CN110773838A - 一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，涉及多层点阵夹芯板制造技术领域，包括以下步骤：斜杆制造：送丝机送出丝材，丝材的端部戳到基板熔池，通过焊枪对丝材加热使其熔断堆积；芯体制造：按顺序制造多根斜杆，多根斜杆的顶部相互靠近；点阵夹芯接头的连接：通过焊枪预热斜杆端部，从而使得多根斜杆的端部都呈现熔融状态，形成接头节点；连接上面板：在上面板上进行开孔，通过机床带动焊枪沿着圆周轨迹运动，使丝材对连接处进行堆焊；重复上述步骤1)‑4)。本发明工艺流程简单，可以灵活控制结构尺寸，进行大批量生产，极大降低了大尺寸金属多层点阵板的制造成本；节点连接也更加牢靠，点阵夹芯板的完整性更高。

Description

一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法

技术领域

本发明涉及多层点阵夹芯板制造技术领域，特别是涉及一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法。

背景技术

随着航空航天的飞速发展，对材料的性能要求越来越高，多层点阵夹芯板因其轻质、高比强度、高比刚度、抗爆性好受到国内外越来越多的关注。传统的大尺寸金属多层点阵夹芯板制造最常见的是熔模铸造和冲孔网冲压—钎焊。熔模铸造具体工艺过程是：先用聚酯做成单层带有定位孔的聚酯牺牲模，然后在树脂芯模的外部包覆一层陶瓷涂层，将树脂芯模熔掉，将型壳放入到砂型中，在其中浇铸入金属熔体，待金属冷却后去除陶瓷凝壳，从而制备出金属三维点阵结构。冲孔网冲压—钎焊是先将金属板冲裁成网状的板材，再经过压制成形为点阵芯板，然后采用钎焊的方法将芯板和面板连接在一起。

现有的熔模铸造法工艺流程复杂，制造模具成本过高，容易产生缺陷，金属点阵结构的韧性也较差，而且仅限于具有高流动性的有色铸造合金，不适合复杂结构点阵的制造。而且点阵夹芯板的尺寸如果需要更改，那模具也得重新制备，不能随意控制点阵夹芯板的尺寸和形状。冲孔网冲压—钎焊一方面点阵结构材料利用率极低，生产成本高，另一方面冲压成形法不适合来制备强度高的金属，如不锈钢，这些很难折叠形成结点，成型控制难度高，而且利用钎焊的连接方式并不十分牢固，点阵板的整体性能差，对大尺寸点阵夹芯板中间部分的点阵钎焊也因为干涉对焊接带来不便。也有用激光焊焊接的，但因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，对装配精度要求高，要求光束在工件上的位置不能有显著偏移，成本高昂；而且激光焊不能实现多层点阵的焊接。

而且，如图1所示，现有技术中，上面板1开孔为普通的圆直孔2，实验发现，普通圆直孔2送丝点无法遍布整个孔，存在丝材送不到的盲点3，影响接头与上面板1的连接质量。

因此，亟需提供一种新的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，工艺流程简单，可以灵活控制结构尺寸，进行大批量生产，极大降低了大尺寸金属多层点阵板的制造成本；节点连接也更加牢靠，点阵夹芯板的完整性更高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，包括以下步骤：

1)斜杆制造：在基值时间段里，送丝机的送丝嘴以恒定的送丝速度送出丝材，丝材的端部戳到基板的熔池后，通过焊枪的钨极对丝材进行加热使得丝材熔断堆积，使斜杆按照预定生长路径进行生长；

