CN109773404A - 一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，包括以下步骤：对壳体的破损缺口（2）进行处理，使破损缺口（2）成为光滑的规则形状缺口；建立规则形状缺口的CAD模型，将CAD模型转换为STL模型；对STL模型进行切片处理，并根据规则形状缺口的几何形状规划焊枪行走路径；调节增材制造参数并启动焊枪，焊枪开始按规划路径行走，同时输送焊丝，熔融焊丝逐层沉积在规则形状缺口处直至修复完毕。将电弧填丝增材制造成功运用到铝合金壳体的修补之中，通过机械加工将破损处加工成规则的几何形状再建立数字模型，规则的数字模型更容易规划出合理有效的行走路径，大大提高了修复的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，属于增材修复壳体破损的方法技术领域。
背景技术
增材制造(additive manufacturing)俗称“3D打印”是一种通过逐层累加原材料将虚拟数字模型转变为实体部件的新型材料加工方法。与传统的加工模式相比，增材制造具有精度高、加工周期短、成形个性化、材料多样性、成本低廉等特点。
增材制造思想最早起源于19世纪末美国一项分层构造地貌地形图的专利，直到1988年美国的3D Systems公司生产出了第一台3D打印装备SLA250，开创了3D打印技术发展的新纪元。1992年美国DTM公司的激光选区烧结装备研发成功，开启了3D打印技术发展热潮。目前已开发出的可用于增材制造的材料多达14类，其中金属增材制造是整个增材体系最为前沿和最具潜力的技术，是增材制造技术重要的发展方向。
增材制造除了加工一些零部件外，也被尝试应用在高性能成形修复方面。早在21世纪初激光选区熔化(SLM)技术对军用直升机上破损的钛合金构件进行了修复，而且比直接更换新构件节省了4万美元。现在每年利用激光熔敷修复涡轮叶片的产业已达到数千万美元。以激光和电子束为热源的增材制造对于小型精密零部件的修复有些得天独厚的优势，但也存在很多的局限性。以激光和电子束为热源的增材制造沉积效率较低约为10g/min，这限制了该技术在中大型部件修复上的应用，同时设备动辄上百万的价格也令人望而却步。
电弧增材制造(WAAM)以较快的沉积效率(10kg/h)、低廉的设备成本和较好的成形精度得到了越来越多的关注。特别对于铝合金材料的加工来讲，电弧增材制造能够避免激光在铝合金表面出现的高反光率的问题。本发明基于电弧增材制造的优势和使用激光熔敷修复铝合金壳体的不经济性，提出一种使用电弧增材制造修复铝合金壳体破损的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，以便能够经济、快速的修复壳体。
为达到上述目的，本发明提供一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，包括以下步骤：
步骤一：对壳体的破损缺口进行处理，使破损缺口成为光滑的规则形状缺口；
步骤二：建立规则形状缺口的CAD模型，将CAD模型转换为STL模型；
步骤三：对STL模型进行切片处理，并根据规则形状缺口的几何形状规划焊枪行走路径；
步骤四：调节增材制造参数并启动焊枪，焊枪开始按规划路径行走，同时输送焊丝，熔融焊丝逐层沉积在规则形状缺口处直至修复完毕。
优先地，对壳体的破损缺口进行切削加工和打磨处理，使破损缺口成为光滑的梯形缺口，梯形缺口底面与侧面的夹角不小于135°。
优先地，步骤三中所述的焊枪行走路径为：焊枪位于梯形缺口上方，焊枪在距离梯形缺口下底面边界线1mm-3mm处横向沉积第一层的第一道沉积层；完成第一层的第一道沉积层后，焊枪沿水平方向纵向平移第一道沉积层宽度的三分之二，然后焊枪开始沉积第一层的第二道沉积层，直至沉积层将梯形缺口底面铺满；在第一层的基础上按照沉积第一层的方式沉积第二层，每沉积完一层沉积层焊枪上升0.5mm直至达到设定的目标高度，目标高度大于等于梯形缺口的高度。
