CN105252119B - 基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法 - Google Patents

基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105252119B
CN105252119B CN201510795835.5A CN201510795835A CN105252119B CN 105252119 B CN105252119 B CN 105252119B CN 201510795835 A CN201510795835 A CN 201510795835A CN 105252119 B CN105252119 B CN 105252119B
Authority
CN
China
Prior art keywords
welding
metal
printing
digital control
control processing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510795835.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105252119A (zh
Inventor
杨建森
邢奎
王永信
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan Kangming Intelligent Equipment Technology Co Ltd
Original Assignee
Shaanxi Hengtong Intelligent Machine Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shaanxi Hengtong Intelligent Machine Co Ltd filed Critical Shaanxi Hengtong Intelligent Machine Co Ltd
Priority to CN201510795835.5A priority Critical patent/CN105252119B/zh
Publication of CN105252119A publication Critical patent/CN105252119A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105252119B publication Critical patent/CN105252119B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/173—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/32—Accessories

Abstract

本发明公开了一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，以熔化焊焊机作为焊接热源、3D打印设备作为运动装置、数控机床对成形表面进行加工，采用Z字扫描、每层旋转一定角度的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷；采用一脉一滴的熔滴过渡方式进行堆焊，对每堆积完一层的熔敷金属便即刻由数控机床对其表面进行机加工，所得样件的焊接工艺性能优异，熔敷金属强度能够满足工业上的使用要求。