2)芯体制造：基于斜杆互不干涉原则，按顺序制造多根斜杆，多根斜杆的顶部相互靠近，完成芯体的制造；

3)点阵夹芯接头的连接：通过焊枪预热斜杆端部，从而使得多根斜杆的端部都呈现熔融状态，形成接头节点；

4)连接上面板：在上面板上与接头节点的连接处进行开孔，通过机床带动焊枪沿着圆周轨迹运动，使丝材对上面板与接头节点的连接处进行堆焊，形成沉积层；

5)重复上述步骤1)-4)，完成金属多层点阵夹芯板的增材制造。

优选的，所述焊枪采用电弧作为热源。

优选的，所述电弧的电流采用直流脉冲电流。

优选的，所述丝材连接有热丝辅助电流，用于对所述丝材进行预热。

优选的，所述步骤2)中的每个芯体包括四根斜杆，四根斜杆呈锥形设置，顶部相互靠近。

优选的，所述步骤4)中，上面板的开孔为上口大、下口小的圆锥形孔。

优选的，所述步骤2)中每层的芯体设置有多个，多个芯体呈阵列式均布。

优选的，所述步骤3)中完成每层所有芯体的点阵夹芯接头的连接后，进行所述步骤4)中与上面板的连接。

优选的，所述步骤1)中斜杆制造时，根据需要调整工艺参数。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、用电弧增材制造技术制造点阵夹芯板，相比传统的熔模铸造和冲孔网冲压—钎焊，工艺过程简单，成本大大降低，效率也更高，能实现大批量生产。

2、点阵夹芯接头的连接，由于杆件之间间距较大，不利于夹芯与上面板的连接，使用电弧预热斜杆端部，从而使得四根斜杆的端部都呈现熔融状态，形成节点；

3、节点和上面板的连接，我们通过开锥形孔而不是普通的圆直孔，使得送丝点可以遍布整个孔的任何区域；

4、节点与上面板连接时，通过机床的圆周运动，让丝材进行机械搅拌，使得熔池能充分铺开；

5、工艺简单，设计制造灵活度高，对金属流动性和强度没有要求；原料利用率高，电弧增材制造技术原料利用率接近百分之百；点阵夹芯板完整性高，芯体和面板高强度的完全连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中上面板开圆直孔的示意图；

图2为本发明斜杆制造示意图；

图3为本发明完成斜杆制造的芯体示意图；

图4为本发明形成点阵夹芯接头的示意图；

图5为本发明上面板的示意图；

图6为本发明丝材搅拌熔池的示意图；

图7为本发明单层点阵夹芯板的示意图；

图8为本发明第二层点阵芯体制造示意图；

图9为本发明三层点阵夹芯板的示意图；

其中，1为上面板，2为圆直孔，3为盲点，4为焊枪，5为钨极，6为丝材，7为斜杆，8为基板，9为接头节点，10为圆锥形孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，工艺流程简单，可以灵活控制结构尺寸，进行大批量生产，极大降低了大尺寸金属多层点阵板的制造成本；节点连接也更加牢靠，点阵夹芯板的完整性更高。

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。

如图2-9所示，本实施例提供一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，包括以下步骤：

1)斜杆7制造：如图2所示，在基值时间段里，送丝机的送丝嘴以恒定的送丝速度送出丝材6，丝材6加有恒定热丝辅助电流，丝材6的端部戳到基板8的熔池后，通过焊枪4的钨极5对丝材6进行加热使得丝材6熔断堆积，使斜杆7按照预定生长路径进行生长；

2)芯体制造：如图3所示，基于斜杆7互不干涉原则，按顺序制造多根斜杆7，多根斜杆7的顶部相互靠近，完成芯体的制造；

3)点阵夹芯接头的连接：如图4所示，通过焊枪4预热斜杆7端部，从而使得多根斜杆7的端部都呈现熔融状态，形成接头节点9，以便于与上面板1进行焊接；

4)连接上面板1：如图5和6所示，在上面板1上与接头节点9的连接处进行开孔，通过机床带动焊枪4沿着圆周轨迹运动，使丝材6对上面板1与接头节点9的连接处进行堆焊，形成沉积层；

由于液态金属的表面张力容易造成缩聚现象，一旦第一层熔池没有充分铺展开，后面的熔池也会在这基础上生长，连接质量会很差，因此一方面适当提高热输入，增大电弧力，另一方面机床沿着圆周轨迹运动时，可以使丝材6进行机械搅拌，使得熔池能充分铺开，更好地形成沉积层；完成单层点阵夹芯板的连接，如图7所示；

5)完成第一层点阵板的制造接着，重复上述步骤1)-4)，在上面板1进行第二层的制造，如图8所示；然后直至完成金属多层点阵夹芯板的增材制造，如图9所示。

在本实施例中，所述焊枪4采用电弧作为热源，所述电弧的电流采用直流脉冲电流；与普通电源相比，脉冲电源产生的脉冲电流可以减小焊接电流的平均值，降低焊件的热输入，有利于得到优良的内部组织，表现出更好的力学性能。

