一种基于周向多瓣钨极交替通电的等离子弧增材制造方法

本发明属于电弧增材制造、等离子弧焊接和铝合金成形，具体涉及一种基于周向多瓣钨极交替通电的等离子弧增材制造方法。

背景技术：

1、铝合金因具有密度低、比强度高和耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车制造和大型复杂结构件制造领域，丝弧增材制造具有沉积效率高、设备成本较低、可制造尺寸大和路径适应性强等优点，是铝合金大型构件快速制造的重要技术路线。

2、变极性等离子弧兼具能量密度高、穿透能力强以及正极性阶段可清除铝合金表面氧化膜等优点，适用于铝合金焊接及增材制造。然而，传统变极性等离子弧受到喷嘴压缩作用后，电弧形态较为集中，阴极斑点通常局限于熔池中心或小孔附近，导致氧化膜清理区域较小，难以对熔池周围表面实施有效、均匀的清理。同时，传统焊枪在正极性阶段容易造成钨极烧损，使电弧热输入和压力输出发生波动，进而影响熔池稳定性及成形质量。

3、在喷嘴正下方设置整体环状钨极进行周向清理，虽然能够将清理范围扩展至熔池周边，但由于环状电极通常沿全周同时导电，清理电流容易在周向分散，从而引起阴极斑点随机跳跃、局部偏弧以及电极局部过热等问题，因此，该结构难以根据熔池前缘、熔池侧缘、送丝进入区及层间搭接区氧化膜分布的差异，实现有针对性的定向清理，此外，若环状电极与喷嘴导电本体之间的绝缘关系不明确，喷嘴可能参与清理电流的传导，导致清理弧的起弧位置及电流路径不稳定，由于阴极斑点尺寸较小且具有随机特性，其清理作用往往集中于离散的局部区域，难以形成连续、均匀且全面的清理效果，容易出现局部清理不足或遗漏。

4、因此，有必要提供一种适用于铝合金变极性等离子弧增材制造的分区清理方法，以降低主热输入与氧化膜清理之间的耦合，提高清理电流作用区域的可控性，并改善增材制造过程中的电弧稳定性和气孔抑制效果。

技术实现思路

1、（1）要解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于周向多瓣钨极交替通电的等离子弧增材制造方法，旨在解决现有整体环状结构导电范围过大、清理区域不可控、喷嘴与环状电极之间绝缘不明确、中心钨极正极性热负荷大、焊丝预热与清理电流相互干扰的问题。

3、（2）技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种基于周向多瓣钨极交替通电的等离子弧增材制造方法，该方法采用中心钨极、喷嘴、母材、焊丝、送丝轮、控制器、维弧直流电源、主电源、ep清理支路和主热输入回路、丝材分流预热回路以及围绕所述喷嘴周向间隔布置的多瓣式辅助钨极组件实现，所述多瓣式辅助钨极组件包括至少两个彼此电绝缘设置的钨极瓣，各所述钨极瓣分别接入可独立切换的ep清理支路；该方法具体包括以下步骤：

5、首先，将中心钨极接维弧直流电源的负极，喷嘴接维弧直流电源的正极，通过高频高压引弧击穿中心钨极与喷嘴之间的气体间隙，形成中心钨极—喷嘴之间的非转移维弧；

6、待维弧稳定后，接通主电源，利用维弧产生的等离子射流引导中心钨极与母材之间建立主等离子弧，使主等离子弧由中心钨极转移至母材表面；

7、待主等离子弧稳定后，控制器使en阶段与ep阶段分时进行；

8、在en阶段，中心钨极与工件之间形成拘束等离子弧，ep清理支路均断开，钨极瓣均不导电；

9、在ep阶段，控制器根据预设顺序从多个ep清理支路中选择一个导通，被选择的钨极瓣相对于工件为正，工件表面和熔池表面为阴极，二者之间形成局部正极性清理弧，阴极斑点集中作用于对应目标区域的氧化膜。

10、优选地，所述多瓣式辅助钨极组件优选为三瓣式钨极结构，包括三个钨极瓣，三个钨极瓣分别为第一侧缘钨极瓣、前缘钨极瓣和第二侧缘钨极瓣，所述第一侧缘钨极瓣、前缘钨极瓣和第二侧缘钨极瓣沿周向间隔布置并围合形成非连续结构。

