CN117697200A - 一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造三维轻量化金属结构方法的技术领域，具体涉及一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，通过几何模型创建单个金属零件的几何外形并对其逐层叠压，而后对其进行焊接：采用激光辐射熔化或焊接多层金属的侧表面，通过点焊或接缝的方法对多层压块进行焊接，从而形成更低粗糙度的连续金属层。可以使制造结构的强度大幅提高，使其具备密封性并且还消除了外表面的分层并降低了其粗糙度。
Description
技术领域
本发明涉及制造三维轻量化金属结构方法的技术领域，具体涉及一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法。
背景技术
目前，轻量化金属零件结构的制造广泛应用于建筑、机械工程和飞机制造等行业，在申请号为US20040154444A1的专利中公开了一种用于机床驱动器的驱动器壳体，该方法中，机器驱动外壳是由大量的独立部件按一定的方向组装而成的。这些部件是从平面（片状）材料中切割出来的，并且包含空腔等既有技术因素，有利于构建。随后，将这些部件折叠以形成重叠的表面并相互连接。这种方法的缺点是该方法对机床驱动外壳制造的定位范围狭窄，需要定向放置单个部件以焊接结构中的特定部位以及由此在结构外表面上产生的分层和缝隙。
为了消除这一缺陷，在专利号为US6450393B1的发明专利中采用了基于超声波粘附的多相成型方法，其通过超声波粘附的多层材料成型。根据该方法，从多个平面层中使用超声波焊接装置获得三维产品：将第一片材料被放置在一个支架上，其余一片片的材料堆叠起来采用超声波焊接。板材被切割成相应层的形状；将板材相互堆叠，焊接和切割二维轮廓层的工艺过程一直持续到产品制造完成；或者要生产的三维物品具有不同材料的层。所描述的方法需引入温敏组件，顶端的一层通过超声波焊接到部件上，压力罩对顶层施加压力。作为该方法的一个实例，将片状材料缠绕到装料滚筒上，并使用具有进料和收料滚筒的进料系统将片状材料移动到工作区域。这种方法的缺点是需要使用压力罩进行超声波焊接，以及所得产品的外表面存在分层和非密封性。
在中国专利CN 101480753 B中，公开了一种金属叠层实体制造快速成形方法，包括步骤：给金属零件建立 CAD 几何模型；由激光切割系统在第一工位完成金属板料层的内孔切割，并剔除内孔中的废料；在第二工位通过焊合机构将当前金属板料与其下方的金属板料焊合在一起；由激光切割系统在第二工位完成金属板料层的外围轮廓线切割；升降工作台向下移动一个步距，重复执行步骤二至步骤六之间的过程，直到工件中各层金属板料全部粘接或焊合，即可获得金属叠层实体成形工件。
该专利方案与上述背景专利相比，大幅度节省成形时间且使零件机械性能提高，但该现有技术方法成型的结构抗剪强度相对较低，并且其侧面仍有分层和非密封性结构。
发明内容
本发明基于上述背景技术中存在的不足，针对金属外表面分层和非密封性难以消除的问题，目的是提供一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，可以使制造结构的强度大幅提高，使其具备密封性并且还消除了外表面的分层并降低了其粗糙度。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，1、通过计算机几何模型创建单个金属零件的几何外形，并将切割好的金属零件进行分层叠压，对其进行焊接，包括以下步骤：
步骤一，准备一个用于储存和投送原料的装置，将金属板存放在该装置中，使用该装置将薄板投递到升降台上的第一工位；
步骤二，在第一工位上，借助激光切割计算机模型，对单个部件内孔的横截面轮廓进行切割制备；
步骤三，在第一工位上通过从板坯料内孔处提升工作台，被切割出来的内孔轮廓及废料从金属部件中被去除；
步骤四，采用存放和投递待用金属板的装置，将金属板抬起来转运到与位于工作台上第二工位上的基层金属板上，通过焊接设备将其焊接到一起，从而获得焊接在一起的薄板层状压块；
步骤五，根据计算机模型激光切割系统，在第二工位沿着工件外围轮廓的横截面对金属板块进行外围轮廓的切割；
