CN107598333A - 一种焊枪倾斜的低损伤高效率gmaw增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪使GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ变为45‑75°，旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离为d；完成金属构件第一层片的堆积；将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d不变，进行金属构件下一层片的堆积；本发明方法有利于提高获得良好成形金属构件的送丝速度，扩大了送丝速度的调节范围，增大了单位时间内金属丝材的熔敷量，进一步提高了GMAW增材制造方法的成形效率。
Description
技术领域
本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种焊枪倾斜的低损伤高效率熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)增材制造方法。
背景技术
GMAW增材制造是电弧填丝增材制造技术的一种，该技术采用计算机程序建立CAD三维模型，以GMAW为热源熔化金属丝材，并层层堆敷以成形该CAD模型的实体构件。该技术由于无需复杂夹具、设备成本低、成形效率高、材料损耗率低，成形的金属构件组织致密、机械性能良好、几何外形几乎不受限制，因而适用于中大型复杂金属构件的快速制造，在航天航空、国防军事、汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
多层单道薄壁件GMAW增材制造过程中，由于薄壁件两侧没有支撑和约束，在电弧力的作用下，熔池容易扭曲流淌，成形效率受到很大限制。GMAW增材制造技术的成形效率取决于其送丝速度，而送丝速度与成形电流正相关，要获得高成形效率，必然要采用大送丝速度，因此其成形电流较大。当成形电流增大时，作用于堆积层熔池的电弧力也随之增大。在堆积过程中，电弧力对构件成形质量有很大影响，一方面，电弧力直接作用于堆积层熔池，对堆积层熔池的挖掘作用很强；另一方面，电弧力作用于熔滴，使得熔滴高速冲击堆积层熔池，对堆积层熔池的震荡作用很强。在上述两种因素的共同作用下，电弧下方液态金属向两侧及熔池尾部排出，对两侧及熔池尾部固液界面造成很大压力，使得堆积层熔池失稳扭曲、熔深增加、成形质量变差。为了保证金属构件的成形质量及表面光洁度，必须降低送丝速度以限制其成形电流，减小电弧对堆积层熔池的作用力，致使GMAW增材制造的成形效率受到很大制约。
在传统的焊枪垂直的GMAW增材制造过程中，焊枪垂直于基板上表面，在各种GMAW焊枪位姿中，作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量最大，堆积层熔池扭曲严重。因此，有必要对传统的焊枪垂直的GMAW增材制造技术进行改进，以降低电弧对堆积层的损伤，提高其成形效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决GMAW增材制造过程中因电弧力过大引起的堆积层表面损伤、成形效率受限等问题，提供了一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：对基板上表面进行打磨，清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪使GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ变为45-75°，这样使得作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量相对于θ为90°时减小，电弧力水平分量与堆积路径方向一致；旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离为d；
θ设定为45-75°是因为当90°<θ＜180°时，作用于堆积层熔池的电弧力水平分量与堆积路径方向相反，电弧下方的液态金属向后堆积形成驼峰，无法回流，致使熔池扭曲变形，堆积层成形质量很差；当75°<θ＜90°时，作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量仅略微减小，对堆积层成形质量的改善不显著，成形效率提高的幅度不大；当0°<θ＜45°时，作用于堆积层熔池的电弧力水平分量过大，熔滴在空中的停留时间过长，熔滴难以及时过渡至堆积层熔池中，堆积层无法均匀成形。
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积；
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d不变，进行金属构件下一层片的堆积；
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余层片的堆积。
作为优选方式，所堆积的金属构件为多层单道薄壁件或多层多道厚壁件。
作为优选方式，对于多层多道厚壁件，同一层片内不同堆积道的堆积过程中，GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ不同。
作为优选方式，在不同层片的堆积过程中，GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ不同。
作为优选方式，GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为10-20mm。一方面，由于GMAW焊枪尺寸的限制，d不能设定过小，另一方面，如果d设定过小，则电弧频繁短路，产生大量飞溅，不利于堆积层成形；如果d设定过大，保护气难以完全覆盖堆积层熔池，生成大量气孔，影响金属构件的组织及力学性能。
与焊枪垂直的GMAW增材制造方法相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法采用GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为45-75°的方式，改变电弧力相对于堆积层熔池的指向，在保持送丝速度不变的情况下，电弧力垂直分量变小，电弧对堆积层熔池的作用力减小，堆积层熔池两侧及尾部所受的压迫减轻，熔池扭曲程度减小，金属构件堆积层熔深减小，避免了对已凝固堆积层片的过度重熔，从而提高了GMAW增材制造金属构件成形质量。
(2)本发明方法有利于提高获得良好成形金属构件的送丝速度，扩大了送丝速度的调节范围，增大了单位时间内金属丝材的熔敷量，进一步提高了GMAW增材制造方法的成形效率。
附图说明
图1是焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法示意图；
图2是GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为90°时多层单道薄壁件第一层片横截面宏观金相图；
图3是GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为45°时多层单道薄壁件第一层片横截面宏观金相图；
图4是GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为90°时多层单道薄壁件第六层片熔池形貌图；
图5是GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为75°时多层单道薄壁件第六层片熔池形貌图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
