CN111037051A - 一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法 - Google Patents

一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法，包括以下步骤：奇数层时，网格交叉结构两条边设为A和B，边B直接成形，边A分成3段：搭接段a、b和交叉段c，搭接段a和b均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段c送丝速度设为0；偶数层时，网格交叉结构两条边分别为A’和B’，A’直接成形，B’分成3段：搭接段d、e和交叉段f，搭接段d和e均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段f送丝速度设为0，如此往复，完成交叉结构的电弧增材成形。本发明提出的网格交叉结构电弧增材成形方法通过对热质输入的精确控制有效地避免了直接搭接产生的交叉段隆起，确保整个增材过程顺利进行，且能保证交叉段连接良好。

Description

一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种电弧增材成形方法，具体涉及一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法。
背景技术
增材制造技术基于离散－堆积原理，通过既定热源对金属材料的逐层熔化，沉积生长，直接由三维模型近净成形高性能结构件，是未来结构件先进制造发展的重要方向。其中，电弧增材是采用电弧热为热源、丝材为原材料的一种增材制造技术。与其他金属增材制造技术相比较，电弧增材整套系统的成本是激光增材的激光器成本的几分之一甚至十几分之一，电弧增材制造的设备成本更低；可达每小时几公斤的沉积速度，沉积效率高；电-电弧转换率85％以上，而电-光转换率最多也只有25％左右，运行成本低。
然而，电弧增材不同于以激光、电子束为热源的增材制造技术，电弧增材单层的厚度可达毫米量级。采用电弧增材，网格交叉结构交叉段采用直接搭接的方式将造成交叉段隆起严重，交叉段高度将逐渐高于其他部位，最终导致成形过程难以继续进行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法，克服现有技术中直接搭接造成交叉段隆起的不足，通过对送丝量和热输入的精确控制，改善了交叉段的成形表面质量，同时保证了交叉段的连接性能，最终完成网格交叉结构的快速优质研制生产，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案：
一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法，该电弧增材成形方法包括以下步骤；
步骤1，对结构件的三维模型进行读取和解析，根据最终尺寸要求确定成形工艺参数、以及实际成形的单道焊缝宽度；
步骤2，奇数层时，网格交叉结构两条边设为A和B，边B直接成形，边A分成3段：搭接段a、b和交叉段c，搭接段a和b均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段c送丝速度设为0；
步骤3，偶数层时，网格交叉结构两条边分别为A’和B’，边A’与奇数层的边A共线，在边A上成形，边B’与奇数层的边B共线，在边B上成形；成形时，A’直接成形，B’分成3段：搭接段d、e和交叉段f，搭接段d和e均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段f送丝速度设为0，如此往复，完成交叉结构的电弧增材成形。
进一步地，在奇数层，两条焊道搭接长度为(1/4-1/3)W1，其中W1为直接成形边B对应的单道焊缝宽度；
在偶数层，两条焊道搭接长度为(1/4-1/3)W2，其中W2为直接成形边A’对应的单道焊缝宽度。
本发明提供的本发明提供了一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法，带来了有益的技术效果：
采用基于热质控制的电弧增材成形技术手段，对热输入和送丝量进行精确控制，从而精确控制成形精度和内部组织大小和分布情况，能达到改善成形件的成形表面质量、成形精度和提升构件整体性能尤其是交叉段连接性能的目的。
附图说明
图1示出本发明所述的网格交叉电弧增材成形路径示意图；
图2示出实施例1所述2219铝合金网格交叉结构正视图和俯视图；其中2(a)为俯视图，2(b)为正视图；
图3示出实施例1中不同区段的工艺参数与时间关系图；其中，3(a)为直接成形边工艺参数，3(b)为搭接边工艺参数；
图4示出实施例2所述GH4099高温合金网格交叉结构正视图和俯视图；其中4(a)为俯视图，4(b)为正视图；
