CN109530851B - 一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法 - Google Patents

一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，包括：对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理；将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上；设定起弧点、收弧点位置及增材路径；其中，所述增材路径包括多层待增材层；利用焊机对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造；设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值；沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构；重复执行上述步骤，以形成符合预设条件的铝合金悬空结构件。本发明采用层间偏移的方法使熔敷金属重力与表面张力二力平衡从而实现悬空结构成形，能够提高电弧增材材料的利用率，缩短电弧增材制造周期。

Description

一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是基于离散—堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”。
电弧增材制造作为一种新型的数字化制造技术，在航天领域得到了越来越广泛的应用。目前，航天产品中的悬空结构的成形主要通过焊接或是铸造并机加，而利用增材制造成形悬空结构，不仅能够进一步提高电弧增材制造材料利用率，还能减少机加量，缩短生产周期。
目前国内外对悬空类结构件电弧增材方法研究较少，而在实际生产中具有悬空结构的产品主要是通过变位机实现。变位机是专用焊接辅助设备，主要任务是将负载按预编的程序进行回转和翻转，保证熔池始终保持向上状态。但是变位机对于成形工件的类型十分局限，很多悬空结构比如圆筒内壁凸台等都无法用该方法进行成形。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明实施例提供了一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，采用层间偏移的方法使熔敷金属重力与表面张力二力平衡从而实现悬空结构成形，解决电弧增材无法成形悬空结构的难题，同时进一步提高电弧增材材料利用率，缩短电弧增材制造周期。
为了解决上述技术问题，本发明实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，包括：对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理；将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上；设定起弧点、收弧点位置及增材路径；其中，所述增材路径包括多层待增材层；利用焊机对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造；设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值；沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构；重复执行所述设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值，及所述沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构的步骤，以形成符合预设条件的铝合金悬空结构件。
优选地，所述铝合金悬空结构件为多层单道薄壁悬空结构件，且悬空角度≤90°。
优选地，所述铝合金悬空结构件包括铝合金基板，所述对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理的步骤，包括：对所述铝合金基板上的增材区域进行酸洗、打磨及擦拭处理。
优选地，所述铝合金基板的厚度为15mm～20mm。
优选地，所述铝合金悬空结构件采用5B06铝合金丝材制成，所述铝合金悬空结构件的直径为1mm。
优选地，所述利用焊机对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造的步骤，包括：利用所述焊机采用设定增材模式对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造。
优选地，所述设定增材模式为pulsed-CMT脉冲复合冷金属过渡焊增材模式。
优选地，所述焊机为Fronius CMT Advanced 4000数字化焊机，增材过程中采用的增材设备为Fanuc M-710iC/50工业机器人。
优选地，所述预设能量值为140J/mm～180J/mm。
优选地，增材过程中采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气流量为18～20L/min。
本发明具有以下优点：
本发明实施例公开了一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，通过对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理，将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上，并设定起弧点、收弧点位置及增材路径，其中，增材路径包括多层待增材层，然后，利用焊机对多层待增材层中的第一层进行增材制造，设定预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值，沿垂直于增材路径的方向偏移，利用焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构，重复执行设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值，及沿垂直于增材路径的方向偏移，利用焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构的步骤，以形成符合预设条件的铝合金悬空结构件。本发明实施例采用层间偏移的方法使熔敷金属重力与表面张力二力平衡从而实现悬空结构成形，能够解决电弧增材无法成形悬空结构的难题，同时进一步提高电弧增材材料利用率，缩短电弧增材制造周期。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法的步骤流程图；
