CN109551081A - 一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法，解决了现有电弧增材制造修复过程中，特别是在大面积缺损增材修复工况下，开放式多层多道堆积过程中出现液态金属流淌、约束不足导致的成型不良问题。电弧增材修复过程中，采用熔化极气保焊(MIG)、非熔化极气保焊(TIG)以及等离子体焊接电弧为热源，通过丝材的添加，在缺损部分逐层熔覆修补，在程序的控制下，根据三维数字模型由线‑面‑体逐渐成形出金属零件的缺损部分。本发明的采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法，首先，采用与母材相同的一或多块辅助板结构与母材零件点焊成一个可修复区域，然后用多层多道堆积的方法将修复区域焊满，最后采用机加工方法将辅助板去除。

Description

一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法

技术领域

本发明属于增材制造修复技术领域，具体涉及一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法。

背景技术

电弧增材制造技术以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，其成形速度较高，增材零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，与整体锻造件相比具有强度高、韧性好、尺寸形状设计灵活等优点，可以高效快速成形大尺寸复杂金属构件。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，消除大型铸件的不易淬透、宏观偏析、性能各向异性等问题。采用高效电弧增材制造方法，将传统的“减材”方式更改为“增材”方式，不仅能够满足零件性能质量要求，且大大增加了构件的制造灵活性，为构件结构优化提供了丰富的设计思路和更大的减重优化空间。近年来，增材制造技术越来越受到各国的重视，美军将增材制造技术与激光通信、新能源、新生物医学、自主无人系统、高超声速飞行器等一起列为影响未来战争形态的颠覆性技术。在增材制造技术原理基础上开发出的电弧增材制造修复技术，以损伤零件为对象，通过扫描反求获得损伤零件的模型，并在此基础上驱动机器人带动电弧热源直接在损伤零件上堆积材料，从而达到修复零件的目的。由于其突出的技术优势，电弧增材制造修复技术在损伤零件的快速修复领域逐渐得到了广泛关注。

目前，传统方式，针对较大体积缺损、且形状规则的零件，按照零件缺损部分模型进行无约束逐层堆积，堆积修补的部分毛坯体积需要略大于实际缺损部分模型尺寸，然后采用机加工方式，对多余部分进行切削去除，精确加工到最终尺寸。一种方式为保证堆积尺寸精度高，变形小，后续加工余量小，需要降低堆积热源功率，堆积效率也相应降低。或者另一种方式为加大修复线能量，提高这种较大体积形状规则零件缺损的堆积效率，则会出现成型尺寸精度不高，加工余量过大的问题，严重的甚至出现边缘处堆积材料下淌，导致成型失败。因此，开发一种新型的采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法具有重要的意义，有效提高修复堆积效率，提高线能量的同时，而又不会影响成型精度，避免成型金属下淌问题，为较大体积缺损、且形状规则零件的高质量电弧增材制造修复过程提供一种理想的解决方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有较大体积缺损、且形状规则零件的高质量电弧增材制造修复成型效率低下、线能量密度低、成型金属下淌无法成型等问题，提出一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法。该方法适用材料范围广泛，适用于钢、铝合金、铜合金或镁合金等大体积缺损、形状规则的金属零件的电弧增材制造修复。同时该方法成本较低、效率高，易于实现推广，解决了传统电弧增材制造修复过程中效率低、成型精度差、成型不良的问题。

本发明的一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法,针对大体积缺损、形状规则的金属零件，首先，对缺损区域进行了机械去除，露出金属光泽，将一个或多个辅助板采用点焊的方法将其固定在零件上，以围出最终尺寸模型的包络范围。然后，按照缺损部分模型规划堆积路径，并对此进行逐层堆积，形成填充金属，堆积部分两侧受到辅助成型板的约束，表面略高于实际需求的修补尺寸。最后，采用机加工方式，对两侧的辅助板及上表面的多余材料进行去除，并精确加工到最终尺寸。可以无需旋转工件，直接在辅助板的约束下进行修复，强制成型，无需担心液态金属下淌。简化了工艺流程，同时可以加大功率，提高修复效率。

本发明之采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法适用材料范围广泛，适用于钢、铝合金、铜合金或镁合金等金属零件的大体积缺损。解决了现有电弧增材制造修复过程中，特别是在大面积缺损增材修复工况下，由于开放式多层多道堆积过程中出现液态金属流淌、约束不足导致的成型不良问题。同时该方法使用辅助成型板，制造过程成本低，效率高，无需升级现有设备，易于实现推广，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明一实施例的长方体零件右上部发生缺损的电弧增材制造修复辅助板结构及方法示意图。

