CN112692306A

CN112692306A - 一种致密填充的稳定堆焊打印方法

Info

Publication number: CN112692306A
Application number: CN202011528492.3A
Authority: CN
Inventors: 沈洪垚; 刘冰; 周泽钰; 靳佳澳; 傅建中
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: CN112692306B

Abstract

本发明公开了一种致密填充的稳定堆焊打印方法，包括：(1)设定需要堆焊的工件宽度、高度和长度；(2)预实验获得稳定单道薄壁堆焊的宽度d₁和层高h₁，稳定单道夹心堆焊的宽度d₂和层高h₂；(3)计算稳定单道薄壁和单道夹心的堆焊道数；(4)计算单道薄壁和单道夹心所需层数；(5)设定打印主级序列，每次完成一层单道夹心的堆焊后，始终保持单道薄壁的高度略高于单道夹心的高度；(6)在所有单道薄壁和单道夹心的每一层，依次形成打印次级序列；并分别插入到对应的主级序列中形成打印总序列；(7)焊枪按打印总序列执行致密填充堆焊打印过程。本发明解决了多层多道堆焊过程中扩散效应影响焊道实际位置进而导致成形过程不稳定的问题。

Description

一种致密填充的稳定堆焊打印方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，尤其是涉及一种致密填充的稳定堆焊打印方法。

背景技术

增材制造技术俗称3D打印，是通过将材料逐层添加堆积最终得到所需工件的数字化制造技术。近年随着金属的增材制造技术飞速发展，很多通过传统方法难以加工或成本高昂的金属部件，可通过金属增材制造工艺快速实现。目前，金属增材制造技术已经在诸多领域实现应用。其中，电弧增材制造具有诸多优点，如高沉积率、制造周期短、丝材利用率高、低成本等。另外其成形件的致密度高、化学成分均匀，机械性能优良。

如CN109262110A公开了一种金属电弧增材制造方法，包括以下步骤：步骤1，对待打印的工件进行建模，根据该工件的材料性能，确定每层增材层高为Hp，用电弧增材切片软件在Z方向上对零件数模按照层高Hp进行分层切片；步骤2，机器人根据步骤1中的增材路径代码执行，进行增材；步骤3，在步骤2增材结束后，通过激光对增材产品表面进行扫描，利用图像处理算法得到实际增材的高度H，从切片模块获取到当前已经增材的层数N，计算h2＝H/N，得到步骤2增材时的每层平均层高，根据实际增材的高度H和平均层高h2，在零件模型高度H的位置重新对模型按照层高h2重新切片，并输出下N层的增材程序；步骤4，重复步骤2～3直至零件增材完成。

但对于多道多层电弧堆焊的过程中，需要设置合理的焊道间距。如果焊道间距过小，由于扩散效应(Spreading Effect)后一条焊道B会骑在前一条焊道A上，焊道B中心脱离理论位置而偏向前一条焊道一侧，这样再后来的焊道C因为与焊道B实际位置相距较远，又会沉积在理论位置，导致焊道B与焊道C之间存在间隙，不能熔合，如图1中(a)所示。如果焊道间距过大，则扩散效应影响较小，焊道B只与焊道A熔合一小部分，两条焊道间仍存在凹陷部分，这部分凹陷最终会导致最后堆焊成形的工件内部有很多的孔洞缺陷，如图1中(b)所示。

因此，焊道间距的选取必须要恰到好处，这就需要做大量的实验获取合适的焊道间距值。事实上，实际堆焊过程中仍有较多的因素影响焊接过程。因此，某个合理焊道间距值在某次焊接过程中仍可导致不稳定的焊接结果。

究其原因，焊接过程出现不稳定的原因是每条焊道沉积时，焊道的实际位置可能由于扩散效应改变，例如，沉积第一条焊道A时，没有任何焊道对其产生扩散效应，但是焊道A会对第二条焊道B产生扩散效应影响焊道B的实际位置，之后焊道B可能对第三条焊道C也产生扩散效应，但是因为焊道B位置的改变导致A对B的效应和B对C的效应有差距，导致后续的堆焊过程不稳定。