步骤六，利用激光辐射，通过点焊或接缝的方法对多层压块的侧面进行焊接，从而形成低粗糙度的连续金属层。
作为本发明的进一步改进，步骤四中将多层薄板堆叠到一起，在每相邻的两层薄板进行焊接以此构成层压块，焊后的多层压块构成金属结构的主要内框架。
作为本发明的进一步改进，步骤四中对多层压块进行焊接时：穿透深度为每层金属薄板厚度的1.1~1.5倍，接缝宽度为薄板厚度的1.0~1.5倍。
作为本发明的进一步改进，步骤六中，对切割后的多层压块侧面进行焊接时的激光功率密度为106~108W/cm²。
作为本发明的进一步改进，在步骤四中，对多层压块进行焊接的激光功率密度为105~106W/cm²。
作为本发明的进一步改进，在步骤六中，所述连续金属层的厚度为0.1~1.0 mm。
作为本发明的进一步改进，在步骤六中，所述连续金属层的粗糙度小于Ra 2.5μm。
因此，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，通过CAD来创建单个金属零件的几何外形，而后将其多层叠压并对相邻两层分别进行焊接：采用激光辐射熔化或焊接多层金属压块的侧面进行焊接，从而形成更低粗糙度的连续金属层，可以使制造结构的强度大幅提高，使其具备密封性并且还消除了外表面的分层并降低了其粗糙度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请实施例中的一部分，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为本实施例焊接方法的原理示意图；
图2为本实施例焊点的宏观剖面图；
图3为本实施例功率为400w、振幅为1.2mm、频率为50Hz、速度为25mm/s的激光环形扫描所获得的宽度为2.0 mm的焊缝外观；
图4为本实施例厚度为δ=1.0 mm的SUS304不锈钢浮雕试样；
附图标记说明，其中：
金属薄板1，焊点2，熔化层或涂层3。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1，本实施例提供一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，将单独的平面金属片切割成相应层的形状，通过焊接连接成空心刚性桁架结构，然后将结构的外侧熔化或焊接。具体实施包括以下步骤：
首先，通过单侧使用激光焊接逐层点焊或缝焊，将扁平金属片1切割成相应层的形状，形成轻型结构的主要内框架。轻量化结构主体内框架的形成采用激光点焊方式进行，这使得以焊点2的形式获得局部深熔成为可能。片层以一种叠加的方式建立起来，直到产品的分层框架被创建。具体实施细节如下：
步骤一，准备一个用于储存和投送原料的装置，将金属板存放在该装置中，使用该装置将薄板投递到升降台上的第一工位；
步骤二，在第一工位上，借助激光切割计算机模型，对单个部件内孔的横截面轮廓进行切割制备；
步骤三，在第一工位上通过从板坯料内孔处提升工作台，被切割出来的内孔轮廓及废料从金属部件中被去除；
步骤四，采用存放和投递待用金属板的装置，将金属板抬起来转运到位于工作台上第二工位上的基层金属板上，通过焊接设备将其焊接到一起，从而获得焊接在一起的薄板层状压块。
优选地，随后的每一层金属薄板1以穿透深度为1.1~1.5倍薄板1厚度的方式焊接，如图2所示，其在薄板连接处的截面宽度至少为薄板厚度的1.0~1.5倍。可以用缝焊代替点焊。为了增加焊缝交界处的焊缝截面宽度，可采用在焊接方向上环形或横向扫描的激光辐射。在这种情况下，在连接处接缝的贯通深度和接缝宽度分别为金属薄板1厚度的1.1~1.5倍和1.0~1.5倍。
优选地，轻质结构的内层框架制造完成后，对其外侧面采用功率密为105~106W/cm2的激光辐射熔化或焊接，使厚度为0.1~1.0 mm的连续金属层具有低粗糙度（<Ra 2.5µm）。如此，通过激光焊接头在该表面上形成熔化层或涂层3。外层涂层3的化学成分与金属板1不一定相同。