优先地，相邻两道沉积层的沉积方向相反，且焊枪沉积相邻两道沉积层之间的时间间隔为2min。
优先地，步骤四中的增材制造参数为：焊接热源选用TIG电弧，沉积电流为100A，沉积速度为250mm/min，送丝速度为2m/min,弧长为5mm，保护气体为99.9％的纯氩气，气体流量为15L/min。
优先地，焊丝选用与壳体同种材料的焊丝，焊丝直径为0.8mm。
本发明所达到的有益效果：
本发明克服了使用激光熔敷修复铝合金大型部件时出现的效率低下、设备昂贵等问题。在本发明中，将电弧填丝增材制造成功运用到铝合金壳体的修补之中，通过机械加工将破损处加工成规则的几何形状再建立数字模型，能够有效避免通过使用三维扫描仪扫描不规则缺建立数字模型时准确度差的问题，而且规则的数值模型更容易规划出合理有效的行走路径，大大提高了修复的准确性。
附图说明
图1是本发明中待修复壳体的示意图；
图2是本发明修复时的结构图。
其中：1-壳体；2-破损缺口；3-梯形缺口；4-焊枪行走路径；5-焊枪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，包括以下步骤：
步骤一：对壳体的破损缺口2进行处理，使破损缺口2成为光滑的规则形状缺口；
将破损缺口2切削、打磨成规则的几何形状，可以提高所建模型的准确性，同时使规划的行走路径更加简单有效，减小修复困难和提高修复效果；TIG焊枪喷嘴的直径为10mm，这限制了钨针在缺口底面靠近规则形状缺口侧面的距离，致使钨针到喷嘴这么长的距离无法沉积到金属，达不到补缺的目的，所以将规则形状缺口处理成等腰梯形缺口、规则形状缺口得侧面加工成与规则形状缺口的底面夹角大于135°，此时钨针到喷嘴距离、钨针到规则形状缺口底面距离和规则形状缺口的侧面成直角三角形，钨针就能到达底面靠近侧面的位置，从而达到在整个底面沉积铝合金。
步骤二：建立规则形状缺口的CAD模型，将CAD模型转换为STL模型；
步骤三：对STL模型进行切片处理，并根据规则形状缺口的几何形状规划焊枪行走路径；
步骤四：调节增材制造参数并启动焊枪，焊枪开始按焊枪行走路径行走，同时输送焊丝，焊枪熔融焊丝逐层沉积在规则形状缺口处直至修复完毕。
进一步地，对壳体的破损缺口2进行切削加工和打磨处理，使破损缺口2成为光滑的梯形缺口3，梯形缺口3底面与侧面的夹角不小于135°；梯形缺口3为倒置的等腰梯形。
将破损处2切削、打磨成规则的梯形缺口，可以提高所建模型的准确性，同时使规划的行走路径更加简单有效，减小修复困难和提高修复效果；TIG焊枪喷嘴的直径为10mm，这限制了钨针在梯形缺口底面靠近梯形缺口侧面的距离，致使钨针到喷嘴这么长的距离无法沉积到金属，达不到补缺的目的，所以梯形缺口的两侧面与底面的夹角都大于135°，钨针就能到达底面靠近侧面的位置，从而达到在整个底面沉积铝合金。
进一步地，步骤三中所述的焊枪行走路径为：焊枪位于梯形缺口3上方，焊枪在距离梯形缺口3下底面边界线1mm-3mm处横向沉积第一层的第一道沉积层；完成第一层第一道沉积层后，焊枪沿水平方向纵向平移第一道沉积层宽度的三分之二，然后焊枪进行沉积第二道沉积层，直至铺满梯形缺口底面；在第一层的基础上按照沉积第一层的方式沉积第二层，每沉积完一层沉积层焊枪上升0.5mm直至达到设定的目标高度，目标高度大于等于梯形缺口的高度。
进一步地，相邻两道沉积层的沉积方向相反，且焊枪沉积相邻两道沉积层之间的时间间隔2min。考虑到起弧端与熄弧端由于电弧力不同存在高度差距，所以需要不断改变起弧端与熄弧端位置来相互弥补；连续沉积时，过多的热量无法散失，容易使熔池金属向外流淌而脱离特定的行走路径，影响修复效果，所以两道沉积层之间设置等待时间为2min。
进一步地，步骤四中的增材制造参数为：焊接热源选用TIG电弧，沉积电流为100A，沉积速度为250mm/min，送丝速度为2m/min,弧长为5mm，保护气体为99.9％的纯氩气，气体流量为15L/min。
进一步地，焊丝选用与壳体同种材料的焊丝，焊丝直径为0.8mm。