图2为本发明一实施例的长方体零件上部发生缺损的电弧增材制造修复辅助板结构及方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式一：下面结合图1、图2说明本实施方式，图1所示为本发明一实施例的长方体零件右上部发生缺损的电弧增材制造修复辅助板结构及方法示意图，其中1为不使用辅助成型板的修复填充金属，2为待修复金属零件，3为使用辅助成型板的修复填充金属，4为辅助成型板。以简单零件为例，长方体零件的右上角发生了裂纹、破损、缺损，对右上角缺损区域进行了机械去除，露出金属光泽，不采用辅助成型板的增材制造修复情况，为避免液态金属流淌，需要将待修补工件倾斜，以保证堆积过程中熔池与焊枪位置为立向上。按照缺损部分模型规划堆积路径，并对此进行逐层堆积，形成填充金属为1，成型尺寸应略大于最终零件尺寸。最后，采用机加工方式，将毛坯件精确加工到最终尺寸。本发明所述方法将辅助板4采用点焊的方法将其固定在零件2上，以围出最终尺寸模型的包络范围。然后，按照缺损部分模型规划堆积路径，并对此进行逐层堆积，形成填充金属为3，堆积部分两侧受到辅助成型板的约束，填充金属表面略高于实际需求的修补尺寸。最后，采用机加工方式，对两侧的辅助板及上表面的多余材料进行去除，并精确加工到最终尺寸。二者相比，采用辅助板的方式可以无需采用专用工装，旋转工件，直接在辅助板的约束下进行修复，而无需担心液态金属下淌，强制成型。简化了工艺流程，而且同时可以加大功率，提高修复效率。

图2所示为本发明的长方体零件上部发生缺损的电弧增材制造修复辅助板结构及方法示意图，以简单零件为例，长方体零件的上部发生了裂纹、破损、缺损，首先，对上部缺损区域进行了机械去除，露出金属光泽，不采用辅助成型板的增材制造修复情况，为避免液态金属流淌，需要将待修补工件倾斜，以保证堆积过程中熔池与焊枪位置为立向上。按照缺损部分模型规划堆积路径，并对此进行逐层堆积，形成填充金属为1，成型尺寸应略大于最终零件尺寸。最后，采用机加工方式，将毛坯件精确加工到最终尺寸。本发明所述方法将辅助板4、5采用点焊的方法将其固定在零件2上，以围出最终尺寸模型的包络范围。然后，按照缺损部分模型规划堆积路径，并对此进行逐层堆积，形成填充金属为3，堆积部分两侧受到辅助成型板的约束，填充金属表面略高于实际需求的修补尺寸。最后，采用机加工方式，对两侧的辅助板及上表面的多余材料进行去除，并精确加工到最终尺寸。二者相比，采用辅助板的方式可以无需采用专用工装，旋转工件，直接在辅助板的约束下进行修复，而无需担心液态金属下淌，强制成型。简化了工艺流程，而且同时可以加大功率，提高修复效率。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中待修补母材可以适用的材料包括：钢、铝合金、铜合金或镁合金等大体积缺损、形状规则的金属零件。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中，根据最终修复零件的服役性能要求，可以采用高强匹配原则选择修复材料以提高修复部分的材料强度，还可以采用等强匹配或低强匹配原则选择修复填充材料以提高修复部分的材料塑性和韧性。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中该增材制造修复过程可以采用机器人示教方式、机器人离线编程方式来实现，也可以采用多轴专机来实现。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中该增材制造修复过程可以采用熔化极气保焊(MIG)、非熔化极气保焊(TIG)以及等离子体焊接电弧为热源来实现。

Claims (5)

1.一种采用辅助成型板结构的电弧增材制造修复方法，其特征在于，针对大面积块状缺损修复时，采用电弧增材制造修补方法，对母材零件进行修补；

首先，将裂纹、缺损部分进行机械去除，并将一块或多块辅助板采用点焊的方法将其固定在零件上，以围出最终尺寸模型的包络范围；

然后，按照缺损部分模型规划堆积路径，并对此进行逐层堆积，堆积部分两侧受到辅助成型板的约束，表面高于实际需求的修补尺寸；

最后，采用机加工方式，对两侧的辅助板及上表面的多余材料进行去除，并精确加工到最终尺寸。

2.根据权利要求1所述的电弧增材制造修复方法，其特征在于：待修补母材适用的材料包括：钢、铝合金、铜合金或镁合金大体积缺损、形状规则的金属零件。

3.根据权利要求1所述的电弧增材制造修复方法，其特征在于：根据最终修复零件的服役性能要求，采用高强匹配原则选择修复材料以提高修复部分的材料强度，还可以采用等强匹配或低强匹配原则选择修复填充材料以提高修复部分的材料塑性和韧性。

4.根据权利要求1所述的电弧增材制造修复方法，其特征在于：所述增材制造修补过程可以采用机器人示教方式、机器人离线编程方式来实现，也可以采用多轴专机来实现。

5.根据权利要求1所述的电弧增材制造修复方法，其特征在于：该增材制造修复过程可采用熔化极气保焊、非熔化极气保焊以及等离子体焊接电弧为热源来实现。