图2示出了本发明实施例提供的一种熔滴受力示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种线能量为180J/mm时层间偏移量随层数的变化示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种线能量为180J/mm时悬空结构成形形貌的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例
参照图1，示出了本发明实施例提供的一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：
步骤101：对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理。
本发明实施例可以应用于Fanuc M-710iC/50工业机器人的增材制造过程中，具体地，可以根据实际情况而定，本发明实施例对此不加以限制。
电弧增材过程中材料的堆积由高温液态熔滴过渡后再凝固的方式成形，熔池在堆敷过程中受到向下的重力和向上的表面张力共同作用，例如，参照图2，示出了本发明实施例提供的一种熔滴受力示意图，如图1所示，理论上，当熔覆金属的重力与表面张力受力平衡时，即可实现熔覆层水平生长，而熔覆金属的重力主要由层间偏移量所决定。
本发明中的铝合金悬空结构件可以为多层单道薄壁悬空结构件，且悬空角度小于等于90°。
在本发明实施例的一种优选实施例中，铝合金悬空结构件可以采用5B06铝合金丝材制成，铝合金悬空结构件的直径可以为1mm，当然，对于增材设备的不同，可以选择不同的型材制成，并且，铝合金悬空结构件的直径也可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不加以限制。
在获取待增材的铝合金悬空结构件之后，可以对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理，如酸洗、清洁等等，具体地，以下述优选实施例进行详细描述。
在本发明实施例的一种优选实施例中，所述铝合金悬空结构件包括铝合金基板，上述步骤101可以包括：
子步骤A1：对所述铝合金基板上的增材区域进行酸洗、打磨及擦拭处理。
在本发明实施例中，铝合金基板的厚度为15mm～20mm。
在准备阶段，可以将厚度为15～20mm的5A06型号的铝合金基板的待增材区域才用机械方法打磨、擦拭干净，以将底板表面待增材区域的氧化皮、油污等清理干净，然后用丙酮或无水酒精擦拭并烘干。
在对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理之后，执行步骤102。
步骤102：将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上。
在对铝合金悬空结构件进行打磨、擦拭等预处理之后，可以将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上，并执行步骤102。
步骤103：设定起弧点、收弧点位置及增材路径；其中，所述增材路径包括多层待增材层。
在本发明中，增材路径可以包括多层待增材层，如两层、三层、八层等等。
在将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台之后，可以设定起弧点、收弧点位置，设定增材路径，进而后续使用焊枪进行层与层之间的往复运行，且起弧点收弧点交替改变。
在设定起弧点、收弧点位置及增材路径之后，执行步骤104。
步骤104：利用焊机对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造。
焊机上设置有焊枪，可以对多层待增材层的各增材层进行增材制造，在进行增材时，可以使焊枪置于距基板表面12～15mm位置，进行第一层增材制造，第一层的增材电流高于构件本体所用电流20～50A。
对于利用焊枪对多层待增材层中的第一层进行增材制造的过程以下述优选实施例进行详细描述。
在本发明实施例的一种优选实施例中，上述步骤104可以包括：
子步骤B1：利用所述焊机采用设定增材模式对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造。
在本发明实施例中，设定增材模式可以为pulsed-CMT(脉冲复合冷金属过渡焊)增材模式。在成形悬空结构的过程中，焊枪始终垂直于基板平面。
在将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台之后，可以利用焊机上的焊枪采用pulsed-CMT增材模式对第一层进行增材制造。
在本发明中，在增材过程中，还可以采用高纯氩气进行正面保护，具体地，以下述优选实施例进行详细描述。
在本发明实施例的一种优选实施例中，增材过程中采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气流量为(18～20)L/min。
在本发明实施例中，电弧增材过程中采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气流量为(18～20)L/min，从而可以避免增材过程中对铝合金悬空结构件造成污染。
在利用焊机对多层待增材层中的第一层进行增材制造之后，执行步骤105。
步骤105：设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值。
线能量是增材成形过程中各种热现象的重要影响因素，它能影响峰值温度的分布和冷却速度、熔池凝固时间以及增材制造金属的力学性能。且增材电流、增材电压、增材速度以及层间偏移量是影响悬空结构成形的重要因素。
在本发明实施例的一种优选实施例中，预设能量值可以为140J/mm～180J/mm。而对于预设能量值的具体数值可以根据实际情况而定，本发明实施例对此不加以限制。
悬空结构的成形主要受线能量、层间偏移量及层间冷却时间等因素的影响，设定线能量180J/mm时的增材电流及增材速度参数如下表：