图5示出实施例2中不同区段的工艺参数与时间关系图；其中，5(a)为直接成形边工艺参数，5(b)为搭接边工艺参数。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
如图1所示，本发明提供了一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法，该电弧增材成形方法包括以下步骤：
步骤1，对结构件的三维模型进行读取和解析，根据最终尺寸要求确定成形工艺参数、以及实际成形的单道焊缝宽度；
步骤2，奇数层时，网格交叉结构两条边设为A和B，边B直接成形，边A分成3段：搭接段a、b和交叉段c，搭接段a和b均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段c送丝速度设为0；
步骤3，偶数层时，网格交叉结构两条边分别为A’和B’，边A’与奇数层的边A共线，在边A上成形，边B’与奇数层的边B共线，在边B上成形；成形时，A’直接成形，B’分成3段：搭接段d、e和交叉段f，搭接段d和e均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段f送丝速度设为0，如此往复，完成交叉结构的电弧增材成形。
在本发明中，在奇数层，两条焊道搭接长度为(1/4-1/3)W1，其中W1为直接成形边B对应的单道焊缝宽度；在偶数层，两条焊道搭接长度为(1/4-1/3)W2，其中W2为直接成形边A’对应的单道焊缝宽度。
进一步地，搭接的长度根据不同金属材料的润湿性(高温流动性)情况具体确定，当使用ZL114A、5A06、2219铝合金等高温流动性较好的丝材时，焊道搭接长度选为1/4；当使用Q345钢、45#钢等高温流动性一般的丝材时，焊道搭接长度选为2/7；当使用GH4099和GH4169高温合金等高温流动性较差的丝材时，焊道搭接长度选为1/3。
在本发明中，交叉段形成时的电流和行走速度，可在搭接段成形时电流和行走速度的±10％范围内波动；具体地，
当使用ZL114A、5A06、2219铝合金等高温流动性较好的丝材时，电流朝向降低的方向调整，行走速度朝向增加的方向调整；
当使用Q345钢、45#钢等高温流动性一般的丝材时，电流基本保持不变或朝向增加的方向调整，行走速度朝向增加的方向调整；
当使用GH4099和GH4169高温合金等等高温流动性较差的丝材时，电流朝向增加的方向调整，行走速度朝向降低的方向调整。在本发明中，由于电弧增材方法的特性，单道焊缝宽度对应于成形件相应结构的厚度；电弧增材得到的成形件需要再精确加工成最终产品后才能投入使用，因而电弧增材得到的成形件的厚度较最终产品需存在一定的余量。
具体地，电弧增材成形件单道焊缝宽度较最终产品相应结构的厚度存在6mm及以上余量，使成形件相应结构单边较最终产品有3mm及以上余量。
实施例
实施例1 10mm厚2219铝合金网格交叉结构电弧增材制造
如图2所示，要求制造的网格交叉铝合金结构件壁厚10mm，长、宽和高分别为90mm、90mm和80mm，考虑采用单道电弧正弦摆动增材成形。采用的原材料为ф1.2mm 2219铝合金焊丝，先通过试验摸索得到一组合适的成形工艺参数：电流I＝120A、送丝速度Vw＝8m/min、行走速度Vt＝10mm/s，摆动频率为5Hz，摆动幅值3.5mm，左右两侧停留时间0.15s，此组工艺参数下，单道焊缝宽度16mm，高度1.3mm，则A中a、b与B的搭接量均为4mm；将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；在基板选取合适位置开始进行网格交叉结构的电弧增材成形：第1层竖直段采用电流I＝120A、送丝速度Vw＝8m/min、行走速度Vt＝10mm/s完成整条焊道的全部成形，水平段分为搭接段a、b和交叉段c，a、b段电流I＝120A、送丝速度Vw＝8m/min、行走速度Vt＝10mm/s，c处电流I＝108A、送丝速度Vw＝0m/min、行走速度Vt＝11mm/s；完成第1层后，焊枪抬高1.3mm进行第2层堆积；第2层水平段采用电流I＝120A、送丝速度Vw＝8m/min、行走速度Vt＝10mm/s完成整条焊道的全部成形，竖直段分为搭接段d、e和交叉段f，d、e段电流I＝120A、送丝速度Vw＝8m/min、行走速度Vt＝10mm/s，f处电流I＝108A、送丝速度Vw＝0m/min、行走速度Vt＝11mm/s；完成第2层后，焊枪抬高1.3mm进行第3层堆积；两层为一个循环，如此往复直至达到高度方向尺寸要求，最终成形得到网格交叉结构的2219铝合金结构件。工艺参数如图3所示。
对该网格交叉结构的2219铝合金结构件进行评测：
(i)该铝合金结构件，搭接段区域平均高度为80.5mm，交叉段高度为81mm；
(ii)经X射线检测，内部质量满足HB5480 I类B级铸件标准；
(iii)力学性能方面：室温抗拉强度达到380MPa，延伸率达到10％。满足应用要求。
