CN112958915A - 基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法及应用 - Google Patents

基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法及应用，对三维模型文件进行切片处理得到每一层三维模型文件；对每一层的三维模型文件进行路径规划，得到执行机构能够识别并成形基体的程序代码；利用成形基体的程序代码，利用执行机构实现焊枪沿悬钛合金螺旋桨规划路径轨迹平滑运动，通过多轴联动保证焊枪与变曲率、变角度的桨叶切平面实时共面实现螺旋桨的成形制造；采用冷金属过渡的电弧激光复合增材工艺，每打印1层，重复以上步骤，完成钛合金螺旋桨电弧‑激光复合增材打印成形。本发明能够利用冷金属过渡电弧‑激光复合增材工艺在多轴联动的轨迹基础上制备出外部尺寸及内部质量满足要求的螺旋桨等悬臂结构。

Description

基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法及 应用
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法及应用。
背景技术
螺旋桨为异形复杂曲面结构，外型精度要求很高，传统钛合金铸造工艺存在充型难、材料利用率低、成本高和周期长等问题，而且受制造设备限制，无法实现大规格船用螺旋桨的整体建造。增材制造技术能够实现构件近净成形，特别适合复杂曲面结构的一体化成形，能够缩短周期、提高性能、控制缺陷，从而制备优质的钛合金复杂结构件，增材制技术是钛合金螺旋桨的制备工艺重要发展方向之一。
目前，国内针对钛合金螺旋桨的增材制造内容较少，现有的螺旋桨桨叶采用的是柱面切片和偏置填充的方式进行路径规划，然后采用电弧熔丝增材制造工艺进行成形。该工艺能初步实现小倾角桨叶的增材制造，但对大倾角的悬臂螺旋桨结构增材制造过程中，无支撑情况下的工艺可行性差，而实际建造过程中大倾角悬臂结构的轨迹规划及匹配工艺是关键技术。
螺旋桨为异形复杂曲面结构，外型精度要求很高，传统钛合金铸造工艺存在充型难、材料利用率低、成本高和周期长等问题，而且受制造设备限制，无法实现大规格船用螺旋桨的整体建造。增材制造技术能够实现构件近净成形，特别适合复杂曲面结构的一体化成形，能够缩短周期、提高性能、控制缺陷，从而制备优质的钛合金复杂结构件，增材制技术是钛合金螺旋桨的制备工艺重要发展方向之一。
钛合金螺旋桨的增材制造过程中，现有的螺旋桨增材制造技术，在轨迹规划中主要采用圆柱切面和偏置填充，在无支撑情况下无法实现大倾角螺旋桨的增材制造，而实际建造过程中大倾角悬臂结构的轨迹规划及匹配工艺是关键技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法及应用，适用于螺旋桨，但不拘泥螺旋桨的大倾角悬臂结构，能够实现无支撑增材制造，工艺可达性高，过程稳定，显著提高悬臂结构增材制造的效率、降低成本，有效推动技术革新。
本发明采用以下技术方案：
基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法，包括以下步骤：
S1、建立钛合金螺旋桨的三维模型，获得三维模型文件，对三维模型文件进行切片处理，得到每一层的三维模型文件；
S2、对步骤S1切片处理后每一层的三维模型文件进行路径规划，得到执行机构能够识别并成形基体的程序代码；
S3、利用步骤S2成形基体的程序代码，利用执行机构实现焊枪沿悬钛合金螺旋桨规划路径轨迹平滑运动，通过多轴联动保证焊枪与变曲率、变角度的桨叶切平面实时共面实现螺旋桨的成形制造；
S4、采用冷金属过渡的电弧激光复合增材工艺，每打印1层，重复步骤S2至步骤S3，完成钛合金螺旋桨电弧-激光复合增材打印成形。
具体的，步骤S1中，三维模型文件为通用文件。
具体的，步骤S2中，成形处理包括外轮廓部分处理和内部填充部分处理；在外轮廓成形处理中，采用直线形式实现悬出结构成形；在内部填充部分成形处理中，采用Z形线轨迹进行填充。
进一步的，内部Z字形填充过程中采用恒定的成形工艺参数。
具体的，步骤S3中，根据确定的悬臂轮廓轨迹，焊枪在(X，Y，Z)三坐标系内移动的同时，对焊枪的工具姿态角坐标(A，B，C)实时调控，实现焊枪角度的调整；结合变位机的(A，B)轴联动，实现焊枪的多轴联动。
进一步的，焊枪在桨叶切平面内与前进方向保持90～130°。
进一步的，悬臂轮廓线成形过程中，采用冷金属过渡电弧和激光复合的工艺，通过调整成形移动速度、焊接电流、激光功率控制热输入和成形形貌，实现悬出轮廓制造，获得平整的形貌。
更进一步的，成形移动速度0.24～0.54m/min，送丝速度为5.0～9.0m/min，保护气流量15～20L/min，激光功率为0.5～4.0KW。