Description

基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印设备和材料加工技术领域，涉及一种基于熔化极气体保护焊和数控加工相结合的金属焊接3D打印方法，用于制造金属零件。
背景技术
3D打印技术是RPM的主要实现形式，通过堆积将材料有规律地、精确地叠加起来，形成三维实体。其最大的优点是能够简化制造程序，增加产品成型速度，缩短新产品的研制周期，降低开发成本及风险。制造金属零件是3D打印技术中最前沿和最有发展潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。目前，3D打印能够制造金属零件的工艺主要有：选域打印成形、熔敷打印成形、熔滴打印成形和焊接打印成形。其中，选域打印成形和熔敷打印成形需要用激光和电子束等高能束热源提供能量，设备昂贵、生产效率低，制造的零件在强度和精度上都很难达到理想效果，大大制约了在工业上的发展应用；熔滴打印成形工艺，除了设备昂贵之外，打印材料多局限于低熔点金属，这也是制约其规模应用的重要因素。而焊接打印成形工艺是先进CAD技术与现有成熟的焊接技术有机结合的产物，与其他RPM技术相比，其提供了一种相对成本较低的直接快速制造金属零件的技术。
3D焊接打印技术是利用焊接产生的高温使金属丝材熔化，通过液态金属过渡来实现金属材料的连续堆积。由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形状及精度控制变得异常困难；同时，焊接过程也是一个冶金过程，伴随着金属零件的内部组织转变、焊接变形以及焊接残余应力等问题，这都将影响零件的几何尺寸和力学性能。
基于以上原因，目前3D焊接打印制造的金属零件存在尺寸精度、致密度和强度等较差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，解决目前无法通过现有的3D打印技术制造高致密度和高强度的金属零件问题，提高成形零件的尺寸精度。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
1)设计出所需3D焊接打印金属零件的三维实体模型，然后利用CAD模型分层切片算法将三维实体模型分层，从而获得所需3D焊接打印金属零件的金属熔敷路径规划；
2)根据所述金属熔敷路径规划并采用堆焊方式逐层形成熔覆层，堆焊过程中，熔滴采用一脉一滴的过渡方式，并采用Z字往复扫描以及每层旋转一定角度使起弧点错开的扫描方式，焊接工艺参数按照以下原则确定：底层的热输入较大，以后逐渐递减，直到熔覆材料的吸热和放热相平衡，不再改变热输入，在堆积完一层熔敷金属后对焊缝表面进行加工，加工后进行冷却，然后堆焊下一层。
采用直径0.8～1.2mm的实芯焊丝进行堆焊，焊缝层宽和层厚均为1～3mm。
所述焊接工艺参数在以下范围内选取：焊接电流I＝50～90A、焊接电压U＝15～25V、送丝速度V1＝3～7m/min、行走速度V2＝180～360mm/min。
所述冷却的方式为水冷或油冷。
以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面进行加工。
所述3D打印方法还包括以下步骤：在堆焊过程中，对焊接工艺参数以及成型温度以及应力数据进行采集并建立有限元模型，通过有限元模型进行焊接熔敷堆积过程温度场以及应力场方面的数值模拟，从而获得金属零件的焊接过程的变形规律。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明采用3D焊接打印进行金属零件的制造，在零件的成型过程中通过对焊接路径以及线能量的控制，实现层与层之间的冶金结合，消除了熔敷层的内部气孔和微裂纹等缺陷，提高了成型件的致密度，并采取冷却增大熔敷金属的冷却速度，减小变形量，提高金属零件的力学性能；同时，在3D打印每堆积完一层熔敷金属之后，便由数控机床对其成型表面进行机加工，从而提高了零件的表面精度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明利用熔化焊焊机、数控机床、3D打印设备组成复合三工位的快速成形系统。其中，熔化焊焊机作为焊接热源、3D打印设备作为运动装置、数控机床对零件表面进行加工。三者共同搭建快速成型制造技术实验平台，并与的ER50-6实芯焊丝配合使用，进行金属零件的打印制造。
由此，本发明提供了一种基于熔化极气体保护焊和数控机床相结合的金属焊接3D打印技术获得金属零件的方法，该方法包括如下步骤：
1)设计出所需金属零件的三维实体模型，针对焊接快速成型特点编写专用的CAD模型切片算法，采用Z字扫描、每层旋转一定角度(说明：采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径之间相互平行，在边界线内往复扫描进行填充，为了避免起弧和收弧阶段出现弧坑缺陷，在堆焊下一层时，避开上层起弧点一定距离)的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷；
2)采用一脉一滴的过渡方式，实现对熔滴过渡的有效控制，堆焊时，焊丝为的ER50-6实芯焊丝，选择焊缝层宽w＝3mm、层厚h＝3mm；
3)根据焊接成型特点，在打印过程中实时调整焊接电流、电压、送丝速度、行走速度等参数，实现工艺优化配置，建立焊接参数专家数据库；其中，焊接电流I＝50～90A、电压U＝15～25V、送丝速度V1＝3～7m/min、行走速度V2＝180～360mm/min；堆焊时，底层熔敷金属选择的热输入较大，以后逐渐递减，直到材料的吸热和放热达到平衡状态，保持焊接参数不变；并且对每层堆焊完成的熔敷金属进行数控加工处理，确保工件表面精度；加工后下降并淹没入冷却介质(水或油)中，进行冷却。
在焊接熔敷堆积的过程中，对焊接熔敷参数(包括：焊接电流、焊接电压、送丝速度和行走速度)以及成型件温度以及应力数据进行采集并建立有限元模型，通过有限元模型进行焊接熔敷堆积过程温度场、应力场方面的数值模拟，从而获得金属零件的焊接过程的变形规律，为后续实验提供参考；同时，也可采用预热及控制层间温度的方法来消除焊接残余应力，减小变形量。
实施例1
本实施例使用的ER50-6实芯焊丝，焊接单壁厚度3mm、尺寸大小为80mm×80mm×60mm的空心实物，保护气体采用Ar 80％+CO220％的混合气体。每一层一道焊缝，每条焊缝的高度为3mm，相邻焊缝(上下两层)间距为3mm。工作台下降高度为3mm，所得焊接样件表面成形良好，上下相邻焊缝之间的结合效果较好，宏观上没有明显的界限。具体焊接工艺参数如下表所示：
样件底部1-4层的工艺参数
样件中间5-15层的工艺参数
样件最上部16-20层的工艺参数
样件由于尺寸较小，不满足国标要求，未做强度等检测。
实施例2
本实施例使用的ER50-6焊丝，焊接空心样件，尺寸大小为350mm×60mm×45mm。保护气体为混合气体：Ar 80％+CO220％。每一层为5道焊缝，每条焊缝的宽度w＝3mm，高度h＝3mm，相邻焊缝(两个意思：一个指上下相邻；一个指左右相邻)的间距为3mm，工作台下降高度为3mm，所制得的焊接样件表面成形良好，两道焊缝之间的结合效果较好，宏观上没有明显的界限。具体焊接工艺参数如下表所示：
样件底部1-5层的工艺参数
样件中间6-8层的工艺参数
样件最上部9-15层的工艺参数
样件力学性能检测
总之，本发明采用Z字扫描、每层旋转一定角度的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷；采用一脉一滴的熔滴过渡方式进行堆焊，对每堆积完一层的熔敷金属便即刻由数控机床对其表面进行机加工并冷却；从而，不仅提高了零件的表面精度，而且所得样件的焊接工艺性能优异，熔敷金属强度能够满足工业上的使用要求。

Claims (3)

1.一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，其特征在于：该3D打印方法包括以下步骤：
1)设计出所需3D焊接打印金属零件的三维实体模型，然后利用CAD模型分层切片算法将三维实体模型分层，从而获得所需3D焊接打印金属零件的金属熔敷路径规划；
2)以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面进行加工；根据所述金属熔敷路径规划并采用堆焊方式逐层形成熔覆层，采用直径0.8～1.2mm的ER50-6实芯焊丝进行堆焊，堆焊过程中，熔滴采用一脉一滴的过渡方式，并采用Z字往复扫描以及每层旋转一定角度使起弧点错开的扫描方式，焊接工艺参数在以下范围内选取：焊接电流I＝50～90A、焊接电压U＝15～25V、送丝速度V1＝3～7m/min、行走速度V2＝180～360mm/min，焊接工艺参数按照以下原则确定：底层熔敷金属的热输入较大，以后逐渐递减，直到熔覆材料的吸热和放热相平衡，不再改变热输入，保持焊接参数不变，在堆积完一层熔敷金属后对焊缝表面进行加工，加工后进行冷却，然后堆焊下一层，所述冷却的方式为加工后下降并淹没入冷却介质水或油中，进行冷却。
2.根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，其特征在于：焊缝层宽和层厚均为1～3mm。
3.根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，其特征在于：所述3D打印方法还包括以下步骤：在堆焊过程中，对焊接工艺参数以及成型温度以及应力数据进行采集并建立有限元模型，通过有限元模型进行焊接熔敷堆积过程温度场以及应力场方面的数值模拟，从而获得金属零件的焊接过程的变形规律。
CN201510795835.5A 2015-11-18 2015-11-18 基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法 Active CN105252119B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510795835.5A CN105252119B (zh) 2015-11-18 2015-11-18 基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510795835.5A CN105252119B (zh) 2015-11-18 2015-11-18 基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105252119A CN105252119A (zh) 2016-01-20
CN105252119B true CN105252119B (zh) 2018-02-27

