CN105921852B - 倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法 - Google Patents
倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，用于制造与基板有一定夹角的倾斜薄壁结构件，堆积多层单道倾斜薄壁件时，第一层由两条堆积焊道搭接而成，有效克服了第二层堆积时由于偏移量过大引起的熔池流淌问题，在堆积第二层及后续层时，焊枪沿垂直于高度方向水平偏移一定距离，进而成形倾斜结构；本发明克服了现有倾斜薄壁结构件成形存在的设备成本高、***复杂、堆积件成形精度低等问题，可以在不需要变位机翻转基板的方式下完成倾斜结构件的成形，该发明实现了倾斜薄壁结构件的高质量成形，而且该方法还易于成形过程的自动化。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法。
背景技术
近年来，在资源节约及高效制造背景下，金属零件增材制造技术的研究及应用受到研究学者的广泛关注。金属构件的传统铸造、机械加工方法虽然制造精度高，但是存在制造工序倾斜、加工效率低、材料利用率低、制造柔性程度低、生产成本高等一系列问题。
电弧填丝增材制造技术采用焊接电弧作为热源，在电弧热源的作用下熔化焊丝，根据零件三维模型分层切片，按照设定路径在基板上逐层堆积直至形成全堆积层金属零件。目前，该方法主要适合于直接成形大型金属结构件，成形构件致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能达到甚至超过锻件水平。与激光填粉比较，电弧填丝增材制造技术有着设备成本低、丝材熔敷率高、环境污染小等一系列优点。
由于金属构件成形是以液态熔滴过渡的方式进行的，因此倾斜构件的电弧填丝增材制造难度大，特别是对于与基板有一定倾角的多层单道薄壁金属构件，成形难度更大。目前，对于这种倾斜薄壁构件的成形，常通过变位机翻转基板的方式完成。但是在实际工作环境中，采用变位机翻转基板的方式存在设备成本高、***倾斜等缺点。因此，亟需开发一种倾斜薄壁构件成形的简单、实用方法。
经现有技术的文献检索发现，柳建等人《在沈阳工业大学学报》(2012，Vo34,No.5)上发表了“工艺参数对堆焊熔敷成形极限倾角的影响规律”。文中采用沿堆积层长度方向偏移和沿垂直于堆积层方向上偏移成形多层单道倾斜结构薄壁件。但是沿堆积层长度方向偏移存在金属构件末端成形质量差的特点，实际应用受限，而沿垂直于堆积层方向上偏移可以成形具有一定倾角的薄壁件，但是该方法也有不足之处，主要体现在堆积第二层时成形质量难以控制，特别是偏移量大时成形质量更差。因此，有必要对现有方法进行改进。
中国专利申请号：201210483539.8名为“一种钛合金结构件电弧增材制造方法”的专利提供了一种截面为环形的多层多道钛合金结构件的电弧增材制造方法，该方法采用由内至外的环形焊道依次搭接成形一层环形件，主要针对多层多道环形结构件的堆积，但是该方法并不适合于多层单道倾斜薄壁结构件的堆积，也不能根据薄壁结构件与基板的成形倾角确定堆积过程焊枪偏移量。因此，亟需提出一种多层单道倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，以便高效、精确地成形多层单道薄壁结构件。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，用于制造与基板有一定夹角倾斜的薄壁结构件，所述薄壁结构件为多层单道结构，包括以下步骤：
步骤一：采用电弧填丝增材制造热源在基板上堆积第一层第一道，焊枪沿水平方向横向偏移的距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍，道间等待时间1-3min；然后开始第一层第二道的搭接堆积，层间等待时间1-5min；
由于第一层是在基板上成形的，散热条件较好，在堆积完第一层第一道之后，为了控制一定的道间温度，在堆积第一层第二道时，需要设定合适的道间等待时间。如果道间等待时间太短，则道间温度过高，如果道间等待时间太长，则降低成形效率；因此设定道间等待时间1-3min；
考虑到电弧填丝增材制造过程热输入大，从第二层开始，堆积焊道散热条件逐渐变差，为了防止后续层在堆积过程中出现熔池流淌或成形不良，需要严格控制层间温度。层间等待时间设置过小，容易出现成形熔池的流淌，层间等待时间设定过大，又会降低成形效率。因此，需要设定合适的层间等待时间，因此设定层间等待时间为1-5min；
本发明方法中，第二层是在第一层的基础上成形的，因此第一层必须堆积出较为平坦的堆积层。第一层包括第一层第一道和第一层第二道，为了获得平坦的搭接堆积焊道，两条堆积焊道的中心距离必须设定一个合适的值。如果中心距离设定过大，则两条堆积焊道之间存在凹坑。如果中心距离设定过小，则会出现堆积焊道“鼓包”现象。因此设定第一层两个堆积焊道中心距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍；