本发明的另一个技术方案是，基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法应用于螺旋桨以及悬臂结构的增材制造。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法，通过多轴联动，实现焊枪角度的实时调整，有效降低飞溅，获得良好的成形，螺旋桨的桨叶不是简单地悬臂结构，而是变曲率、变角度的悬臂结构，因此在成形过程中，焊枪角度需要实时随结构的曲率、角度变动，才能保证合适的工艺状态，避免出现悬臂结构的塌陷，获得良好的成形；本发明获得钛合金螺旋桨内部组织是致密的焊接组织，各向性能优于铸造组织，力学性能均高于同级别铸件水平；能够实现无支撑大倾角悬臂结构的快速制造。
进一步的，通用文件的好处在于，目前国内主流的三维设计软件多种，如UG、CATIA、SolidWorks、Creo等，不同单位差异较大，采用这些软件能够识别的通用格式既有利于模型设计又方便后续的修改、交流等。
进一步的，通过机器人臂的单轴运动是无法实现焊枪沿着变曲率、变角度的轨迹平滑移动，因此需要多轴联动才能实现焊枪沿悬臂轮廓的轨迹平滑运动。
进一步的，Z字形填充主要是内部填充部分的工艺，有别与轮廓的成形工艺。
进一步的，轨迹的实现方式采用多轴联动实现焊枪沿轨迹的平滑运动。
进一步的，基于冷金属过渡的电弧激光复合增材制造工艺，在悬臂结构成形中，为了获得良好的铺展及成形形貌，需要采用焊枪后倾的工艺，即焊枪与前进方向保持90～130°。如果采用前倾角，即焊枪与前进方向角度小于90°，成形过程中易出现无法铺展不良及内部缺陷。
进一步的，为实现螺旋桨悬臂结构的成形，需要工艺参数与轨迹的良好的结合。本发明通过大量的研究发现，控制热输入是获得良好成形形貌的重要途径，主要工艺参数类型包括：移动速度、焊接电流参数、激光功率。
进一步的，通过大量的研究发现如果参数不合适会导致成形过程中结构塌陷以及内部未熔合、气孔等缺陷。通过工艺验证最终获得工艺参数范围。
综上所述，本发明能够利用冷金属过渡电弧-激光复合增材工艺在多轴联动的轨迹基础上制备出外部尺寸及内部质量满足要求的螺旋桨等悬臂结构。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为转台变位向量偏转角分解示意图，其中，(a)为焊枪在法平面内与竖直方向的位置关系，(b)为焊枪变位向量偏转角分解图；
图2为本发明外部平行轮廓线+内部Z形线示意图。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法，根据螺旋桨空间变截面、大角度、无支撑悬臂的特点，创造性的采用多轴联动的方式有效的实现了焊枪始终与实时变动的桨叶切平面平行，不同位置采用变参数的成形工艺，避免了电弧增材制造过程中常出现的焊道坍塌、无法成形的情况，从而实现无支撑的悬臂结构的增材制造，悬臂倾角达到53.26°；其次，本发明一改传统增材制造焊枪只作无倾角的平面移动，通过多轴联动创新性的使焊枪在桨叶切平面内始终与移动方向保持一定倾角，有效的减少飞溅。
本发明一种基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法，采用多轴联动的方式实现焊枪始终与实时变动的桨叶切平面共面，同时保证焊枪在桨叶切平面内始终与移动方向保持一定倾角；在此基础上采用变参数的成形工艺实现悬臂结构无支撑外形轮廓的成形，悬臂倾角达到53.26°。具体步骤如下：
S1、建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对三维模型文件进行切片处理；
三维模型文件为通用文件。
S2、对步骤S1切片处理后的每层文件先沿轨迹进行悬臂轮廓的成形，然后采用直线形式进行轮廓成形，在内部采用Z形线填充进行填充，得到执行机构能够识别并成形基体的程序代码；利用成形基体的程序代码，采用多轴联动的方式实现焊枪沿规划好的钛合金螺旋桨轨迹平滑运动；
S3、根据确定的悬臂轮廓轨迹，焊枪在(X，Y，Z)三坐标系内移动的同时，对工具姿态的角坐标(A，B，C)实时调控，实现焊枪角度的调整；在此基础上结合变位机的(A，B)轴联动，实现焊枪的多轴联动，通过多轴联动保证焊枪始终与变曲率、变角度的桨叶切平面实时共面，从而实现螺旋桨悬臂轮廓的成形制造，如图1所示。
成形过程中，焊枪在桨叶切平面内始终与前进方向保持90～130°，从而保证良好成形、降低飞溅；
悬臂轮廓线在成形过程中，采用冷金属过渡电弧和激光复合的工艺，通过调整成形移动速度、焊接电流等参数降低热输入，避免悬臂结构的塌陷，从而实现对悬出轮廓制造，最终获得平整的形貌；
在平整的表面进行内部Z字形填充，过程中采用恒定的成形工艺参数，如电流、电压、移动速度；
成形移动速度0.24～0.54m/min，送丝速度为5.0～9.0m/min，保护气流量15～20L/min，激光功率为1.0～4KW。
S4、采用冷金属过渡的电弧激光复合增材工艺，每打印出1层，重复操作步骤S2到步骤S3，完成钛合金螺旋桨电弧-激光复合增材打印成形。