Family

ID=55092212

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510795835.5A Active CN105252119B (zh) 2015-11-18 2015-11-18 基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105252119B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6887755B2 (ja) 2016-02-16 2021-06-16 株式会社神戸製鋼所 積層制御装置、積層制御方法及びプログラム
CN105562885B (zh) * 2016-02-19 2017-11-10 江苏拓平密封科技有限公司 基于钴粉填缝及3d打印技术的刷式密封焊接方法
CN105643053A (zh) * 2016-03-04 2016-06-08 贵州师范大学 熔化极气体保护电弧熔敷三维打印方法
CN105921851A (zh) * 2016-06-01 2016-09-07 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种不锈钢零件弧焊增材制造方法
CN106112206B (zh) * 2016-07-22 2019-08-16 天津津航技术物理研究所 一种基于弧焊法的多轴联动式金属3d打印机及打印方法
CN106392270B (zh) * 2016-10-27 2018-11-09 北京航星机器制造有限公司 用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法
CN106425023A (zh) * 2016-12-13 2017-02-22 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种高性能堆焊再制造方法
CN107598333A (zh) * 2017-09-21 2018-01-19 西南交通大学 一种焊枪倾斜的低损伤高效率gmaw增材制造方法
CN109967907A (zh) * 2019-04-17 2019-07-05 湖北三环锻造有限公司 一种智能化模具3d打印增材制造工艺
CN110560837B (zh) * 2019-08-05 2020-10-16 华中科技大学 一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法及产品
CN111044434B (zh) * 2019-12-31 2022-02-15 太原科技大学 一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置及方法
CN112894067B (zh) * 2021-01-29 2022-12-27 重庆邮电大学 圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104148776B (zh) * 2014-08-12 2018-08-24 新疆大学 基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法
CN104289797A (zh) * 2014-08-20 2015-01-21 青岛尤尼科技有限公司 一种mig快速成形的系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN105252119A (zh) 2016-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105252119B (zh) 基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法
Wang et al. Research on the fabricating quality optimization of the overhanging surface in SLM process
Singh et al. A review on process planning strategies and challenges of WAAM
US9302338B2 (en) Method for manufacturing metal parts and molds and micro-roller used therefor
CN117644213A (zh) 一种增材制造过程中并行控制零件变形和精度的方法
CN105252145B (zh) 一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备
WO2019000523A1 (zh) 一种电弧熔积与激光冲击锻打复合快速成形零件的方法及其装置
CN103008895B (zh) 一种面向厚板的窄间隙多道激光焊接方法
CN105039971B (zh) 模具再制造激光3d打印机及方法
CN105945281A (zh) 零件与模具的熔积成形加工制造方法
CN106216862A (zh) 一种基于电弧增材和高能束流减材的复合制造方法及装置
CN105755464B (zh) 双层梯度激光增材制造方法
CN103160825A (zh) 利用同步双光束激光提高金属3d打印致密性的方法
CN105463452A (zh) 一种激光快速成形件的成形方法
CN104353833A (zh) 一种pdc钻头体的3d打印制造方法
CN106425288A (zh) 一种基于温度循环的增减等材一体化融合制造方法
CN104668564A (zh) 一种3d打印设备及用金属丝为原材料的3d打印成形方法
CN109773404A (zh) 一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法
JP2019084553A (ja) 金属積層造形方法
CN105312570B (zh) 一种用于零件或模具的增量制造方法
CN111037053B (zh) 电弧熔丝增材制造内含随形冷却内流道模具钢构件的方法
CN104647474A (zh) 一种旋转模切设备的模辊及其刀刃的成型方法
CN110315082A (zh) 一种微铸激光冲击织构的金属零件制造系统及方法
CN104289797A (zh) 一种mig快速成形的系统
CN110170652A (zh) 一种可变区域成型的面打印装置及其打印方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20191016

Address after: Group 4, Baihe community, Lichun Town, Pengzhou City, Sichuan Province

Patentee after: Sichuan Kangming Intelligent Equipment Technology Co., Ltd.

Address before: 710054, west five floor, Qujiang campus, Jiao Tong Road, 99, Xi'an, Shaanxi

Patentee before: Shaanxi Hengtong Intelligent Machine Co., Ltd.