实施例2 15mm厚GH4099高温合金网格交叉结构电弧增材制造
如图4所示，要求制造的网格交叉高温合金结构件壁厚15mm，长、宽和高分别为125mm、125mm和105mm，考虑采用单道电弧正弦摆动增材成形。采用的原材料为ф1.6mmGH4099高温合金焊丝，先通过试验摸索得到一组合适的成形工艺参数：电流I＝130A、送丝速度Vw＝9m/min、行走速度Vt＝7mm/s，摆动频率为7Hz，摆动幅值4.5mm，左右两侧停留时间0.20s，此组工艺参数下，单道焊缝宽度22mm，高度1.8mm，则A中a、b与B的搭接量均为7.3mm；将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；在基板选取合适位置开始进行网格交叉结构的电弧增材成形：第1层竖直段采用电流I＝130A、送丝速度Vw＝9m/min、行走速度Vt＝7mm/s完成整条焊道的全部成形，水平段分为搭接段a、b和交叉段c，a、b段电流I＝130A、送丝速度Vw＝9m/min、行走速度Vt＝7mm/s，c处电流I＝143A、送丝速度Vw＝0m/min、行走速度Vt＝6.3mm/s；完成第1层后，焊枪抬高1.3mm进行第2层堆积；第2层水平段采用电流I＝130A、送丝速度Vw＝9m/min、行走速度Vt＝7mm/s完成整条焊道的全部成形，竖直段分为搭接段d、e和交叉段f，d、e段电流I＝130A、送丝速度Vw＝9m/min、行走速度Vt＝7mm/s，f处电流I＝143A、送丝速度Vw＝0m/min、行走速度Vt＝6.3mm/s；完成第2层后，焊枪抬高1.8mm进行第3层堆积；两层为一个循环，如此往复直至达到高度方向尺寸要求，最终成形得到网格交叉结构的GH4099高温合金结构件。工艺参数如图5所示。
对该网格交叉结构的GH4099高温合金结构件进行评测：
(i)该高温合金结构件，搭接段区域平均高度为105.3mm，交叉段高度为106mm。
(ii)经X射线检测，内部质量达到HB5430-2011中的A级标准；
(iii)力学性能方面：
室温25°：抗拉强度864.5MPa，延伸率37％；
高温900°：抗拉强度370.6MPa，延伸率12％。满足应用要求。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于热质控制的网格交叉结构电弧增材成形方法，其特征在于，该电弧增材成形方法包括以下步骤；
步骤1，对结构件的三维模型进行读取和解析，根据最终尺寸要求确定成形工艺参数、以及实际成形的单道焊缝宽度；
步骤2，奇数层时，网格交叉结构两条边设为A和B，边B直接成形，边A分成3段：搭接段a、b和交叉段c，搭接段a和b均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段c送丝速度设为0；
步骤3，偶数层时，网格交叉结构两条边分别为A’和B’，边A’与奇数层的边A共线，在边A上成形，边B’与奇数层的边B共线，在边B上成形；成形时，A’直接成形，B’分成3段：搭接段d、e和交叉段f，搭接段d和e均采用步骤1确定的成形工艺参数，交叉段f送丝速度设为0，如此往复，完成交叉结构的电弧增材成形。
2.根据权利要求1所述的电弧增材成形方法，其特征在于，在奇数层，两条焊道搭接长度为(1/4-1/3)W1，其中W1为直接成形边B对应的单道焊缝宽度；
在偶数层，两条焊道搭接长度为(1/4-1/3)W2，其中W2为直接成形边A’对应的单道焊缝宽度。
3.根据权利要求2所述的电弧增材成形方法，其特征在于，搭接的长度根据不同金属材料的高温流动性具体确定：
当使用包括ZL114A、5A06、2219铝合金高温流动性较好的丝材时，焊道搭接长度选为1/4；
当使用包括Q345钢、45#钢高温流动性一般的丝材时，焊道搭接长度选为2/7；
当使用包括GH4099和GH4169高温合金高温流动性较差的丝材时，焊道搭接长度选为1/3。
4.根据权利要求1所述的电弧增材成形方法，其特征在于，交叉段形成时的电流和行走速度，可在搭接段成形时电流和行走速度的±10％范围内波动。
5.根据权利要求4所述的电弧增材成形方法，其特征在于，
当使用包括ZL114A、5A06、2219铝合金高温流动性较好的丝材时，电流朝向降低的方向调整，行走速度朝向增加的方向调整；
当使用包括Q345钢、45#钢高温流动性一般的丝材时，电流基本保持不变或朝向增加的方向调整，行走速度朝向增加的方向调整；
当使用包括GH4099和GH4169高温合金高温流动性较差的丝材时，电流朝向增加的方向调整，行走速度朝向降低的方向调整。
6.根据权利要求1所述的电弧增材成形方法，其特征在于，电弧增材成形件的单道焊缝宽度较最终产品相应结构的厚度存在6mm及以上余量，使成形件相应结构单边较最终产品有3mm及以上余量。
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