CN110216380B - 一种预置焊丝后重熔的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，通过将待加工零件的增材制造三维模型进行分层和切条处理，再将金属焊丝按照切条处理的结果剪切后预置在基体上形成预置层，将预置金属焊丝重熔后形成该分层，然后重复切条、预置焊丝、重熔等步骤，逐层按该层的切条处理预置焊丝，再重熔后形成相应的分层；如此循环逐层重熔累积成形出相应尺寸的零件模型，能够有效控制沉积层的层高和几何尺寸，可提高零件的成形精度，降低金属零件增材制造的成本，避免金属粉末造成的污染，材料利用率高，且能够进行复杂结构零件的增材制造。

Description

一种预置焊丝后重熔的增材制造方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种预置焊丝后重熔的增材制造方法。

背景技术

现在，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术受到各国的青睐和重视，也是我国制造业发展和科学研究的重点。当前，非金属增材制造领域，光固化、熔融沉积成形（FDM）等3D打印技术比较成熟，用于光敏树脂和PLA等非金属材料的增材制造已经开始普及。金属增材制造领域，以激光或电子束为热源、以金属粉末为材料通过增材制造的金属零件也有应用在航空航天和汽车等领域中；但这些设备都比较昂贵，金属粉末的成本也很高。以金属焊丝为添加材料的净近成形增材制造方法受到重视，采用电弧为热源、金属焊丝为材料的低成本的电弧增材制造是当今研究的热点。

但现有的以金属焊丝为添加材料的金属增材制造技术还存在以下问题：（1）以金属焊丝为添加材料的增材制造都是在热源加热的同时不断向熔池送金属焊丝，在每个位置的送丝量、热源加热形成的熔池大小等都会直接影响该位置的成形尺寸、分层的成形尺寸以及整个零件的成形尺寸；而在实际中，送丝量随着热源位置的移动不断变化，甚至有飞溅现象，送丝精度较低导致累积成形后零件尺寸的误差较大；（2）在连续热源输入和连续送丝情况下可获得连续稳定的熔池，但会导致使热输入量较大，基体处于过热状态，熔池容易出现坍塌，不能制造结构复杂的零件；还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。（3）为降低热输入采用冷焊增材制造的方法，其热源是断续的且熔池存在时间很短，造成送丝量的控制更加困难。

成形精度比较高的增材制造方法大都是预置材料后再固化或烧结。例如：非金属制造领域，光固化立体成型（SLA）等光固化成形技术是将预置在成形位置上的光敏树脂用紫外光进行选择性照射后固化成形；金属增材制造领域，选择性激光烧结（SLS）是将金属粉末预先铺好，然后用激光在成形位置选择性照射后烧结成形；分层实体制造技术（LOM）是将片材按照分层形状切割处理后铺在相应位置，逐层铺设粘接后形成零件。然而，SLS方法采用的是金属粉末，制造成本较高且容易产生粉尘污染，而LOM方法的材料利用率较低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，该方法利用金属焊丝形成预置焊丝层后再进行重熔，成形精度高、无金属粉末污染、材料利用率高，且能够制造复杂结构零件。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，包括以下步骤：

（1）建立待加工零件的增材制造三维模型，并对该三维模型进行分层处理；

（2）对单个分层进行切条处理；

（3）按切条处理预置焊丝，形成预置焊丝层；

（4）对步骤（3）形成的预置焊丝层进行重熔，形成一体的分层；

（5）重复上述步骤（2）-（4），从下往上逐层对各分层进行切条处理、预置焊丝及重熔，直至所有分层完成，累积成形得到相应尺寸的零件模型；

（6）对零件模型进行机械加工，就可获得所需要的零件。

步骤（3）中预置焊丝的过程具体为：切条处理后，按照每个切条所对应的长度加工出相应长度的焊丝，放置在相应的位置并固定焊丝，逐条预置焊丝后形成预置焊丝层。

根据分层厚度和切条的宽度选择相应截面尺寸的焊丝，所述焊丝的截面形状为圆形或矩形。

具体地，固定焊丝的方法为粘接、电阻点焊或激光点焊。

一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，包括以下步骤：

（1）建立待加工零件的增材制造三维模型，并对该三维模型进行分层处理；

（2）对各个分层分别进行切条处理；

（3）对单个分层按切条处理进行预置焊丝，形成预置焊丝层；

（4）从下往上逐层对各分层进行预置焊丝，每个分层预置焊丝后先不重熔，待各分层都预置焊丝完成后再整体烧结或重熔，得到相应尺寸的零件模型；

（5）对零件模型进行机械加工，就可获得所需要的零件。

步骤（3）中预置焊丝的过程具体为：切条处理后，按照单个分层中每个切条所对应的长度加工出相应长度的焊丝，放置在相应的位置并固定，逐条预置焊丝后形成预置焊丝层。

具体地，根据分层厚度和切条的宽度选择相应截面尺寸的焊丝，所述焊丝的截面形状为圆形或矩形。

具体地，步骤（1）中采用可变层厚进行分层处理。

具体地，待加工零件具有悬垂结构或桥接结构时，利用预置焊丝对上层的悬垂结构或悬空的桥接结构进行支撑，只起支撑作用的预置焊丝不进行重熔，在制造后进行去除。

具体地，采用高能脉冲冷焊或激光加热的方法进行重熔，重熔时热源的移动路径为先重熔外轮廓和内轮廓，对填充区采用平行扫描和分层变向复合扫描的方式规划路径，具有一定悬垂角度的棱边、棱角最后进行重熔。