因此，如果能消除扩散效应或者即使有扩散效应影响的情况下，焊道的实际位置不会被改变，则能保证多层多道堆焊过程稳定进行，但是，目前还没有类似方法。

发明内容

本发明提供了一种致密填充的稳定堆焊打印方法，解决了多层多道堆焊过程中扩散效应影响焊道实际位置进而导致成形过程不稳定的问题。

一种致密填充的稳定堆焊打印方法，包括以下步骤：

(1)设定需要堆焊的工件宽度D、工件高度H和工件长度L；

(2)预实验获得稳定单道薄壁堆焊的宽度d₁和层高h₁，以及稳定单道夹心堆焊的宽度d₂和层高h₂；

(3)计算稳定单道薄壁的堆焊道数n和稳定单道夹心的堆焊道数n-1；

(4)计算单道薄壁所需的层数c和单道夹心所需的层数e，计算方式为：满足ch₁≥H，eh₂≥H时，c、e取最小整数值；

(5)对于c层单道薄壁和e层单道夹心，设定打印的主级序列为S＝1,2,3,4,…,c+e；其中，在每次完成一层单道夹心的堆焊后，始终保持单道薄壁的高度略高于单道夹心的高度；

(6)在所有单道薄壁的每一层和所有单道夹心的每一层，依次形成单道薄壁打印次级序列及单道夹心打印次级序列；并将次级序列分别插入到对应的每种层高的主级序列中形成打印总序列；

(7)焊枪按打印总序列执行致密填充堆焊打印过程。

本发明使用单道薄壁和单道夹心交替堆焊保证了每条焊道在堆焊时不受扩散效应影响或所受扩散效应影响是两侧对称的，有利于多道多层堆焊过程的稳定与成形的致密。

步骤(2)中，所述的单道夹心堆焊具体为：在两条分离的单道薄壁之间进行单道堆焊，并与两侧单道薄壁发生熔合的堆焊。

步骤(3)中，计算稳定单道薄壁的堆焊道数n和稳定单道夹心的堆焊道数n-1的具体方式为：计算满足nd₁+(n-1)d₂≥D时n的最小整数值，n≥1。

步骤(5)中，始终保持单道薄壁的高度略高于单道夹心的高度具体为：在每次完成一层单道夹心的堆焊后，满足约束条件0<x h₁-y h₂<h₁，其中，x表示完成某一层单道夹心的堆焊后，当前单道薄壁的总层数；y表示当前堆焊完成的单道夹心总层数。“略高于”一方面保证单道夹心堆焊的条件，另一方面避免焊枪喷嘴与已堆焊部分发生干涉。

步骤(6)中，所述的单道薄壁打印次级序列为1,2,3,…,n，在所有单道薄壁的每一层，朝一个方向依次打印单道薄壁。

所述的单道夹心打印次级序列为1,2,3,…,n-1，在所有单道夹心的每一层，朝一个方向依次打印单道夹心。

步骤(7)中，堆焊打印过程中，焊丝伸出焊枪喷嘴的长度大于h₁+h₂。单道薄壁的高度始终“略高于”单道夹心的高度，一方面保证单道夹心堆焊的条件，另一方面避免焊枪喷嘴与已堆焊部分发生干涉。

具体的，在打印完某层单道夹心后，当前单道薄壁总高度与当前单道夹心总高度差小于h₁，那么在打印该层单道夹心前，焊丝伸出长度则应满足大于h₁+h₂。

堆焊打印结束后，还包括：将堆焊工件进行铣削后处理到设定尺寸。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的致密填充的稳定堆焊打印方法通过交替堆焊单道薄壁和单道夹心避免了或中和了扩散效应对焊道位置的影响，保证了多层多道堆焊过程的稳定性。同时单道夹心可与两侧单道薄壁较好熔合，有利于提升堆焊成形工件的致密性。

附图说明

图1为背景技术中焊道间距对焊接过程影响示意图；其中，(a)为焊道间距过小，扩散效应使焊道实际位置发生改变示意图；(b)为焊道间距过大，成形工件内部有孔洞缺陷示意图。

图2为本发明一种致密填充的稳定堆焊打印方法流程示意图；

图3为本发明实施例选取的工件模型对应的实际焊道位置及开始部分打印序列示意图；

图4为利用本发明方法进行单道薄壁与单道夹心交替打印的一种示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图2所示，一种致密填充的稳定堆焊打印方法，包括以下步骤：

