CN107008996B - 一种金属冷焊增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属冷焊增材制造的方法,首先在主控计算机上对零件进行3D建模,然后其分层处理得到每个分层的尺寸和形状特点,规划移动路径和选择焊接工艺参数,随之建立其相应的焊缝模型和堆积层的三维模型,得到焊缝和堆积层成形的尺寸;将堆积层成形的尺寸与分层的尺寸对比,然后对堆焊路径、焊接工艺参数进行重新优化和选择;主控计算机将其输入到焊机、送丝机、机械手和变位机中;然后采取高能脉冲精密冷焊技术进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热,确保基体处于常温状态;由断续点焊缝逐点逐线逐层堆积成形为零件,解决其过程中热输入量、热变形、晶粒组织较大和路径规划困难的问题。

Description

一种金属冷焊增材制造的方法
技术领域
本发明涉及零件成形制造领域,尤其是涉及一种金属冷焊增材制造的方法。
背景技术
增材制造技术是基于离散-堆积原理、根据零件三维数字模型、采用材料逐层累加的方法直接制造实体零件的数字化制造技术,又称“3D打印技术”。该方法的优点是:无需传统的刀具即可实现自由成形,降低了生产工序和制造周期,适于低成本小批量产品制造,特别适合结构复杂、原材料附加值高的产品的制造。早期的快速原型制造、三维打印、实体自由制造技术等主要是非金属的原型或模型制造;现在,金属增材制造技术则是各国科学研究的重点和制造业发展的新趋势;各类金属焊接和熔敷技术都可以用于进行金属的增材制造,常用的金属增材制造技术有激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。
现在的金属增材制造技术还存在以下问题:
一、无论是激光增材制造技术还是电弧增材制造技术,都是连续热态堆焊过程;其热源连续输入,使热输入量较大,基体处于过热状态,容易产生较大的热应力和粗大的晶粒组织,导致零件出现热变形和内部缺陷,使增材制造零件的成形精度和各项性能无法保证;这是制约金属增材制造技术发展和应用的重要问题;
二、在连续电弧增材制造过程中,由于热量积累和散热条件的影响,起弧段焊缝的质量和成形与收弧段焊缝明显不同,使焊缝成形和质量控制比较困难;对焊缝连续性的要求也给制造过程中的路径规划造成了困难;
三、对一些易氧化的金属如钛合金在受热时非常容易氧化,在进行热态堆焊增材制造时必需采用充分的气保护措施,提高了生产成本,也降低了灵活性。
因此,需要一种金属冷焊增材制造的方法解决现有金属增材制造技术中由于热输入量大而导致的热变形和热应力较大、晶粒组织粗大的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题提供了一种金属冷焊增材制造的方法,解决了金属增材制造过程中的热输入量、热变形、热应力、晶粒组织较大和路径规划困难的问题。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种金属冷焊增材制造的方法,包括以下步骤:
步骤一:在主控计算机上对零件进行3D建模,对零件进行分层处理,得到每个分层的尺寸和形状特点,然后对焊枪的移动路径进行规划以及选择其焊接工艺参数;
步骤二:对分层通过上述选择的每道焊缝的焊接工艺参数和规划的移动路径建立其相应的焊缝模型;然后基于焊缝的间距和堆焊路径对分层建立堆积层的三维模型,得到焊缝和堆积层成形的尺寸;将堆积层成形的尺寸与步骤一中得到的分层的尺寸进行对比,然后对堆焊路径、焊接工艺参数进行重新优化和选择;主控计算机将重新优化后的每道焊缝的焊接工艺参数输入并设定到高能脉冲精密冷焊机和送丝机中,堆焊路径输入并设定到机械手和变位机中;
步骤三:控制机械手按照设定的堆焊路径操作焊枪移动,变位机调整制造零件的焊接位置,且与机械手配合实现复杂形状和结构零件的堆焊成形;高能脉冲精密冷焊机和送丝机按照设定的焊接工艺参数进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热;高能脉冲熔化一个焊点后立即熄弧冷却,以使整个增材制造过程中基体处于常温状态;然后由断续点焊缝逐点逐线搭接完成一分层的堆焊成形;