在本实施例中，所述丝材6连接有热丝辅助电流，用于对所述丝材6进行预热，以降低热输入，提高送丝速率；丝材采用金属丝材。

而且，在步骤1)中丝材6端部戳到熔池后，此时形成了热丝回路，在电阻热的作用下，丝材6会升温，同时由于丝材6端部戳入到熔池中，也会有一部分热量通过热传导从熔池传递到丝材6，此时丝材6端部就会形成局部高温，当丝材6端部处于熔融状态后，此时的局部熔化段将会在自身的电磁收缩力的作用下在液固相交界处出现缩颈现象，当峰值电流段的电弧来时会对熔池产生力的作用，从而使丝材6发生熔断现象，也改变了熔池形貌，从而避免发生丝材6在一侧堆积的现象。经过多个周期的增材堆叠后，斜杆7将按照我们预定的生长路径进行生长。

在增材制造过程中，根据需要，调整合适的工艺参数，包括峰值电弧电流，占空比，频率，基值电流，热丝辅助电流，送丝速度，层高，机床移动速度等，实现控形和控性；其中，在本实施例中，优选焊机的峰值电弧电流为90A，基值电流为4.5A；热丝辅助电流为100A，送丝机的送丝速度为60cm/min；脉冲电流的占空比为5％，频率为0.5HZ；多层点阵夹芯板的层高为0.55mm，机床移动速度为550mm/min。

在本实施例中，所述步骤2)中的每个芯体包括四根斜杆7，四根斜杆7呈锥形设置，顶部相互靠近。

优选的，所述步骤4)中，上面板1的开孔为上口大、下口小的圆锥形孔10。

优选的，所述步骤2)中每层的芯体设置有多个，多个芯体呈阵列式均布；在进行大批量生产时，应该先完成所述步骤3)中每层所有芯体的点阵夹芯接头的连接后，再进行所述步骤4)中接头节点与上面板1的连接，可以大大地提高制造效率。

本发明提出了基于电弧增材制造技术的金属多层点阵夹芯板的制造技术，采用电弧为热源，在机床的控制下焊枪4沿指定的路径和速度移动，将送丝机控制速度下的金属丝材6融化逐层沉积成型，节点连接处是先将上面板1开锥形孔，然后在程序控制下焊枪4做圆周移动进行堆焊，实现连接，打完一层在第一层上面板1上接着打二层夹芯，实现多层制备，通过更改程序可以改变点阵夹芯板的形状和尺寸，整个工艺制备过程简单，大大降低点阵夹芯板的制造成本和时间，能实现大批量生产，面板和夹芯之间高强度完全连接，点阵夹芯板的完整性更高。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)斜杆制造：在基值时间段里，送丝机的送丝嘴以恒定的送丝速度送出丝材，丝材的端部戳到基板的熔池后，通过焊枪的钨极对丝材进行加热使得丝材熔断堆积，使斜杆按照预定生长路径进行生长；

2)芯体制造：基于斜杆互不干涉原则，按顺序制造多根斜杆，多根斜杆的顶部相互靠近，完成芯体的制造；

3)点阵夹芯接头的连接：通过焊枪预热斜杆端部，从而使得多根斜杆的端部都呈现熔融状态，形成接头节点；

4)连接上面板：在上面板上与接头节点的连接处进行开孔，通过机床带动焊枪沿着圆周轨迹运动，使丝材对上面板与接头节点的连接处进行堆焊，形成沉积层；

5)重复上述步骤1)-4)，完成金属多层点阵夹芯板的增材制造。

2.根据权利要求1所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述焊枪采用电弧作为热源。

3.根据权利要求2所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述电弧的电流采用直流脉冲电流。

4.根据权利要求1所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述丝材连接有热丝辅助电流，用于对所述丝材进行预热。

5.根据权利要求1所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述步骤2)中的每个芯体包括四根斜杆，四根斜杆呈锥形设置，顶部相互靠近。

6.根据权利要求1所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述步骤4)中，上面板的开孔为上口大、下口小的圆锥形孔。

7.根据权利要求1所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述步骤2)中每层的芯体设置有多个，多个芯体呈阵列式均布。

8.根据权利要求7所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述步骤3)中完成每层所有芯体的点阵夹芯接头的连接后，进行所述步骤4)中与上面板的连接。

9.根据权利要求1所述的金属多层点阵夹芯板的增材制造方法，其特征在于：所述步骤1)中斜杆制造时，根据需要调整工艺参数。

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