所述进液口261和出液口262均设为多个。

具体的，所述下枪体的多个所述离子气流道21均贯穿所述冷却液腔室26，且所述离子气流道21与所述冷却液腔室26的外壁密封连接，所述送料导嘴24贯穿所述冷却液腔室26，且所述送料导嘴24与所述冷却液腔室26的外壁密封连接，所述送料导嘴24的出料口和所述导电喷嘴22的喷射口均设于所述冷却液腔室26外。冷却水从水冷装置9泵出，经过冷却水出水管91进入冷却液腔室26，对等离子弧发生部件进行冷却，流经冷却液腔室26的冷却水通过冷却液回水管92回流入冷却设备9。

具体的，所述焊枪机构2包括保护气喷嘴27，所述冷却液腔室26固定安装于所述保护气喷嘴27中央，所述保护气喷嘴27底部开设有可出射保护气和等离子弧的下端口271，所述保护气喷嘴27内壁与所述冷却液腔室26外壁间构成所述保护气流道25，所述保护气喷嘴27的进气口251设于其上部，所述保护气供气装置10通过保护气流管道101连接所述进气口251。

具体的，所述下枪体的多个所述导电喷嘴22的喷射口组合构成主弧喷射部，所述主弧喷射部位于所述保护气喷嘴的下端口中央。

多个所述等离子弧发生部件的的导电喷嘴22的喷射口组合构成主弧喷射部，所述主弧喷射部位于所述保护气喷嘴27的下端口271中央。

具体的，所述导电喷嘴22的喷射口中轴线(即阴极棒23的中轴线)与所述送料导嘴24出料口中轴线间的夹角α为0°<α≤60°。导电喷嘴22的喷射口与送料导嘴24出料口中轴线间夹角采用上述范围，可确保各导电喷嘴22发射的等离子弧在送料导嘴24出料口中轴线上一点叠加形成稳定的主弧，确保熔覆效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。