步骤二：焊枪移动至第一层第一道堆积路径起弧或熄弧端处，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第二层的堆积，层间等待时间1-5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪沿水平方向横向偏移量d是通过以下公式计算确定的：d＝h·cosβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤三：焊枪升高一个层高hβ，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第三层的堆积，层间等待时间1-5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪升高的层高hβ是通过以下公式计算确定的：hβ＝h·sinβ；其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤四：继续重复步骤三，完成多层堆积成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。
作为优选方式，焊枪沿水平方向横向偏移量d为0-1.2mm。当层间焊枪偏移量d为0时，成形的结构件与基板夹角为90°，无倾斜特征。当偏移量d选取过大时，当前堆积层的熔池金属部分悬挂在前一层上，容易引起熔池的流淌，进而出现倾斜薄壁件的成形坍塌。因此焊枪沿水平方向横向偏移量d为0-1.2mm。
作为优选方式，所述第一层第一道的堆积方向与第一层第二道的堆积方向相同。
作为优选方式，相邻层之间的堆积方向相反。考虑到电弧填丝增材制造过程存在起弧处高度大，熄弧处低的特点，如果始终沿同一个方向堆积，会出现起弧端越来越高，熄弧端越来越低的特点，导致成形过程无法继续进行。因此，采用相邻层间的堆积方向相反的方式，可以利用起弧端和熄弧端尺寸差异进行尺寸弥补，有效地解决端部尺寸差异。
作为优选方式，焊枪固定在机器人第六轴末端或由步进电机带动的十字滑架上。
作为优选方式，电弧增材制造热源为熔化极气体保护电弧、钨极氩弧或等离子弧。
本发明的有益效果为：本发明克服了现有倾斜薄壁结构件成形存在的设备成本高、***复杂、堆积件成形精度低等问题，可以在不需要变位机翻转基板的方式下完成倾斜结构件的成形。在本发明中，堆积多层单道倾斜薄壁件时，第一层由两条堆积焊道搭接而成，有效克服了第二层堆积时由于偏移量过大引起的熔池流淌问题。在堆积第二层及后续层时，焊枪沿垂直于高度方向水平偏移一定距离，进而成形倾斜结构。该发明实现了倾斜薄壁结构件的高质量成形，而且该方法还易于成形过程的自动化。
附图说明
图1是实施例1的多层单道直壁倾斜结构件电弧填丝增材制造过程示意图；
图2是实施例2的多层单道环形倾斜结构件电弧填丝增材制造过程示意图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图1所示，高强钢直壁结构件为多层单道结构，结构件高70mm，宽度7.5mm，长150mm，直壁结构件与基板夹角成45°。电弧填丝增材制造设备为Panasonic YD-500FR电源，ABB机器人作为运动机构，焊枪固定在机器人第六轴末端上。电弧填丝增材制造参数：堆积电流150A，堆积速度5mm/s，结构件与基板夹角为90°时堆积层层高h为1.66mm，堆积过程用保护气为95％Ar+5％CO2，填充丝材为CHW-55CNH高强耐候钢焊丝，丝材直径1.2mm，Q235基板尺寸为200mm×120mm×10mm，焊枪固定在机器人第六轴末端或由步进电机带动的十字滑架上。电弧增材制造热源为熔化极气体保护电弧、钨极氩弧或等离子弧。具体步骤如下：
步骤一：通过ABB机器人的运动，调节焊枪高度，保证焊枪到基板表面垂直距离为12mm。在基板上确定起弧点，采用电弧填丝增材制造热源在基板上堆积第一层第一道，焊枪沿水平方向横向偏移的距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍，道间等待时间1min，然后开始第一层第二道的搭接堆积，层间等待时间1min；
步骤二：焊枪移动至第一层第一道堆积路径起弧或熄弧端处，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第二层的堆积，层间等待时间1min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪沿水平方向横向偏移量d是通过以下公式计算确定的：d＝h·cosβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤三：焊枪升高一个层高hβ，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第三层的堆积，层间等待时间1min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪升高的层高hβ是通过以下公式计算确定的：hβ＝h·sinβ；其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤四：继续重复步骤三，完成其余层的堆积，直到整个多层单道薄壁结构件的高度尺寸满足要求为止。
上述倾斜薄壁结构件的堆积过程中，第一层第一道与第一层第二道的堆积方向相同，而沿堆积高度方向相邻层间堆积方向相反。
实施例2