序号 线能量J/min 增材电流A 增材速度mm/s
1 180 102 10
(2)层与层之间垂直于增材方向进行偏移，为防止坍塌，偏移量层层递增，当层间偏移量逐渐增加至阀值即1.78mm时，熔覆层呈水平增长。
例如，参照图3，示出了本发明实施例提供的一种线能量为180J/mm时层间偏移量随层数的变化示意图，如图3所示，在线能量为180J/mm时，偏移量层层递增，当层间偏移量逐渐增加至阀值1.78mm时，熔覆层呈水平增长。
可以理解地，上述示例仅是为了更好地理解本发明实施例的技术方案而列举的示例，不作为对本发明实施例的唯一限制。
在设定预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值之后，执行步骤106。
步骤106：沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构。
在设定预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值之后，可以沿垂直于增材路径方向偏移焊枪进行下一层的堆积，偏移量逐层累加，直至成形出90°的水平悬空结构。
为避免起弧点累积增高，层与层之间采用往复运行，即上一层的起弧点为下一层的收弧点。
(2)层与层之间垂直于增材方向进行偏移，为防止坍塌，偏移量层层递增，当层间偏移量逐渐增加至阀值即1.78mm时，熔覆层呈水平增长，例如，参照图4，示出了本发明实施例提供的一种线能量为180J/mm时悬空结构成形形貌的示意图，如图4所示，随着堆敷层数增加，热量的积累使熔池流淌趋势增加，熔覆层变窄，相对偏移量变大，此时应减小层间偏移量以维持熔覆层水平增长，避免金属流淌坍塌。当热量趋于稳定，层间偏移量即达到稳定值。如图3所示，线能量180J/mm时，层间偏移量开始成形出90°悬空结构的偏移量为1.78mm，热量稳定时的偏移量为1.73mm可成形出90°悬空结构。层与层之间垂直于增材方向进行偏移，为防止坍塌，偏移量层层递增，当层间偏移量逐渐增加至阀值即1.68mm时，熔覆层呈水平增长。而在线能量140J/mm时，层间偏移量开始成形出90°悬空结构的偏移量为1.68mm，热量稳定时的偏移量为1.56mm可成形出90°悬空结构。
可以理解地，上述示例仅是为了更好地理解本发明实施例的技术方案而列举的示例，不作为对本发明实施例的唯一限制。
在沿垂直于增材路径的方向偏移，利用焊机进行下一层的堆积，形成90°的水平悬空结构之后，执行步骤107。
步骤107：重复执行所述设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值，及所述沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构的步骤，以形成符合预设条件的铝合金悬空结构件。
重复执行上述步骤105和上述步骤106，直至成形出符合尺寸要求的结构件。
本发明实施例通过采用层间偏移的方法，使每一层熔敷金属的重力与表面张力达到平衡，从而实现悬空结构成形，悬空结构角度最大为90°。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，其特征在于，所述铝合金悬空结构件包括铝合金基板，为多层单道薄壁悬空结构件，且悬空角度≤90°，包括：
对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理；
将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上；所述铝合金悬空结构件采用5B06铝合金丝材制成，所述铝合金悬空结构件的直径为1mm；
设定起弧点、收弧点位置及增材路径；其中，所述增材路径包括多层待增材层；
利用焊机采用pulsed-CMT脉冲复合冷金属过渡焊增材模式对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造，在进行增材时，焊枪始终垂直于基板平面，焊枪置于距基板表面12～15mm位置，进行第一层增材制造，第一层的增材电流高于构件本体所用电流20～50A；
设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值，所述预设能量值为140J/mm～180J/mm；
沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，上一层的起弧点为下一层的收弧点，以形成90°的水平悬空结构；偏移量层层递增，当层间偏移量逐渐增加至阀值时，熔覆层呈水平增长；热量的积累使熔池流淌趋势增加，熔覆层变窄，相对偏移量变大，此时应减小层间偏移量以维持熔覆层水平增长；当热量趋于稳定，层间偏移量即达到稳定值；在线能量140J/mm时，层间偏移量开始成形出90°悬空结构的偏移量为1.68mm，热量稳定时的偏移量为1.56mm可成形出90°悬空结构；线能量180J/mm时，层间偏移量开始成形出90°悬空结构的偏移量为1.78mm，热量稳定时的偏移量为1.73mm可成形出90°悬空结构；
重复执行所述设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值，及所述沿垂直于所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构的步骤，以形成符合预设条件的铝合金悬空结构件；
所述对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理的步骤，包括：
对所述铝合金基板上的增材区域进行酸洗、打磨及擦拭处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金基板的厚度为15mm～20mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊机为Fronius CMT Advanced 4000数字化焊机，增材过程中采用的增材设备为Fanuc M-710iC/50工业机器人。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，增材过程中采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气流量为18～20L/min。
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