在本实施例中，优选一厚度为1mm的SUS304不锈钢平板，提前切割成相应轻质结构层的形状。然后按照激光点焊法对切割层进行激光点焊连接，接着按照上述提出的方法对侧面进行熔接。在这两种情况下，当连接每层时产生16个焊点，如图2其中一个点的宏观剖面图所示。在采用上述方法制造产品的外表面，激光辐射熔化深度为0.5 mm，表面粗糙度为Ra 2.0μm。优选地，以这样的方式焊接10层，结果是尺寸为10×10×10 mm、内部通孔为5×5mm的层压产品；在光纤激光器以曝光0.2S进行点焊过程中其辐射功率为800W；在焊接过程中，以60m/h的速度、105W/cm2的功率密度辐射散焦成一个Φ5 mm的点时，其功率为600W。
需要说明的是，上述制造的产品可使用由硬化碳钢制成的特制工具进行横向剪切测试，其在测试过程中没有变形。每种制造的产品都放置在工具中，使位移发生在中心孔5×5 mm的轴线上。带有产品的模具安装在压力机下，压力机压在模具的可动部分上，在切割的瞬间记录下断裂力。结果发现，在测试按现有技术方法制造的产品时剪切力为25~30 kN，在测试本实施例方法制造的产品时剪切力为35~40 kN。
另外，对SUS304钢单件进行了激光点焊实验。为了增加焊接元件连接处焊接点截面的宽度，在50~250 Hz的频率下，采用振幅为焊接点直径1.2~1.5倍的激光环形扫描辐射。在这种情况下，焊缝的直径在0.8到2.0 mm之间。参照图3为功率为400w、振幅为1.2mm、频率为50Hz、速度为25mm/s的激光环形扫描所获得的宽度为2.0 mm的焊缝外观。如图4，优选地，采用该方法焊接厚度为δ=1.0 mm的SUS304不锈钢浮雕试样，试样的拉伸试验表明，焊缝完好无损，且焊缝沿母材方向发生分离。
因此，本实施例提出的通过焊接制造轻质三维结构的方法可以使制造结构的强度提高了约20%~40%，使其具备密封性并且还消除了外表面的分层并降低了其粗糙度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，通过计算机几何模型创建单个金属零件的几何外形，并将切割好的金属零件进行分层叠压，对其进行焊接，包括以下步骤：
步骤一，准备一个用于储存和投送原料的装置，将金属板存放在该装置中，使用该装置将薄板投递到升降台上的第一工位；
步骤二，在第一工位上，借助激光切割计算机模型，对单个部件内孔的横截面轮廓进行切割制备；
步骤三，在第一工位上通过从板坯料内孔处提升工作台，被切割出来的内孔轮廓及废料从金属部件中被去除；
步骤四，采用存放和投递待用金属板的装置，将金属板抬起来转运到与位于工作台上第二工位上的基层金属板上，通过焊接设备将其焊接到一起，从而获得焊接在一起的薄板层状压块；
步骤五，根据计算机模型激光切割系统，在第二工位沿着工件外围轮廓的横截面对金属板块进行外围轮廓的切割；
步骤六，利用激光辐射，通过点焊或接缝的方法对多层压块的侧面进行焊接，从而形成低粗糙度的连续金属层。
2.根据权利要求1所述的一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，步骤四中将多层薄板堆叠到一起，在每相邻的两层薄板进行焊接以此构成层压块，焊后的多层压块构成金属结构的主要内框架。
3.根据权利要求2所述的一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，步骤四中对多层压块进行焊接时：穿透深度为每层金属薄板厚度的1.1~1.5倍，接缝宽度为薄板厚度的1.0~1.5倍。
4.根据权利要求3所述的一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，在步骤四中，对多层压块进行焊接的激光功率密度为106~108 W/cm²。
5.根据权利要求1所述的一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，步骤六中，对切割后的多层压块侧面进行焊接时的激光功率密度为105~106W/cm²。
6.根据权利要求1所述的一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，在步骤六中，所述连续金属层的厚度为0.1~1.0 mm。
7.根据权利要求1所述的一种利用焊接技术的三维金属结构制造方法，其特征在于，在步骤六中，所述连续金属层的粗糙度小于Ra 2.5μm 。
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