CN110653454A - 一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置 - Google Patents

一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置 Download PDF

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Abstract

一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于包括，基板、六轴机器人、喷枪、连接支架、喷枪，所述焊枪和喷枪通过连接支架安装在六轴机器人上，通过六轴机器人的转动带动连接支架进行转动，从而控制焊枪和喷枪对基板进行增材和喷砂操作，用于将沉积层表面的黑灰和氧化物去除的同时对铝合金沉积层表面进行表面硬化，进而提高铝合金增材制造零件力学性能，并且能够快速移植焊机增材程序到喷砂程序，大大缩短了程序设计时间，具有很强的应用前景。

Description

一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置。
背景技术
增材制造的原理为根据在三维软件上获得的CAD数据模型进行切片处理，将三维模型转换成二维截面，通过热源对二维截面进行逐层扫描，利用逐层积累的方法成形出需要的实体零件，“分层制造”是增材制造的主要制造思路。与传统的减材制造技术相比，增材制造技术属于一种“自下而上”的制造方法，它涉及CAD技术、分层制造技术、数控技术、逆向工程技术、材料学、焊接等方面。在现有技术中，CN109530851A中公开了一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，首先，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；该方法能够提高电弧增材材料的利用率，缩短电弧增材制造周期。该方法所解决的技术问题是实现了水平悬空结构提高了电弧增材材料的利用率。CN109332860A公开了一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材制造方法，该方法是在钛合金结构表面利用电弧增材制造的方法先实现铝合金与钛合金的连接，然后再完成铝合金结构的成形。利用铝合金与钛合金熔点差别大的特点，使用钨极氩弧作为热源加热铝合金焊丝使之熔化并与钛合金形成连接，然后再利用增材制造的方法制备铝合金结构，最终形成铝合金/钛合金的复合结构。该方法解决的技术问题是在有效减少连接界面金属间化合物层的厚度的同时也提高了接头的力学性能。CN107803503A中公开了一种采用激光诱导电弧增材制造技术制备复杂高强度铝合金的方法，采用雾化制粉法分别对铝、镁、锌、铜以及锆与钪制粉；粉末按比例混合，将高强铝合金轧制成管状，将粉末填充至管状高强铝合金的管芯中，制得铝合金药芯铝丝；建立零件三维模型并导入到激光诱导电弧增材制造成形设备中；将铝合金药芯铝丝导至焊枪中，在激光诱导电弧下熔化铝合金药芯铝丝，机器人按照分层路径轨迹，在基板上进行复杂高强铝合金的成形；将零件从基板上分离，再将零件置于马弗炉中进行退火、固溶强化和时效处理；该方法所解决的技术问题是快速准确的增材结构形状复杂的高强铝合金零部件。上述现有技术并未涉及到增材过程中形成的表面浮尘和氧化物的去除问题。
对于5xxx铝合金，在熔化极电弧增材的过程中由于5xxx系铝合金中的镁元素在电弧增材过程中高温气化，极易在焊道表面和边缘部位凝结成黑色的烟尘，在铝合金电弧多层沉积的过程中，黑色的烟尘会影响下一层的沉积组织和力学性能，进而对5xxx系铝合金增材制造零件的成型质量造成影响，在电弧增材领域，尤其针对5xxx系铝合金电弧增材过程需要针对每一层进行表面氧化物和黑色烟尘的去除，这个过程大大降低了增材制造沉积效率，因此亟待需要一种能够自动清除表面浮尘和氧化物的装置去代替人工进而提高生产效率。
申请人专门针对5xxx系铝合金电弧增材的工艺和方法进行了大量的实验研究，在实验研究过程中，为清除在增材过程中形成的表面浮尘和氧化物时，创造性的采用了喷砂的方式进行处理，在实验研究和数据分析的过程中申请人还发现，经过喷砂处理的焊缝表面粗糙度明显提高，表面残余应力明显降低，可见，将喷砂技术引入电弧增材5xxx系铝合金中在起到了去除增材表面的氧化膜的同时对增材零件的力学性能也产生了影响，基于上述内容，申请人喷砂技术引入电弧增材5xxx系铝合金中进行了实验设计和研究，在此基础上，本发明的提供了一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置。
发明内容
一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于包括，基板、六轴机器人、喷枪、连接支架、喷枪，所述焊枪和喷枪通过连接支架安装在六轴机器人上，所述连接支架包括第一连接板和第二连接板，第一连接板一端为平直端，另一端为半圆形，在半圆形一端设置有喷枪安装位，所述第一连接板的喷枪安装位为圆形通孔，喷枪通过喷枪安装位的以法兰的方式固定在连接支架的第一连接板上，第二连接板一端为等边三角形的两端面，另一端为半圆形，在半圆形一端设置有焊枪安装位，所述第二连接板的焊枪安装位为圆形通孔，焊枪通过焊枪安装位的一面以法兰的方式固定在连接支架的第二连接板上，焊枪安装位的另一面通过安装法兰盘固定连接六轴机器人，用于将沉积层表面的黑灰和氧化物去除的同时对铝合金沉积层表面进行表面硬化，进而提高铝合金增材制造零件之力学性能，第一连接板的平直端与第二连接板的等边三角形两端面的其中一个端面以两个连接板的板面相互垂直的方式连接。所述两个连接板的内夹角之间设置加强筋用来加强固定两个连接板的连接。通过六轴机器人的转动带动连接支架进行转动，从而控制焊枪和喷枪对基板进行增材和喷砂操作。