步骤四:通过三维激光扫描仪检测获得上述分层的三维尺寸,反映和记录到主控计算机中,主控计算机对其与零件所需的尺寸即3D建模中该分层的尺寸进行对比,从而确定下一个分层的尺寸和形状,然后开始下一个分层的堆焊成形;如此循环往复,重复步骤二至三,直到完成所有分层的堆焊成形,然后将所有分层逐层堆焊成形为零件。
进一步的,所述增材制造过程中电弧和熔池的温度、大小由高速红外摄像仪检测和记录,并将其反映和记录到主控计算机中,主控计算机根据熔池的大小实时控制送丝量、脉冲电流和脉冲时间,实时控制焊接工艺参数和移动路径,以确保每个熔池的成形精度。
进一步的,所述的焊接工艺参数包括脉冲电流、脉冲时间、熄弧时间、焊丝直径、送丝速度和焊接速度。
进一步的,所述高能脉冲的脉冲电弧时间为1-300ms,脉冲间隔时间为1-10s。
进一步的,增材制造过程中所述基体处于常温即基体处于冷态,不需采取特殊的气保护措施。
进一步的,所述的焊接工艺参数中焊丝的直径为0.1mm-3.0mm,送丝的速度为0.1m/min-5.0m/min,焊接的速度为 0.2mm/s-5mm/s。
本发明具有以下有益效果:
1.在金属冷焊增材制造的方法中,增材制造过程的电弧是不连续的,脉冲与脉冲之间没有维弧电流,每个脉冲过程都包含起弧、焊接、熄弧三个过程,每个脉冲电弧时间为1-300ms左右,脉冲间隔时间为1-10s左右;该方法进行多点多层堆积成形时,其热输入量很小,每个焊点对以前的堆焊层的热影响很小,而且每个熔池存在时间短且冷却速度快,使晶粒细小,从而使堆焊成形零件的热变形、热应力和晶粒组织都很小;
2.每个脉冲电弧都能精确控制,从而精确控制每个焊点的成形,近净成形的精度高,可媲美激光和电子束等高能束的熔丝成形技术;
3.增材制造过程中,基体基本保持室温,不存在连续堆焊时热积累现象引起的起弧段与收弧段焊缝成形和质量的不同;
4.该方法中每个脉冲只堆焊一个焊点,即以点焊缝为单元进行路径规划,控制每个独立的点焊缝逐点逐线逐面逐层地堆焊成形而实现了零件的增材制造,零件成形的精度和质量控制便于通过每个熔池的控制来实现;同时,在路径规划时比较自由,可规划出最佳的堆焊路径,从而方便地控制整个焊缝和零件的成形质量,也可方便地通过控制焊接路径而使焊点的应力方向分散,减少零件的内应力和变形;
5.该方法进行增材制造时,由于其热输入量很小使基体处于冷态,不需要特殊的气保护措施,从而降低了成本,且焊枪移动灵活,增加了操作的灵活性,可实现复杂零件的堆焊成形;
6.该方法进行金属零件的增材制造时减小了热输入量,从而减小零件的变形和热应力,提高增材制造零件的成形精度,细化内部晶粒组织,改善零件的性能,降低生产成本。
附图说明
图1是本发明金属冷焊增材制造方法的原理图;
图2是本发明金属冷焊增材制造方法过程中实现堆焊成形的工作原理图;
图3是本发明堆焊成形的零件—钛金属圆环的主视图;
图4是本发明堆焊成形的零件—双螺旋钛金属柱体的主视图;
图5是本发明堆焊成形的零件—钛金属微型塔的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明:
如图1-5所示:该方法使用一种特殊的脉冲钨极氩弧焊即P-TIG焊,采用高能脉冲精密冷焊机,增材制造过程的电弧是不连续的,短时高能脉冲电弧迅速将基体和焊丝熔化,形成点焊缝;脉冲与脉冲之间没有维弧电流,即进入熄弧冷却阶段;每个脉冲过程都包含起弧、焊接、熄弧三个过程,每个脉冲电弧时间为1-300ms左右,脉冲间隔时间为1-10s左右;其脉冲间隔时间远大于脉冲焊接时间,也就是冷却时间远大于加热时间,使增材制造过程的热输入很小,基体处于常温状态,不需要特殊的气保护措施,降低了生产成本,增加了操作的灵活性;金属冷焊增材制造的方法是基于零件的3D模型对零件进行分层处理、路径规划和焊接工艺参数选择,控制TIG焊枪按照设定的路径进行移动,控制高能脉冲精密冷焊机和送丝机按照设定的焊接规范进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热;由断续点焊缝逐点逐线逐层堆积而实现零件的成形;三维激光扫描仪检测获得每个分层的三维尺寸,便于实时确定下一分层的焊接工艺参数和移动路径,从而实现零件成形精度的闭环控制;增材成形的路径更加多样灵活,便于通过路径规划减小零件的变形、热应力和晶粒,控制零件的成形精度和组织性能。