11、进一步的，所述三瓣式钨极结构用于将清理区域划分为熔池前缘区域和熔池两侧边界区域，所述前缘钨极瓣对应增材运动方向前方的熔池前缘区域，所述第一侧缘钨极瓣和所述第二侧缘钨极瓣分别对应熔池两侧边界区域，以在不同清理阶段对熔池前缘及两侧缘进行定向、定点清理。

12、进一步的，相邻所述两个钨极瓣之间均设置有瓣间陶瓷绝缘件，各所述钨极瓣与所述喷嘴之间设置有喷嘴侧陶瓷绝缘件。

13、进一步的，三个所述钨极瓣分别通过独立导线连接至对应的ep清理支路，并由对应支路开关控制导通或断开；各ep清理支路的输入端连接同一ep半波输出端，各ep清理支路的输出端分别连接对应钨极瓣；所述ep清理支路和主弧回路中均设置有二极管，以在非工作极性阶段对对应回路形成反向截止。

14、进一步的，起弧前，使主热输入回路处于可导通状态，并使各ep清理支路处于断开状态。

15、进一步的，在en阶段，所述中心钨极为负极，所述母材为正极，en阶段用于形成熔池、熔化焊丝并提供主热输入；此时各ep清理支路断开，丝材分流预热回路导通以对焊丝进行预热。

16、进一步的，在ep阶段，所述控制器仅选通一个目标钨极瓣，使所述目标钨极瓣为正极、所述母材为负极，其余钨极瓣对应的ep清理支路断开，丝材分流预热回路截止。

17、进一步的，连续多个ep阶段中，所述目标钨极瓣按照前缘钨极瓣、第一侧缘钨极瓣、前缘钨极瓣、第二侧缘钨极瓣的顺序交替导通，以形成默认清理顺序，实现对熔池前缘、第一侧缘和第二侧缘的受控分区扫描。

18、进一步的，还包括与控制器相连接的智能检测设备，所述智能检测设备包括熔池视觉采集装置、旁轴高速相机，用于检测熔池前缘、熔池两侧缘、送丝进入区、层间搭接区的氧化膜残留、阴极斑点分布、气泡滞留状态或温度异常以及弧压弧流波动信息；

19、所述控制器根据熔池前缘、熔池侧缘、送丝进入区或层间搭接区的氧化膜残留状态、阴极斑点分布、气泡滞留状态或温度异常以及弧压弧流波动信息确定清理需求评价值，并根据所述清理需求评价值调整ep清理支路的导通顺序；当任一目标区域的清理需求评价值高于设定阈值时，控制器进入优先清理模式，所述控制器断开非目标钨极瓣对应的ep清理支路，仅闭合对应目标区域的ep清理支路；

20、当检测到主弧熄灭、电流中断、偏弧、送丝短路或钨极瓣异常时，所述控制器停止送丝并断开全部ep清理支路。

21、有益效果

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、本发明在相邻钨极瓣之间设置瓣间陶瓷绝缘件，并在钨极瓣与喷嘴之间设置喷嘴侧陶瓷绝缘件，明确排除了喷嘴作为钨极瓣导电路径的可能性，有利于稳定清理电流路径并区别于喷嘴参与导电的现有结构。

24、本发明采用同一ep清理电源配合三路独立ep清理支路交替通电，既避免了每段独立电源可能造成的同步困难和电源间干扰，又能够实现前缘、第一侧缘和第二侧缘的定向、定点清理。

25、本发明在en阶段由中心钨极形成主等离子弧承担主热输入，在ep阶段由目标钨极瓣形成局部正极性清理弧承担定向清理作用，实现热输入和阴极清理作用的时间及空间解耦，降低中心钨极正极性热负荷。

26、本发明采用维弧先行、主弧稳定后再接入ep清理支路的起弧过程，使起弧高压阶段三瓣式钨极处于隔离状态，减少起弧高压经ep清理支路或维弧回路反灌的风险，提高长时间增材制造过程中的电源安全性和起弧可靠性。

27、本发明可结合智能检测设备对熔池前缘、两侧缘及送丝进入区的氧化膜残留、气泡滞留和电弧状态进行监测，并根据检测结果调整各钨极瓣的导通顺序，从而提高局部清理准确性和工艺适应性。