本发明方法可应用于钛合金、钢、铝合金等材料的螺旋桨、叶片、叶轮盘等透平结构的增材制造。采用本发明方法制造的钛合金工件能优于同级别的铸件的力学性能。
本发明能够实现大倾角螺旋桨的无支撑增材制造，与现有铸件的性能相比，如表1所示，表中数据为三个试验结果的平均值。材料为船用Ti80合金，在深潜器、船舶装备上广泛应用，其服役环境对冲击韧性有较高的要求。
除了性能达到同级别锻件水平，增材制造的工艺特性能够实现大型结构件的快速制造，解决了目前铸造钛合金大型结构件内部质量不稳定、尺寸及重量受限的关键问题。在舰船领域有着重要的意义和应用前景。
表1同级别钛合金不同制备方式性能对比
Figure BDA0002941787540000081
实施例：
成形原材料为Ti80钛合金丝材，规格φ1.2mm。将Ti80钛合金基板表面进行机械打磨，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；将清洗后的工件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好；采用冷金属过渡电弧-激光复合工艺按规划的轨迹进行沉积，悬臂结构的采用直线填充，内部结构采用Z形线的形式进行填充，送丝速度为5.5～8m/min、激光功率为1.0～4.0KW、成形速度0.3～0.5m/min、保护气流量15～20L/min；如图2所示。
整个电弧-激光复合增材制造过程在惰性气体环境下进行，保证成形件不发生氧化，成形构件表面为银白色。
本发明适用于螺旋桨以及其他大倾角悬臂无支撑结构的增材制造，工艺可达性高，过程稳定，显著提高悬臂结构增材制造的效率、降低成本，有效推动技术革新。
综上所述，本发明一种基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法，创造性地将冷金属过渡电弧和激光结合起来，既保证了冷金属过渡电弧的低热输入、易成形的特点，又发挥激光改善成形的优势，在此基础上采用多轴联动的方式实现了螺旋桨悬臂结构的良好成形，避免了传统电弧增材制造和电弧激光复合增材制造在悬臂结构成形过程中出现的焊道坍塌、无法成形的情况，悬臂倾角达到53.26°。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于多轴联动的钛合金螺旋桨电弧激光复合增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立钛合金螺旋桨的三维模型，获得三维模型文件，对三维模型文件进行切片处理，得到每一层的三维模型文件；
S2、对步骤S1切片处理后每一层的三维模型文件进行路径规划，得到执行机构能够识别并成形基体的程序代码；
S3、利用步骤S2成形基体的程序代码，利用执行机构实现焊枪沿悬钛合金螺旋桨规划路径轨迹平滑运动，通过多轴联动保证焊枪与变曲率、变角度的桨叶切平面实时共面实现螺旋桨的成形制造；
S4、采用冷金属过渡的电弧激光复合增材工艺，每打印1层，重复步骤S2至步骤S3，完成钛合金螺旋桨电弧-激光复合增材打印成形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，三维模型文件为通用文件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，成形处理包括外轮廓部分处理和内部填充部分处理；在外轮廓成形处理中，采用直线形式实现悬出结构成形；在内部填充部分成形处理中，采用Z形线轨迹进行填充。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，内部Z字形填充过程中采用恒定的成形工艺参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，根据确定的悬臂轮廓轨迹，焊枪在(X，Y，Z)三坐标系内移动的同时，对焊枪的工具姿态角坐标(A，B，C)实时调控，实现焊枪角度的调整；结合变位机的(A，B)轴联动，实现焊枪的多轴联动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，焊枪在桨叶切平面内与前进方向保持90～130°。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，悬臂轮廓线成形过程中，采用冷金属过渡电弧和激光复合的工艺，通过调整成形移动速度、焊接电流、激光功率控制热输入和成形形貌，实现悬出轮廓制造，获得平整的形貌。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，成形移动速度0.24～0.54m/min，送丝速度为5.0～9.0m/min，保护气流量15～20L/min，激光功率为0.5～4.0KW。
9.根据权利要求1所述的方法应用于螺旋桨以及悬臂结构的增材制造。
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