实施例1
如图3所示:钛金属圆环的外径20mm,高度4mm,壁厚2mm,由80层环形件堆焊形成,每层环形件的高度为0.2mm;其制造方法的具体步骤为:
步骤一:在主控计算机上对钛金属圆环进行3D建模,对钛金属圆环进行分层处理,得到每个分层的尺寸和形状特点,然后对焊枪的移动路径进行规划以及选择其焊接工艺参数,其中,脉冲电流为50-100A,焊丝的直径为0.5mm的 Ti5Al2.5Sn ,送丝的速度为0.1m/min-0.2m/min,焊接的速度为0.2mm/s-0.5mm/s,焊缝宽度为 0.2-2mm;
步骤二:对分层通过上述选择的每道焊缝的焊接工艺参数和规划的移动路径建立其相应的焊缝模型;然后基于焊缝的间距即焊缝宽度和堆焊路径对分层建立堆积层的三维模型,得到焊缝和堆积层成形的尺寸;将堆积层成形的尺寸与步骤一中得到的分层的尺寸进行对比,然后对堆焊路径、焊接工艺参数进行重新优化和选择,其中,选择脉冲电流为50-90A,焊丝的直径为0.5mm的 Ti5Al2.5Sn,送丝的速度为0.1m/min-0.2m/min,焊接的速度为0.2mm/s-0.5mm/s,焊缝宽度为 0.2-1.5mm;主控计算机将重新优化后的每道焊缝的焊接工艺参数输入并设定到高能脉冲精密冷焊机和送丝机中,堆焊路径输入并设定到机械手和变位机中;
步骤三:控制机械手按照设定的堆焊路径操作焊枪移动,变位机调整制造零件的焊接位置,且与机械手配合实现该零件的堆焊成形;高能脉冲精密冷焊机和送丝机按照设定的焊接工艺参数进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热;高能脉冲熔化一个焊点后立即熄弧冷却,以使整个增材制造过程中基体处于常温状态,其中,每个脉冲电弧时间为20-50ms,脉冲间隔时间为1-3s左右;电弧和熔池的温度、大小由高速红外摄像仪检测和记录,并将其反映和记录到主控计算机中,主控计算机根据熔池的大小实时控制送丝量、脉冲电流和脉冲时间,实时控制焊接工艺参数和移动路径,以确保每个熔池的成形精度;从而由断续点焊缝逐点逐线搭接完成一分层的堆焊成形;
步骤四:通过三维激光扫描仪检测获得上述分层的三维尺寸,反映和记录到主控计算机中,主控计算机对其与该零件所需的尺寸即3D建模中该分层的尺寸进行对比,从而确定下一个分层的尺寸和形状,然后开始下一个分层的堆焊成形;如此循环往复,重复步骤二至三,直到完成所有分层的堆焊成形,然后将所有分层逐层堆焊成形为零件即钛金属圆环。
实施例2
如图4所示:双螺旋钛金属柱的高度为20mm,单螺旋钛金属柱的直径为1.5mm,两个单螺旋钛金属柱间的最大间距为5mm;其制造方法的具体步骤为:
步骤一:在主控计算机上对双螺旋钛金属柱进行3D建模,对双螺旋钛金属柱进行分层处理,得到每个分层的尺寸和形状特点,然后对焊枪的移动路径进行规划以及选择其焊接工艺参数,其中,脉冲电流为30-40A,焊丝的直径为0.3mm的TC4钛合金焊丝,其中,按重量份数TC4钛合金焊丝的成份中有4-6份Al、2.5-4份V、0.01-0.02份C、0.1-0.2份O和0.003-0.005份N,其余量为Ti,送丝的速度为0.1m/min-0.2m/min,焊接的速度为0.2mm/s-0.3mm/s,焊缝宽度为0.5-1.5mm;
