CN104923785A - 一种镁合金管状结构件电弧3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，包括焊接基座、构件基板、冷却系统、联动丝杠、驱动装置和焊枪，所述构件基板设置在焊接基座上，所述冷却系统设置在焊接基座的下方，所述构件基板和联动丝杠固定连接，并且所述构件基板随着联动丝杠上下移动，所述驱动装置驱动联动丝杠，所述联动丝杠与焊接过程协同运动，所述焊枪在构件基板上方堆焊形成镁合金管状结构件。本发明还公开了一种镁合金管状结构件电弧3D打印方法，包括以下步骤：（1）第一层环状组织构建；（2）第二层环状组织构建，同时冷却系统启动；（3）重复步骤（2），直至形成所需的结构件。本发明提高了产品成型效率，降低了产品制作成本，节约了开发时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置及打印方法，属于镁合金电弧3D打印增材制造工艺领域。
背景技术
电弧3D打印属于增材制造技术范畴，是基于离散-堆积制造原理，增材制造技术发展至今已有多种实现方法，许多成功实现商业化的增材制造技术所使用的成形材料为非金属，其在工业领域的应用有限，而金属增材制造技术则在工业领域中更为重要，特别是钛合金、铝合金、镁合金等。常用的直接成形金属零件的热源主要有激光、电子束、电弧等。
电弧3D打印也是通过三维设计软件建立零件的实体模型，以电弧作为成形热源将金属丝材熔化，按设定的成形路径堆积每一层片，采用逐层堆积的方式成形所需的三维实体零件。以电弧为热源的直接成形技术具有生产成本低，力学性能好的优点。电弧3D打印成形的零件由全焊缝金属组成，化学成分均匀、致密度高，与整体铸造件和锻造件相比具有强度高、韧性好等优点。在多重堆积过程中，零件经历多次加热过程，得以充分淬透和回火，可以消除大型铸锻件的不易淬透、宏观偏析、长度和直径方向上强韧性不一致等问题。
目前，国内外很多科研机构都对电弧3D打印增材制造技术进行了相关研究。采用的焊接热源主要包括传统熔化极气体保护焊(GMAW)、钨极氩弧焊(TIG)、等离子弧焊(PAW)、激光和电子束等。利用高能量密度的热源为加工手段直接制造金属零件的增材制造技术已广泛应用于航空、航天和国防科技中。如美国 Sandia 国家实验室在能源部支持下研制开发的金属零件激光工程化近净成形技术(Laser Engineering Net Shaping，LENS)，该技术是将激光束聚焦于金属粉末形成熔池，激光束按运动轨迹要求使粉末逐层堆积，最终形成复杂零部件。Sandia 实验室对多种材料的 LENS 成形工艺进行了研究，如不锈钢、镍基合金、工具钢、钛合金、镍铝金属件化合物等，结果表明成形件的强度和塑性相比锻造件都有所提高。随着增材制造技术在国外制造业、国防科技、航空航天等领域带来的巨大效益，国内一些科研院所和高校也开展了增材制造技术的研究。1995 年，西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东率先提出了激光立体成形技术，系统开展了激光直接成形金属零件的技术研究，以航空飞机和发动机所需的钛合金和高温合金为研究对象进行了激光增材制造技术研究。该技术的研究对于解决我国航空关键零部件加工困难、材料利用率低和制造成本高等难题奠定了良好的基础。
镁合金由于化学性质活泼，在铸造方面需要全方位的气体保护，且设备昂贵，制备加工周期较长，电弧3D打印镁合金结构件很好的解决了现存的问题。由于镁合金焊丝在熔化过程中可以实现实时氩气保护，且可按照既定的方式完成堆积。利用本发明的装置，在堆积过程中，可随时调整成型件温度，控制其微观组织。目前有关镁合金电弧3D打印的研究未见报道。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置及打印方法，结合已提供的焊接机器人系统，采用电弧3D打印技术，进行镁合金管状结构件的增材制造。在增材过程中，焊接机器人的焊枪在水平面做有规律的圆周运动，而成型的镁合金管件做下移运动，以实现管件的不断堆积成型。同时，在增材过程中，通过本发明的冷却系统，可调节镁合金管件的温度，以实现调控微观组织的目的。通过该发明装置制备的镁合金管件，其组织致密，力学性能优异。
本发明的技术方案为：一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，包括焊接基座、构件基板、冷却系统、联动丝杠、驱动装置和焊枪，所述构件基板设置在焊接基座上，所述冷却系统设置在焊接基座的下方，所述构件基板和联动丝杠固定连接，并且所述构件基板随着联动丝杠上下移动，所述驱动装置驱动联动丝杠，所述联动丝杠与焊接过程协同运动，所述焊枪在构件基板上方堆焊形成镁合金管状结构件。
前述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述构件基板的材质为铜。
前述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述镁合金管状结构件的截面为圆环状。
前述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述镁合金管状结构件由若干层镁合金焊丝堆焊形成。
前述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述驱动装置为调速电机。
一种镁合金管状结构件电弧3D打印方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）设定焊接机器人焊接程序，进行环形焊接，由焊接机器人的焊枪在铜质构建基板上做有规律的圆周运动，进行镁合金第一层环状组织构建；
（2）当焊枪完成第一层构建后，焊枪回到第一层的起始点，调速电机驱动联动丝杠下移一个层高，焊枪再进行第二层构建，同时，焊接基座下方冷却系统启动，开始对已经构建好的材料进行冷却；
（3）重复步骤（2），直至形成所需的镁合金管状结构件，焊枪收弧，冷却系统关闭。
前述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印方法，其特征是，所述焊枪的焊接电流为200~350A，送丝速度为4~6mm/s，焊丝为直径2~3mm的同质焊丝。
本发明所达到的有益效果：
（1）焊接机器人所持焊枪再一个固定的平面做有规律的圆周运动，所打印的镁合金管件不断下移，减少了零件高度对焊枪位置的限制；
（2）在打印过程中，可实时调节成型零件的微观组织，利用本发明装置中的冷却系统，该冷却系统在基座下方，随着零件打印的进行，可不断调整冷却温度，从而达到调控微观组织的目的；
（3）本发明打印成型的镁合金管件和铸造管件相比，晶粒细小，且加工容易，成型过程中不需要大面积氩气保护或者苛刻的真空环境；
（4）本发明装置简单，可快速有效地进行镁合金管状结构件的增材制备，同时，能够获得力学性能较好的零件，提高了产品成型效率，降低了产品制作成本，节约了开发时间成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，包括焊接基座、铜质构件基板、冷却系统、联动丝杠、调速电机和焊枪，所述构件基板设置在焊接基座上，所述冷却系统设置在焊接基座的下方，所述构件基板和联动丝杠固定连接，并且所述构件基板随着联动丝杠上下移动，所述调速电机驱动联动丝杠，所述联动丝杠与焊接过程协同运动，所述焊枪在构件基板上方堆焊形成镁合金管状结构件，所述镁合金管状结构件的截面为圆环状。
一种镁合金管状结构件电弧3D打印方法，包括以下步骤：