如图1所示，尺寸为100cm×100cm×50cm的长方体形铝合金壳体一面边界处发生破损，壳体壁厚为12mm，现采用本发明提出的电弧增材制造对破损处进行修复，具体步骤如下：
步骤一：对破损处进行铣削加工和打磨处理，使之成为光滑的梯形缺口；梯形缺口尺寸为：底面为100mm×12mm矩形，梯形高为48mm，两侧面与底面夹角为135°；
步骤二：建立梯形缺口的CAD模型，并转换为STL模型；
步骤三：使用现有技术中的分层切片软件例如3DAutomate软件对STL模型进行切片处理，并根据模型几何形状自动规划焊枪行走路径：在距离梯形缺口3下底面边界2mm处横向沉积第一层的第一道沉积层，焊枪纵向水平平移第一道沉积层宽度的三位之二距离，开始沉积第一层的第二道沉积层，第二道沉积层完成后采用相同方式沉积第三道沉积层，第一层共沉积 3道沉积层；焊枪上升0.5mm，在第一层上开始沉积第二层的第一道沉积层，重复此步骤完成修复；其中任意相邻两道沉积层的沉积方向相反，且两道沉积层之间间隔2min；
步骤四：调节增材制造参数：焊接热源选用TIG电弧，沉积电流为100A，沉积速度为250mm/min，送丝速度为2m/min,弧长为5mm，保护气体为99.9％的纯氩气，气体流量为15L/min；启动程序，焊枪开始按规划路径行走，同时输送铝合金焊丝，铝合金焊丝选用与铝合金壳体同种材料的ER5356焊丝，焊丝直径为0.8mm；熔融的焊丝逐层沉积直至修复完毕，最后使用打磨机将修复处打磨平整。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对壳体的破损缺口（2）进行处理，使破损缺口（2）成为光滑的规则形状缺口；
步骤二：建立规则形状缺口的CAD模型，将CAD模型转换为STL模型；
步骤三：对STL模型进行切片处理，并根据规则形状缺口的几何形状规划焊枪行走路径；
步骤四：调节增材制造参数并启动焊枪，焊枪开始按规划路径行走，同时输送焊丝，熔融焊丝逐层沉积在规则形状缺口处直至修复完毕。
2.据权利要求1所述的一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，其特征在于：对壳体的破损缺口（2）进行切削加工和打磨处理，使破损缺口（2）成为光滑的梯形缺口（3），梯形缺口（3）底面与侧面的夹角不小于135°。
3.据权利要求2所述的一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，其特征在于：步骤三中所述的焊枪行走路径为：焊枪位于梯形缺口（3）上方，焊枪在距离梯形缺口（3）下底面1mm-3mm处横向沉积第一层的第一道沉积层；完成第一层的第一道沉积层后，焊枪沿水平方向纵向平移第一道沉积层宽度的三分之二，然后焊枪开始沉积第一层的第二道沉积层，直至沉积层将梯形缺口底面铺满；在第一层的基础上按照沉积第一层的方式沉积第二层，每沉积完一层沉积层焊枪均上升0.5mm直至达到设定的目标高度，目标高度大于等于梯形缺口（3）的高度。
4.据权利要求3所述的一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，其特征在于：相邻两道沉积层的沉积方向相反，且焊枪沉积相邻两道沉积层之间的时间间隔为2min。
5.据权利要求1所述的一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，其特征在于：步骤四中的增材制造参数为：焊接热源选用TIG电弧，沉积电流为100A，沉积速度为250mm/min，送丝速度为2m/min,弧长为5mm，保护气体为99.9%的纯氩气，气体流量为15L/min。
6.据权利要求1所述的一种使用电弧增材制造修复壳体破损的方法，其特征在于：焊丝选用与壳体同种材料的焊丝，焊丝直径为0.8mm。
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