步骤二:对分层通过上述选择的每道焊缝的焊接工艺参数和规划的移动路径建立其相应的焊缝模型;然后基于焊缝的间距即焊缝宽度和堆焊路径对分层建立堆积层的三维模型,得到焊缝和堆积层成形的尺寸;将堆积层成形的尺寸与步骤一中得到的分层的尺寸进行对比,然后对堆焊路径、焊接工艺参数进行重新优化和选择,其中,选择脉冲电流为30-40A,焊丝的直径为0.3mm的TC4钛合金焊丝,送丝的速度为0.1m/min-0.2m/min,焊接的速度为0.2mm/s,焊缝宽度为1.5mm;主控计算机将重新优化后的每道焊缝的焊接工艺参数输入并设定到高能脉冲精密冷焊机和送丝机中,堆焊路径输入并设定到机械手和变位机中;
步骤三:控制机械手按照设定的堆焊路径操作焊枪移动,变位机调整制造零件的焊接位置,且与机械手配合实现该零件的堆焊成形,在工作台上焊接工件由变位机和机械手带动在x、y、z方向上运动;高能脉冲精密冷焊机和送丝机按照设定的焊接工艺参数进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热;高能脉冲熔化一个焊点后立即熄弧冷却,以使整个增材制造过程中基体处于常温状态,其中,每个脉冲电弧时间为25ms左右,脉冲间隔时间为2s;电弧和熔池的温度、大小如熔池的宽度由高速红外摄像仪检测和记录,并将其反映和记录到主控计算机中,主控计算机根据熔池的大小实时控制送丝量、脉冲电流和脉冲时间,实时控制焊接工艺参数和移动路径,以确保每个熔池的成形精度;从而由断续点焊缝逐点逐线搭接完成一分层的堆焊成形;
步骤四:通过三维激光扫描仪检测获得上述分层的三维尺寸,反映和记录到主控计算机中,主控计算机对其与该零件所需的尺寸即3D建模中该分层的尺寸进行对比,从而确定下一个分层的尺寸和形状,然后开始下一个分层的堆焊成形;如此循环往复,重复步骤二至三,直到完成所有分层的堆焊成形,然后将所有分层逐层堆焊成形为零件即双螺旋钛金属柱。
实施例3
如图5所示:钛金属微型塔的高度为2.5mm,其底部正方形的边长为2.5mm;其制造方法的具体步骤为:
步骤一:在主控计算机上对钛金属微型塔进行3D建模,对其进行分层处理,得到每个分层的尺寸和形状特点,然后对焊枪的移动路径进行规划以及选择其焊接工艺参数,其中,脉冲电流为40-60A,焊丝的直径为0.4mm的钛合金焊丝,送丝的速度为0.1m/min-0.2m/min,焊接的速度为0.2mm/s-0.4mm/s,焊缝宽度为0.5-1.5mm;
步骤二:对分层通过上述选择的每道焊缝的焊接工艺参数和规划的移动路径建立其相应的焊缝模型;然后基于焊缝的间距即焊缝宽度和堆焊路径对分层建立堆积层的三维模型,得到焊缝和堆积层成形的尺寸;将堆积层成形的尺寸与步骤一中得到的分层的尺寸进行对比,然后对堆焊路径、焊接工艺参数进行重新优化和选择,其中,选择电流为40-60A,焊丝的直径为0.4mm的钛合金焊丝,送丝的速度为0.1m/min-0.2m/min,焊接的速度为0.2mm/s-0.3mm/s,焊缝宽度为0.5-1.0mm;主控计算机将重新优化后的每道焊缝的焊接工艺参数输入并设定到高能脉冲精密冷焊机和送丝机中,堆焊路径输入并设定到机械手和变位机中;
步骤三:控制机械手按照设定的移动路径操作焊枪移动,变位机调整制造零件的焊接位置,且与机械手配合实现该零件的堆焊成形,高能脉冲精密冷焊机和送丝机按照设定的焊接工艺参数进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热;高能脉冲熔化一个焊点后立即熄弧冷却,以使整个增材制造过程中基体处于常温状态,其中,每个脉冲电弧时间为30ms,脉冲间隔时间为2s左右;电弧和熔池的温度、大小由高速红外摄像仪检测和记录,并将其反映和记录到主控计算机中,主控计算机根据熔池的大小实时控制送丝量、脉冲电流和脉冲时间,实时控制焊接工艺参数和移动路径,以确保每个熔池的成形精度;从而由断续点焊缝逐点逐线搭接完成一分层的堆焊成形;
步骤四:通过三维激光扫描仪检测获得上述分层的三维尺寸,反映和记录到主控计算机中,主控计算机对其与该零件所需的尺寸即3D建模中该分层的尺寸进行对比,从而确定下一个分层的尺寸和形状,然后开始下一个分层的堆焊成形;如此循环往复,重复步骤二至三,直到完成所有分层的堆焊成形,然后将所有分层逐层堆焊成形为零件即钛金属微型塔。