（1）设定焊接机器人焊接程序，进行环形焊接，由焊接机器人的焊枪在铜质构建基板上做有规律的圆周运动，进行镁合金第一层环状组织构建，所述焊枪的焊接电流为200~350A，送丝速度为4~6mm/s，焊丝为直径2~3mm的同质焊丝。
（2）当焊枪完成第一层构建后，焊枪回到第一层的起始点，调速电机驱动联动丝杠下移一个层高，焊枪再进行第二层构建，减少了零件高度对焊枪位置的限制；同时，焊接基座下方冷却系统启动，开始对已经构建好的材料进行冷却，随着零件打印的进行，可不断调整冷却温度，从而达到调控微观组织的目的。
（3）重复步骤（2），直至形成所需的镁合金管状结构件，焊枪收弧，冷却系统关闭。
本发明打印成型的镁合金管件和铸造管件相比，晶粒细小，且加工容易，成型过程中不需要大面积氩气保护或者苛刻的真空环境。本发明装置简单，可快速有效地进行镁合金管状结构件的增材制备，同时，能够获得力学性能较好的零件，提高了产品成型效率，降低了产品制作成本，节约了开发时间成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1. 一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，包括焊接基座、构件基板、冷却系统、联动丝杠、驱动装置和焊枪，所述构件基板设置在焊接基座上，所述冷却系统设置在焊接基座的下方，所述构件基板和联动丝杠固定连接，并且所述构件基板随着联动丝杠上下移动，所述驱动装置驱动联动丝杠，所述联动丝杠与焊接过程协同运动，所述焊枪在构件基板上方堆焊形成镁合金管状结构件。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述构件基板的材质为铜。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述镁合金管状结构件的截面为圆环状。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述镁合金管状结构件由若干层镁合金焊丝堆焊形成。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印装置，其特征是，所述驱动装置为调速电机。
6.一种镁合金管状结构件电弧3D打印方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）设定焊接机器人焊接程序，进行环形焊接，由焊接机器人的焊枪在铜质构建基板上做有规律的圆周运动，进行镁合金第一层环状组织构建；
（2）当焊枪完成第一层构建后，焊枪回到第一层的起始点，调速电机驱动联动丝杠下移一个层高，焊枪再进行第二层构建，同时，焊接基座下方冷却系统启动，开始对已经构建好的材料进行冷却；
（3）重复步骤（2），直至形成所需的镁合金管状结构件，焊枪收弧，冷却系统关闭。
7.根据权利要求6所述的一种镁合金管状结构件电弧3D打印方法，其特征是，所述焊枪的焊接电流为200~350A，送丝速度为4~6mm/s，焊丝为直径2~3mm的同质焊丝。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20190513 Address after: 211100 No. 681 General Road, Jiangning Economic and Technological Development Zone, Nanjing, Jiangsu Province Patentee after: Nanjing Ying Nigema industrial automation technology Co., Ltd Address before: 211167 1 Hong Kong Avenue, Jiangning Science Park, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Nanjing Institute of Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Electric arc 3D printing method for magnesium alloy tubular structural components Effective date of registration: 20191220 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd Nanjing City South Branch Pledgor: Nanjing Ying Nigema industrial automation technology Co., Ltd Registration number: Y2019320000385 |
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Date of cancellation: 20210310 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing City South Branch Pledgor: NANJING YINGNIGEMA INDUSTRIAL AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2019320000385 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: An arc 3D printing method for magnesium alloy tubular structure Effective date of registration: 20210325 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing City South Branch Pledgor: NANJING YINGNIGEMA INDUSTRIAL AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980002108 |
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Date of cancellation: 20211229 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing City South Branch Pledgor: NANJING YINGNIGEMA INDUSTRIAL AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980002108 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: An arc 3D printing method for magnesium alloy tubular structural parts Effective date of registration: 20211230 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing City South Branch Pledgor: NANJING YINGNIGEMA INDUSTRIAL AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980017188 |
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