步骤1，设定需要堆焊的工件的宽度D＝20mm，工件高度H＝95mm，工件长度L＝100mm。

步骤2，根据预实验结果，选取宽度为5mm的单道薄壁和宽度为4mm的单道夹心组合，对应层高分别为2.0mm和2.5mm。

计算稳定单道薄壁堆焊道数n和稳定夹心单道堆焊道数n-1，满足nd₁+(n-1)d₂≥D(n≥1)时，n的最小值为3，即3条单道薄壁，2条单道夹心，堆焊完总壁宽23mm，如图4所示。

步骤3，计算单道薄壁和单道夹心各自所需层数，即取满足ch₁≥H(c为整数)，eh₂≥H(e为整数)c、e的最小值为48和38，则堆焊该工件需要48×3+38×2＝220条焊道。

步骤4，由[0 h₁ 2h₁ 3h₁ … (c-1) h₁]U[0 h₂ 2h₂ 3h₂ … (e-1) h₂]获得每种层高的打印主级序列S(h)＝1,2,3,4,…,86，保证当S(x h₁)-S(y h₂)＝-1时，0<x h₁-y h₂<h₁，即保证交替堆焊单道薄壁和单道夹心时，单道薄壁高度始终略高于单道夹心高度。

具体的，以每层单道薄壁和每层单道夹心为整体，其堆焊打印顺序受到以下条件约束：

在每次完成一层单道夹心的堆焊后，需要满足约束条件0<x h₁-y h₂<h₁，其中，x表示完成某一层单道夹心的堆焊后，当前单道薄壁的总层数；y表示当前堆焊完成的单道夹心总层数。

假设在完成一层单道夹心的堆焊后无法满足上述约束条件，则不应该进行单道夹心的堆焊，而是继续堆焊一层单道薄壁。

步骤5，在所有单道薄壁的每一层和所有单道夹心的每一层，依次形成单道薄壁打印次级序列1,2,3及单道夹心打印序列1,2。将两种次级序列分别插入到对应的每种层高的主级序列1,2,3,4,…,86，中形成打印总序列，打印总序列部分如图3所示。

步骤6，焊枪按总序列执行致密填充堆焊打印过程。

步骤7，将堆焊工件进行铣削后处理到设定尺寸。例如，工件实际宽度为23mm，设定宽度为20mm，则每侧需要铣削1.5mm。

本发明的堆焊打印方法，避免或中和了传统多层多道堆焊过程中扩散效应对焊道实际位置的影响。使用交替堆焊单道薄壁和单道夹心的方法保证了堆焊过程的稳定性。同时单道夹心可与两侧单道薄壁较好熔合，较好地提升堆焊成形工件的致密性，减少了工件中出现孔洞缺陷的可能性。

对于背景技术提到的多道多层电弧堆焊的过程，如图4所示，利用本发明的方法，图中，①为单道薄壁，②为单道夹心，按图中所示焊道序列按顺序打印，可保证单道薄壁堆焊过程不受扩散效应影响，单道夹心堆焊过程两侧受相同的扩散效应影响。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设定需要堆焊的工件宽度D、工件高度H和工件长度L；

(7)焊枪按打印总序列执行致密填充堆焊打印过程。

2.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的单道夹心堆焊具体为：在两条分离的单道薄壁之间进行单道堆焊，并与两侧单道薄壁发生熔合的堆焊。

3.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(3)中，计算稳定单道薄壁的堆焊道数n和稳定单道夹心的堆焊道数n-1的具体方式为：计算满足nd₁+(n-1)d₂≥D时n的最小整数值，n≥1。

4.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(5)中，始终保持单道薄壁的高度略高于单道夹心的高度具体为：在每次完成一层单道夹心的堆焊后，满足约束条件0<x h₁-y h₂<h₁，其中，x表示完成某一层单道夹心的堆焊后，当前单道薄壁的总层数；y表示当前堆焊完成的单道夹心总层数。

5.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的单道薄壁打印次级序列为1,2,3,…,n，在所有单道薄壁的每一层，朝一个方向依次打印单道薄壁。

6.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的单道夹心打印次级序列为1,2,3,…,n-1，在所有单道夹心的每一层，朝一个方向依次打印单道夹心。

7.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(7)中，堆焊打印过程中，焊丝伸出焊枪喷嘴的长度大于h₁+h₂。

8.根据权利要求1所述的致密填充的稳定堆焊打印方法，其特征在于，步骤(7)中，堆焊打印结束后，还包括：将堆焊工件进行铣削后处理到设定尺寸。