对比例1
本对比例成形的金属构件为6层单道的薄壁件，堆积路径为直线，堆积长度为150mm。GMAW增材制造主要工艺参数：送丝速度为4m/min，行走速度为0.36m/min。
本对比例所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法包括如下步骤：
步骤一：对基板上表面进行打磨，用丙酮清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面，从而使GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为90°；沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为16mm；
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为90°不变，成形的薄壁件第一层片横截面宏观金相图如图2所示；
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为16mm不变，进行金属构件下一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为90°不变；
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余四层层片的堆积。
实施例1
本实施例成形的金属构件为6层单道的薄壁件，堆积路径为直线，堆积长度为150mm。GMAW增材制造主要工艺参数：送丝速度为4m/min，行走速度为0.36m/min。
一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：对基板上表面进行打磨，用丙酮清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪使GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为45°，这样使得作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量相对于θ为90°时减小，电弧力水平分量与堆积路径方向一致；旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为16mm。
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为45°不变，成形的薄壁件第一层片横截面宏观金相图如图3所示。
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为16mm不变，进行金属构件下一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为45°不变。
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余四层层片的堆积。
相对于对比例1，本实施例将θ由90°变为45°，改变电弧力相对于熔池的指向，电弧力垂直分量变小，电弧对熔池的作用力减小，熔池两侧及尾部所受的压迫减轻，电弧对堆积层的损伤降低，金属构件成形质量提高。
效果对比
对比例1和实施例1中除GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ外的工艺参数全部一致，成形的低碳钢薄壁件第一层片横截面宏观金相图如图2和图3所示，对比两图可以发现，图2中金属构件第一层熔深与基板熔融面积皆大于图3。
表1对比例1与实施例1金属构件第一层熔深与基板熔融面积比较
| 第一层熔深(mm) | 基板熔融面积(mm2) | |
| 对比例1 | 1.75 | 7.27 |
| 实施例1 | 1.38 | 3.86 |
从上表可以看出，相对于对比例1，实施例1中的金属构件第一层熔深与基板熔融面积更小。第一层熔深和基板熔融面积减小说明电弧力对熔池的冲击作用降低，堆积过程中基板重熔金属量减少。在金属构件由下至上的堆积过程中，每一层片电弧力对熔池的冲击作用基本保持不变，对堆积层的作用效果与上述结论一致。因此，当θ由90°改变为45°时，电弧对堆积层的损伤降低，金属构件成形质量提高。
对比例2
本实施例成形的金属构件为6层单道的薄壁件，堆积路径为直线，堆积长度为150mm。GMAW增材制造主要工艺参数：送丝速度为5m/min，行走速度为0.45m/min。
下面结合图1说明本发明所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造具体步骤：
步骤一：将摄像机安装于GMAW焊枪后方，对基板上表面进行打磨，用丙酮清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为10mm。
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为90°不变。在成形过程中用摄像机采集熔池图像，并保存图像数据。
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为10mm不变，进行金属构件下一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为90°不变。
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余四层层片的堆积，成形的薄壁件第六层熔池形貌如图4所示。
实施例2
本实施例成形的金属构件为6层单道的薄壁件，堆积路径为直线，堆积长度为150mm。GMAW增材制造主要工艺参数：送丝速度为5m/min，行走速度为0.45m/min。
下面结合图1说明本发明所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造具体步骤：
步骤一：将摄像机安装于GMAW焊枪后方，对基板上表面进行打磨，用丙酮清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪使GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为75°，这样使得作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量相对于θ为90°时减小，水平分量与堆积路径方向一致；旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为10mm。
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为75°不变。在成形过程中用摄像机采集熔池图像，并保存图像数据。
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为10mm不变，进行金属构件下一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ为75°不变。
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余四层层片的堆积，成形的薄壁件第六层熔池形貌如图5所示。
本实施例仅将θ由90°变为75°，改变电弧力相对于熔池的指向，电弧力垂直分量变小，电弧对熔池的作用力减小，熔池两侧及尾部所受的压迫减轻，电弧对堆积层的损伤降低，金属构件成形质量提高。
效果对比