作为本发明的一种优选方案，所述焊枪所连接的焊机为具有Mig功能的焊机，增材制造零件的焊接参数为：移动速度0.010-0.016m/s，送丝速度为6-10m/min，电压为20-30V。
作为本发明的一种优选方案，所述六轴机器人为带有安装法兰盘的普通六轴焊接机器人。
作为本发明的一种优选方案，所述喷枪喷嘴为圆形，直径为8-12mm。
作为本发明的一种优选方案，所述喷枪安装在连接支架上的位置不与机器人相互干涉。
作为本发明的一种优选方案，增材制造铝合金表面喷砂为80-100目的棕刚玉砂，喷砂前对砂砾进行水洗。
作为本发明的一种优选方案，喷砂时喷嘴距离增材零件100-200mm，并且调整喷嘴角度使得喷砂喷射方向与零件表面的法线方向呈10°-25°。
作为本发明的一种优选方案，喷枪上的喷嘴为可更换设计，当喷嘴直径扩大20%时，应及时更换。
作为本发明的一种优选方案，为保证喷砂效果，喷枪采用的空气压力为0.6-0.8Mpa。
一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理方法具体包括如下步骤：
S1：对机器人进行编程，并通过机器人控制焊枪工作，焊枪从基板一定点开始，电弧增材零件一层；
S2：增材一层后，焊接机器人关节轴旋转，并将喷枪的喷嘴对准沉积层的S1所述一定点位置并执行S1所述机器人程序，执行S1的同时打开喷枪使得喷枪对所述S1增材制造得的一层沉积层进行喷砂处理；
S3：喷砂处理后重复S1，直至完成增材制造零件的制造。
本发明的有益效果为：
（1）创新性地将喷砂工艺引入到增材制造领域中，尤其是5xxx系铝合金电弧增材制造领域。
（2）有效的去除了5xxx系铝合金电弧增材过程中所产生的氧化物和黑色烟尘。
（3）通过5xxx系铝合金电弧增材过程中喷砂处理，增加增材零件的抗拉强度。
（4）选用喷砂装置对增材零件表面进行处理，这种方式对生产环境的要求低，并且喷砂装置和喷砂耗材价格低廉。
（5）通过六轴机器人同时连接焊枪和喷枪，使得焊接增材和喷砂工作无缝连接，保证了增材处理的效率。
附图说明
图1为本发明的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置增材位示意图；
图2为本发明的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置安装示意图；
图3为本发明的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置喷砂位示意图；
图4为本发明的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置增材位示意图；
图5为本发明的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置连接支架示意图；
图6为5xxx系铝合金电弧增材过程中产生的表面黑灰；
图7为5xxx系铝合金电弧增材表面处理后的薄壁。
图中，1、基板，2、增材制造零件，3、焊枪， 4、连接支架，41、喷枪安装位，42、焊枪安装位，43、第一连接板，44、第二连接板，5、喷枪，51、喷嘴，6、安装法兰盘。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
结合附图1-5，一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于包括，基板1、六轴机器人、喷枪3、连接支架4、喷枪5，所述焊枪3和喷枪5通过连接支架4安装在六轴机器人上，所述连接支架4包括第一连接板43和第二连接板44，第一连接板43一端为平直端，另一端为半圆形，在半圆形一端设置有喷枪安装位41，所述第一连接板43的喷枪安装位41为圆形通孔，喷枪5通过喷枪安装位41的以法兰的方式固定在连接支架4的第一连接板43上，第二连接板44一端为等边三角形的两端面，另一端为半圆形，在半圆形一端设置有焊枪安装位42，所述第二连接板44的焊枪安装位42为圆形通孔，焊枪3通过焊枪安装位42的一面以法兰的方式固定在连接支架4的第二连接板44上，焊枪安装位42的另一面通过安装法兰盘6固定连接六轴机器人，用于将沉积层表面的黑灰和氧化物去除的同时对铝合金沉积层表面进行表面硬化，进而提高铝合金增材制造零件之力学性能，第一连接板43的平直端与第二连接板44的等边三角形两端面的其中一个端面以两个连接板的板面相互垂直的方式连接，所述两个连接板的内夹角之间设置加强筋用来加强固定两个连接板的连接。通过六轴机器人的转动带动连接支架4进行转动，从而控制焊枪3和喷枪5对基板1进行增材和喷砂操作。
优选的，所述焊枪3所连接的焊机为具有Mig功能的焊机，增材制造零件的焊接参数为：移动速度0.010-0.016m/s，送丝速度为6-10m/min，电压为20-30V。
优选的，所述六轴机器人为带有安装法兰盘的普通六轴焊接机器人。