上述该方法进行金属零件的增材制造能够减小热输入量,零件的基体处于常温即冷态,从而减小零件的变形和热应力,路径规划更加灵活多样,便于选择更好的堆焊路径,棱角、楞线、尖峰部位都能够实现堆焊成形,从而提高增材制造零件的成形精度,细化内部晶粒组织,改善零件的性能,降低生产成本。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明;熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属冷焊增材制造的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:在主控计算机上对零件进行3D建模,对零件进行分层处理,得到每个分层的尺寸和形状特点,然后对焊枪的移动路径进行规划以及选择其焊接工艺参数;
步骤二:对分层通过上述选择的每道焊缝的焊接工艺参数和规划的移动路径建立其相应的焊缝模型;然后基于焊缝的间距和堆焊路径对分层建立堆积层的三维模型,得到焊缝和堆积层成形的尺寸;将堆积层成形的尺寸与步骤一中得到的分层的尺寸进行对比,然后对堆焊路径、焊接工艺参数进行重新优化和选择;主控计算机将重新优化后的每道焊缝的焊接工艺参数输入并设定到高能脉冲精密冷焊机和送丝机中,堆焊路径输入并设定到机械手和变位机中;
步骤三:控制机械手按照设定的堆焊路径操作焊枪移动,变位机调整制造零件的焊接位置,且与机械手配合实现复杂形状和结构零件的堆焊成形;高能脉冲精密冷焊机和送丝机按照设定的焊接工艺参数进行断续点焊,在每个脉冲期间增加一个点焊缝,每个脉冲间隔期间进行冷却散热;高能脉冲熔化一个焊点后立即熄弧冷却,以使整个增材制造过程中基体处于常温状态;然后由断续点焊缝逐点逐线搭接完成一分层的堆焊成形;
步骤四:通过三维激光扫描仪检测获得上述分层的三维尺寸,反映和记录到主控计算机中,主控计算机对其与零件所需的尺寸即3D建模中该分层的尺寸进行对比,从而确定下一个分层的尺寸和形状,然后开始下一个分层的堆焊成形;如此循环往复,重复步骤二至三,直到完成所有分层的堆焊成形,然后将所有分层逐层堆焊成形为零件。
2.如权利要求1所述的一种金属冷焊增材制造的方法,其特征在于,所述增材制造过程中电弧和熔池的温度、大小由高速红外摄像仪检测和记录,并将其反映和记录到主控计算机中,主控计算机根据熔池的大小实时控制送丝量、脉冲电流和脉冲时间,实时控制焊接工艺参数和移动路径,以确保每个熔池的成形精度。
3.如权利要求1所述的一种金属冷焊增材制造的方法,其特征在于,所述的焊接工艺参数包括脉冲电流、脉冲时间、熄弧时间、焊丝直径、送丝速度和焊接速度。
4.如权利要求1所述的一种金属冷焊增材制造的方法,其特征在于,所述高能脉冲的脉冲电弧时间为1-300ms,脉冲间隔时间为1-10s。
5.如权利要求1所述的一种金属冷焊增材制造的方法,其特征在于,所述的焊接工艺参数中焊丝的直径为0.1mm-3.0mm,送丝的速度为0.1m/min-5.0m/min,焊接的速度为 0.2mm/s-5mm/s。
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Application publication date: 20170804

Assignee: Luoyang Torch Star Kiln Co., Ltd.

Assignor: Henan University of Science and Technology

Contract record no.: X2019980000332

Denomination of invention: Metal cold-welding additive manufacturing method

Granted publication date: 20190507

License type: Common License

Record date: 20191111

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