有益效果

（1）本发明将每个分层每个位置所需的材料预置在该位置，然后加热重熔后形成一体，与边加热边添加焊丝的金属增材制造方法相比，避免了送丝不均匀和熔池不均匀造成的误差，能够有效控制每个分层的层高和几何尺寸，提高了增材制造零件的成形精度。

（2）本发明采用金属焊丝，与预置金属粉末后烧结或重熔的方法相比，避免了金属粉末的污染，降低了生产成本。

（3）本发明采用金属焊丝预置成焊丝层，事先依据分层中切条的长度切割相应长度的焊丝，与采用片材切割后逐层铺设粘接的方法相比，材料利用率高。

（4）本发明先预置焊丝后重熔，底层预置的焊丝对上层的熔池有支撑作用，熔池不易坍塌，对于制造不同悬垂角度甚至桥接结构的零件时，预置的焊丝不进行重熔可作为悬空结构的支撑，在制造后也比较容易去除掉这些支撑，所以该方法能够增材制造结构比较复杂的零件。

本发明提出的的预置焊丝后重熔的增材制造方法的最大特点是先预置焊丝后再重熔形成分层，可降低金属零件增材制造的成本，提高零件的成形精度，能够进行复杂结构零件的增材制造。

附图说明

图1是本发明预置焊丝后重熔的增材制造方法的流程图；

图2 是切条处理后预置焊丝的流程图；

图3是不同截面形状焊丝预置后所形成的分层；

图4是本发明对悬垂结构和桥接结构的成形示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

本发明提供的增材制造方法，采用预置焊丝后重熔的方法进行增材制造，如图1所示，该方法包括以下步骤：

（1）：首先对需要加工的零件按增材制造的工艺要求建立增材制造所需的三维模型，然后对该三维模型进行分层处理；

（2）：对每一层进行切条处理；

（3）先对第一层按每个切条所对应的长度加工出相应长度的焊丝，将焊丝放置在相应的位置并与基体固定，逐条预置焊丝后形成预置焊丝层；

（4）对预置焊丝层进行加热重熔，形成一体的分层；

（5）然后重复上述步骤2-4的方法，从下往上逐层对个分层进行切条处理、预置焊丝以及重熔后形成相应的分层；如此循环逐层预置焊丝后重熔形成分层，逐层重熔累积成形出相应尺寸的零件模型；

（6）最后对增材制造的近净成形的零件进行机械加工，就可获得所需要的零件。

在对零件的增材制造三维模型进行分层处理时，层厚越薄，成形精度越高，但效率越低，实际加工中可根据零件的形状和成形精度的要求采用可变层厚进行分层，对不同部位、不同形状以及不同精度采用不同的层厚进行分层，以兼顾成形精度和加工效率。

切条处理后逐条预置焊丝的流程图如图2所示，切条处理后，按照该层每个切条所对应的长度剪切加工出相应长度的焊丝，放置在与切条相应的位置，并固定焊丝，重复以上剪切焊丝、放置焊丝、固定焊丝的步骤，逐条预置焊丝后，形成预置焊丝层。

预置焊丝的截面尺寸需要根据分层厚度和切条的宽度进行选择，焊丝截面尺寸越小成形精度越高，但同时会导致切条条数越多，预置的效率会降低，实际加工中需考虑成形精度和预制效率均衡进行选择。

焊丝的截面形状通常有圆形和矩形两种，使用时各有利弊，选择不同截面形状焊丝预置后所形成的分层如图3所示。图3（a）为截面为圆形焊丝的预置焊丝层，圆形截面形状的焊丝价格比较优惠，在市场上比较容易获得，但焊丝直径比重熔后焊层的厚度大，需要较大热源功率，还需要将底部间隙填充满，焊层重熔后的精度受到工艺和热源的影响大，精度不高；图3（b）是截面为矩形焊丝的预置焊丝层，矩形截面的焊丝厚度与层厚一致，重熔后层厚的成形精度较高，但这种焊丝制造困难，成本高。

预置焊丝后，对焊丝进行重熔的方法可采用高能脉冲冷焊方法（即脉冲钨极氩弧焊），也可采用激光加热重熔的方法；若采用高能脉冲冷焊的方法来重熔可减小热输入量和零件的热变形，降低热应力并提高增材制造零件的成形精度；若采用激光进行重熔的话可确保每个分层成形精度，从而确保零件整体的成形精度。