如图2所示，高强钢圆环结构件为多层单道结构，高43mm，宽度6mm，圆环结构件中心半径55mm，圆环结构件截面与基板成60°。电弧填丝增材制造设备为Panasonic YD-500FR电源，ABB机器人作为运动机构，焊枪固定在机器人第六轴末端上。高强钢圆环薄壁结构件堆积工艺参数为：堆积电流120A，堆积速度5.3mm/s，结构件与基板夹角为90°时堆积层层高h为1.44mm，堆积过程用保护气为95％Ar+5％CO2，填充丝材为CHW-55CNH高强耐候钢焊丝，丝材直径1.2mm，Q235基板尺寸为200mm×150mm×10mm。焊枪固定在机器人第六轴末端或由步进电机带动的十字滑架上。电弧增材制造热源为熔化极气体保护电弧、钨极氩弧或等离子弧。具体步骤如下：
(1)通过ABB机器人的运动，调节焊枪高度，保证焊枪到基板表面垂直距离为14mm。在基板上确定起弧点，焊枪沿圆环外侧运动，焊枪沿水平方向横向偏移的距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍，电弧起弧后焊枪沿顺时针方向运动，道间等待时间3min，然后开始第一层第二道的搭接堆积；
(2)焊枪移动至第一层第一道堆积路径起弧或熄弧端处，焊枪沿圆环外侧运动，焊枪水平方向横向偏移dmm，电弧起弧后焊枪沿逆时针方向运动，完成第二层的堆积，层间等待时间5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪沿水平方向横向偏移量d是通过以下公式计算确定的：d＝h·cosβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤三：焊枪升高一个层高hβ，焊枪沿圆环外侧运动，焊枪沿水平方向横向偏移的距离为dmm，完成第三层的堆积，层间等待时间5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪升高的层高hβ是通过以下公式计算确定的：hβ＝h·sinβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤四：继续重复步骤三，完成其余层的堆积，直到整个多层单道薄壁结构件的高度尺寸满足要求为止。
上述多层单道圆环倾斜薄壁结构件的堆积过程中，第一层第一道与第一层第二道的堆积方向相同，相邻层间堆积方向相反。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，用于制造与基板有一定夹角的倾斜薄壁结构件，所述薄壁结构件为多层单道结构，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采用电弧填丝增材制造热源在基板上堆积第一层第一道，焊枪沿水平方向横向偏移的距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍，道间等待时间1-3min，然后开始第一层第二道的搭接堆积，层间等待时间1-5min；
步骤二：焊枪移动至第一层第一道堆积路径起弧或熄弧端处，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第二层的堆积，层间等待时间1-5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪沿水平方向横向偏移量d是通过以下公式计算确定的：d＝h·cosβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤三：焊枪升高一个层高hβ，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第三层的堆积，层间等待时间1-5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪升高的层高hβ是通过以下公式计算确定的：hβ＝h·sinβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；
步骤四：继续重复步骤三，完成多层堆积成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。
2.根据权利要求1所述的一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，其特征在于：焊枪沿水平方向横向偏移量d为0-1.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，其特征在于：所述第一层第一道的堆积方向与第一层第二道的堆积方向相同。
4.根据权利要求1所述的一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，其特征在于：相邻层之间的堆积方向相反。
5.根据权利要求1所述的一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，其特征在于：焊枪固定在机器人第六轴末端或由步进电机带动的十字滑架上。
6.根据权利要求1所述的一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，其特征在于：电弧填丝增材制造热源为熔化极气体保护电弧、钨极氩弧或等离子弧。
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