优选的，所述喷枪喷嘴51为圆形，直径为8-12mm，匹配焊道宽度的同时节省喷砂喷料。
优选的，所述喷枪5安装在连接支架4上的位置不与机器人相互干涉，保证使用安全。
优选的，增材制造铝合金表面喷砂为80-100目的棕刚玉砂，喷砂前对砂砾进行水洗，这样能保证砂砾不粘结在增材零件表面防止引入杂质。
优选的，为保证喷砂效果，喷砂时喷嘴51距离增材零件100-200mm，并且调整喷嘴角度使得喷砂喷射方向与零件表面的法线方向呈15°。
优选的，喷枪5上的喷嘴51为可更换设计，当喷嘴51直径扩大20%时，应及时更换。
优选的，为保证喷砂效果，喷枪采用的空气压力为0.6-0.8Mpa，0.6-0.8Mpa压力范围可以保证铝合金增材制造表面精度的同时，对每一层铝合金增材制造零件表面进行强化处理，虽然喷丸能够大大提高金属材料表面硬度，但同时使得铝合金表面更粗糙，不适用在铝合金增材制造领域。
一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置使用方法为：
S1：对机器人进行编程，并通过机器人控制焊枪3工作，焊枪3从基板1的一定点开始，电弧增材零件一层；
S2：增材一层后，焊接机器人关节轴旋转，并将喷枪5的喷嘴51对准沉积层的S1所述一定点位置并执行S1所述机器人程序，执行S1的同时打开喷枪使得喷枪对所述S1增材制造得的一层沉积层进行喷砂处理；
S4：喷砂处理后重复S1，直至完成增材制造零件2制造。
实施例1：
选择增材制造5xxx系铝合金薄壁作为增材材料即增材制造零件2，选用6061铝合金基板1，选择一块较大的6061铝合金基板1，裁成6个尺寸相同的基板1，基板1尺寸为150*150*18mm，增材制造图6形式的薄壁件时，调节焊枪3位置使得增材薄壁件位置处于基板1上方位置，焊枪设置为上述优选焊接参数进行增材作业，每增材一层后，机器人控制喷砂喷管5均对当前增材制造零件2表面进行喷砂处理，喷砂时机器人控制喷管嘴5与增材材料的距离，并且调整喷嘴角度使得喷砂喷射方向与零件表面的法线方向呈一定角度，喷砂完成后机器人控制焊枪3继续进行增材程序，如此往复使得每层增材层都能受到喷砂处理，由此，分别对6块基板1行上述增材方法。
具体操作参数如下：
所述焊枪3所连接的焊机为具有Mig功能的焊机，增材制造零件2的焊接参数为：移动速度0.010m/s，送丝速度为10m/min，电压为20V。
所述喷枪喷嘴51为圆形，直径为10mm，匹配焊道宽度的同时节省喷砂喷料。
增材制造铝合金表面喷砂为80目的棕刚玉砂，喷砂前对砂砾进行水洗。
所述喷砂时喷嘴51距离增材零件120mm，并且调整喷嘴角度使得喷砂喷射方向与零件表面的法线方向呈15°。
当喷嘴51直径扩大20%时，应及时更换。
所述喷枪采用的空气压力为0.7Mpa。
如图7即为增材制造过程中采用逐层表面喷砂处理方法得到的增材薄壁样本，由图7可观察到增材薄壁侧壁没有黑色的烟尘，增材薄壁表面厚度均匀，成形质量大幅度提高。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于包括，基板（1）、六轴机器人、喷枪（3）、连接支架（4）、喷枪（5），所述焊枪3和喷枪5通过连接支架（4）安装在六轴机器人上，通过六轴机器人的转动带动连接支架4进行转动，从而控制焊枪3和喷枪5对基板1进行增材和喷砂操作。
2.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于，所述连接支架4包括第一连接板43和第二连接板44，第一连接板43一端为平直端，另一端为半圆形，在半圆形一端设置有喷枪安装位41，所述第一连接板43的喷枪安装位41为圆形通孔，喷枪5通过喷枪安装位41的以法兰的方式固定在连接支架4的第一连接板43上，第二连接板44一端为等边三角形的两端面，另一端为半圆形，在半圆形一端设置有焊枪安装位42，所述第二连接板44的焊枪安装位42为圆形通孔，焊枪3通过焊枪安装位42的一面以法兰的方式固定在连接支架4的第二连接板44上，焊枪安装位42的另一面通过安装法兰盘6固定连接六轴机器人，第一连接板43的平直端与第二连接板44的等边三角形两端面的其中一个端面以两个连接板的板面相互垂直的方式连接。
3.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于：所述焊枪所连接的焊机为具有Mig功能的焊机。
4.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于：所述六轴机器人为带有安装法兰盘的普通六轴焊接机器人。
5.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于：所述喷枪喷嘴为圆形，直径为8-12mm。
6.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于：所述喷枪安装在连接支架上的位置不与机器人相互干涉。
7.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于：增材制造铝合金表面喷砂为80目的棕刚玉砂，喷砂前对砂砾进行水洗。
8.按照权利要求1所述的一种5xxx系铝合金电弧增材表面处理装置，其特征在于：喷枪上的喷嘴为可更换设计，当喷嘴直径扩大20%时，应及时更换。
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