重熔时热源的移动路径可以是先重熔外轮廓和内轮廓，对填充区可采用平行扫描和分层变向等复合扫描方式规划路径，而具有一定悬垂角度的棱边、棱角等最后重熔。

本发明采用预置焊丝后重熔的方法进行增材制造，适用于加工形状较为复杂的零件，以悬垂结构和桥接结构为例，如图4所示，能够制造不同悬垂角度的结构，例如悬垂角度为45°、60°等，甚至悬垂角度为90°的桥接结构的零件，图4（a）为悬垂角度为45º 时预置焊丝的示意图，图4（b）为悬垂角度为60º时预置焊丝的示意图，图4（c）是桥接结构的预置焊丝的示意图；加工时，先按倾斜的角度将焊丝预置后再重熔，此时，底层预置的焊丝对上层的熔池有支撑作用，可防止熔池坍塌；另外，对于零件中的悬空部位，加工时还可以利用预置焊丝进行支撑，用于支撑悬空部位的预置焊丝不进行重熔，在制造完成后比较容易去除掉这些支撑，对零件形状无影响。因此，相比金属粉末成形、边加热边送丝或分层实体制造技术（LOM）的成形方法，本发明在加工复杂结构的零件时更有优势，加工方便、熔池稳定不易坍塌，材料利用率高，成型精度高。

实施例二

上述列举的实施例一是逐层进行预置焊丝和重熔，各分层逐层按照切条处理-预置焊丝-重熔的步骤循环进行，即在一个分层进行预置焊丝重熔后再进行新的一层的预置焊丝和重熔。而在在接下来的实施例二中，每个分层预置焊丝后先不重熔，等各分层都预置完成后再整体烧结或重熔，包括以下步骤：

（1）建立待加工零件的增材制造三维模型，并对该三维模型进行分层处理；

（2）对各个分层分别进行切条处理；

（3）对单个分层按切条处理进行预置焊丝，形成预置焊丝层；

（4）从下往上逐层对各分层进行预置焊丝，每个分层预置焊丝后先不重熔，待各分层都预置焊丝完成后再整体烧结或重熔，得到相应尺寸的零件模型；

（5）对零件模型进行机械加工，就可获得所需要的零件。

即各分层全部预置焊丝完成后再整体放入热等静压炉中进行加压加热烧结，或整体进行重熔，相当于整体预置成形后整体烧结或重熔，该方法也能提高零件成形精度并减少热应力。本实施例二与实施例一的不同之处仅在于：各分层都预置完成后再整体烧结或重熔，其他未提之处及细节之处均可与前述实施例一相同。

本发明提供的增材制造方法，能够有效控制沉积层的层高和几何尺寸，可降低金属零件增材制造的成本，提高零件的成形精度，能够进行复杂结构零件的增材制造。

Claims (8)

1.一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立待加工零件的增材制造三维模型，并对该三维模型进行分层处理；

（2）对单个分层进行切条处理；

（3）按切条处理预置焊丝，形成预置焊丝层，具体为：切条处理后，按照每个切条所对应的长度加工出相应长度的焊丝，放置在相应的位置并固定焊丝，逐条预置焊丝后形成预置焊丝层；

（4）对步骤（3）形成的预置焊丝层进行重熔，形成一体的分层；

（5）重复上述步骤（2）-（4），从下往上逐层对各分层进行切条处理、预置焊丝及重熔，直至所有分层完成，累积成形得到相应尺寸的零件模型；

（6）对零件模型进行机械加工，就可获得所需要的零件。

2.如权利要求1所述的一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，根据分层厚度和切条的宽度选择相应截面尺寸的焊丝，所述焊丝的截面形状为圆形或矩形。

3.如权利要求1所述的一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，固定焊丝的方法为粘接、电阻点焊或激光点焊。

4.一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立待加工零件的增材制造三维模型，并对该三维模型进行分层处理；

（2）对各个分层分别进行切条处理；

（3）对单个分层按切条处理进行预置焊丝，形成预置焊丝层，具体为：切条处理后，按照单个分层中每个切条所对应的长度加工出相应长度的焊丝，放置在相应的位置并固定，逐条预置焊丝后形成预置焊丝层；

（4）从下往上逐层对各分层进行预置焊丝，每个分层预置焊丝后先不重熔，待各分层都预置焊丝完成后再整体烧结或重熔，得到相应尺寸的零件模型；

（5）对零件模型进行机械加工，就可获得所需要的零件。

5.如权利要求4所述的一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，根据分层厚度和切条的宽度选择相应截面尺寸的焊丝，所述焊丝的截面形状为圆形或矩形。

6.如权利要求1或4所述的一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，步骤（1）中采用可变层厚进行分层处理。

7.如权利要求1或4所述的一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，待加工零件具有悬垂结构或桥接结构时，利用预置焊丝对上层的悬垂结构或悬空的桥接结构进行支撑，只起支撑作用的预置焊丝不进行重熔，在制造后进行去除。

8.如权利要求1或4所述的一种预置焊丝后重熔的增材制造方法，其特征在于，采用高能脉冲冷焊或激光加热的方法进行重熔，重熔时热源的移动路径为先重熔外轮廓和内轮廓，对填充区采用平行扫描和分层变向复合扫描的方式规划路径，具有一定悬垂角度的棱边、棱角最后进行重熔。

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