对比例2和实施例2中除GMAW焊枪指向与堆积路径方向的夹角θ外的工艺参数全部一致，成形的低碳钢薄壁件第六层熔池形貌如图4和图5所示，对比两图可以发现，图4的熔池扭曲严重，图5熔池形态对称，上下边界轮廓清晰挺直，说明在其他工艺参数相同情况下，θ为75°时的成形质量优于90°。对比例2与实施例2所采用的送丝速度都是5m/min，90°时液态熔池严重扭曲，说明90°时获得良好成形金属构件最大送丝速度小于5m/min，而75°时液态熔池成形良好，说明75°时获得良好成形金属构件最大送丝速度大于5m/min，这表明当θ由90°改变为75°时有助于扩大参数范围，提高成形质量和成形效率。
实施例3
本实施例成形的金属构件为6层单道的薄壁件，堆积路径为直线，堆积长度为150mm。GMAW增材制造主要工艺参数：送丝速度为6m/min，行走速度为0.54m/min。
一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：对基板上表面进行打磨，用丙酮清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪，令GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为60°，这样使得作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量相对于θ为90°时减小，水平分量与堆积路径方向一致；旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为20mm。
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为60°不变。
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为20mm不变，进行金属构件下一层片的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为60°不变。
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余四层层片的堆积。
实施例4
本实施例成形的金属构件为6层2道的厚壁件，堆积路径为直线，堆积长度为150mm。GMAW增材制造主要工艺参数：送丝速度为6m/min，行走速度为0.54m/min。
一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：对基板上表面进行打磨，用丙酮清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪，令GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为60°，这样使得作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量相对于θ为90°时减小，水平分量与堆积路径方向一致；旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d为16mm。
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片第一堆积道的堆积。在堆积过程中，保持GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为60°不变。
步骤三：将GMAW焊枪移动至起弧位置，向垂直于堆积方向横向移动5mm，调整GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为70°，重复步骤二，完成金属构件第一层片第二堆积道的堆积。
步骤四：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为20mm不变，进行金属构件下一层片的堆积。在堆积第二层片第一堆积道的过程中，调整GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为45°。在堆积第二层片第二堆积道的过程中，调整GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ为55°。
步骤五：重复步骤四，完成金属构件剩余四层层片的堆积。
本发明所采用的试验平台为：ABB机器人ICR5M2004，GMAW电源为肯比焊机KempArcPulse 450，GMAW焊枪紧固于ABB机器人第六轴末端，ABB机器人控制GMAW焊枪的运动。所采用的成形保护气为95％Ar+5％CO2，气流量为25L/min，焊丝为JQ MG70S-6低碳钢焊丝，直径1.2mm，基板材料为Q235B低碳钢板，尺寸为200mm×60mm×10mm。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对基板上表面进行打磨，清洗基板上表面，将基板紧固于工作台上，移动GMAW焊枪至基板上方，并保证其垂直于基板上表面；在GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向所确定的平面内旋转GMAW焊枪使GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ变为45-75°，这样使得作用于堆积层熔池的电弧力垂直分量相对于θ为90°时减小，电弧力水平分量与堆积路径方向一致；旋转完成后，沿垂直于基板上表面的方向平移GMAW焊枪，使GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离为d；
步骤二：确定起弧位置、堆积路径、堆积方向，启动GMAW电源，然后预通保护气，引燃电弧，按设定好的堆积路径与堆积方向成形堆积道，至收弧点处熄弧，停止送气，完成金属构件第一层片的堆积；
步骤三：将GMAW焊枪抬高一个高度，保持GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪指向与基板上表面交点的距离d不变，进行金属构件下一层片的堆积；
步骤四：重复步骤二和步骤三，完成金属构件剩余层片的堆积。
2.根据权利要求1所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，其特征在于：所堆积的金属构件为多层单道薄壁件或多层多道厚壁件。
3.根据权利要求1所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，其特征在于：对于多层多道厚壁件，同一层片内不同堆积道的堆积过程中，GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ不同。
4.根据权利要求1所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，其特征在于：在不同层片的堆积过程中，GMAW焊枪中轴线与堆积路径方向的夹角θ不同。
5.根据权利要求1所述的一种焊枪倾斜的低损伤高效率GMAW增材制造方法，其特征在于：GMAW焊枪喷嘴末端到GMAW焊枪中轴线与基板上表面交点的距离d为10-20mm。
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2017
- 2017-09-21 CN CN201710857552.8A patent/CN107598333A/zh active Pending
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