CN112828421B - 电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，至少包括成形第一网格框架层，第一网格框架层的成形至少包括第一熔融堆积路径以及第二熔融堆积路径；第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相对设置；第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第一交叉点，交叉点处第一熔融堆积路径的焊道和第二熔融堆积路径的焊道是非接触的。本发明改变了原始的框架成形路径，通过采用对称成形，并在网格框架交叉点处设置偏移量的成形方法，解决了基板在成形过程中由于经历多次热循环而产生的翘曲变形，同时也保证了具有多个网格交叉点的薄壁框架结构在成形过程中的平整度，避免了交叉点在经历多次熔融堆积后出现的高度差。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种网格框架的制造方法，尤其涉及一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法。
背景技术
增材制造技术(Additive Manufacture Technology)，又名3D打印，通过逐层叠加原理，实现零部件结构的整体快速成形，它是融合了数字化技术、计算机技术、材料科学和机械加工等技术，被认为是“第四次工业革命”。金属材料增材制造技术，根据其热源形式，主要有电弧、激光和电子束，原材料通常为粉末和丝材两种，主要以送粉、送丝或者铺粉的形式，对零部件进行快速成形。目前，金属材料增材制造技术主要有激光选区熔化(SLM)、电子束选区熔化(EBM)、电子束熔融沉积(EBAM)、激光立体成形(LSF)等。
金属材料的电弧熔丝增材制造技术(Wire andArcAdditive Manufacture，WAAM)是利用焊接电弧作为热源，通过旁侧送丝或者同轴送丝的方式，对金属丝材进行熔融堆积的增材制造方式。相对于以激光和电子束为热源的增材制造技术，电弧增材制造技术具有沉积效率高，材料利用率高，成形周期短，制造成本低，柔性化程度高，对零件尺寸限制少，可用于零部件的修复等众多优点。目前，电弧熔丝增材制造技术主要有熔化极惰性气体保护焊(MIG)、钨极惰性气体保护焊(TIG)、等离子弧焊(PAW)等，其中在熔化极气体保护焊基础之上，通过改变送丝方式得到的冷金属过渡焊接技术(Cold Metal Transfer，CMT)，因其较低的热输入而被大量的用于金属材料增材制造。
电弧熔丝增材制造技术，因其高的成形效率，高的材料利用率和低成本而被认为是极具潜力的增材制造技术。然而，电弧斑点区域较大，熔池较宽，热输入较高，在成形过程中，基板受热易产生变形，因此需要采用较厚的基板进行成形，一定程度上造成了材料的浪费。其次，网格框架结构交叉点较多，在熔融堆积过程中，由于路径规划不合理会使交叉点经历两次甚至多次熔融堆积，产生一定的高度差，随着堆积高度的累积，该高度差增加，导致成形件外观质量较差，甚至造成成形过程中断。因此，针对上述问题，有必要提出一种新的电弧熔丝增材制造工艺方法。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种成功克服了较薄基板在成形过程中由于经历多次热循环而产生的翘曲变形、保证具有多个网格交叉点的薄壁框架结构在成形过程中高度的平整的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少包括成形第一网格框架层的步骤；所述第一网格框架层的成形至少包括第一熔融堆积路径以及第二熔融堆积路径；所述第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相对设置；所述第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第一交叉点；所述第一交叉点处的第一熔融堆积路径的焊道和第二熔融堆积路径的焊道是非接触的。
上述第一熔融堆积路径呈V字型或均呈W字型；所述第一熔融堆积路径呈V字型时，所述第二熔融堆积路径呈倒立V字型且与呈V字型的第一熔融堆积路径背靠背设置；所述第一熔融堆积路径呈W字型时，所述第二熔融堆积路径呈M字型且与呈W字型的第一熔融堆积路径背靠背设置。
上述第一熔融堆积路径呈W字型时，所述第二熔融堆积路径还包括与M字型的第二熔融堆积路径首尾相连的延伸段路径；所述延伸段路径整体呈W字型，所述呈W字型的延伸段路径与呈M字型的第二熔融堆积路径相对设置；所述延伸段路径与第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第二交叉点，所述第二交叉点处的第二熔融堆积路径的焊道和延伸段路径的焊道是非接触的。
上述第一网格框架层还包括与延伸段路径相对设置的第三熔融堆积路径。
上述第三熔融堆积路径的成形路径与第一熔融堆积路径的成形路径相反。
上述所述第三熔融堆积路径呈M字型且与呈W字型的延伸段路径背靠背设置；所述延伸段路径和第三熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第三交叉点；所述第三交叉点处的延伸段路径的焊道和第三熔融堆积路径的焊道非接触。
上述第一网格框架层的第一交叉点处的第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径之间的距离是L1；所述第一网格框架层的第二交叉点处的第二熔融堆积路径和延伸段路径之间的距离是L2；所述第一网格框架层的第三交叉点处的延伸段路径和第三熔融堆积路径之间的距离是 L3；所述第一熔融堆积路径的焊道宽度、第二熔融堆积路径的焊道宽度、延伸段路径的焊道宽度以及第三熔融堆积路径的焊道宽度均相同，记为L；所述L1＝L2＝L3＝1/5～1/3L。
上述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括在第一网格框架层的基础上成形第二网格框架层的步骤；所述第二网格框架层的熔融堆积路径与第一网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
上述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括：以第一网格框架层的成形方法，在第二网格框架层的基础上成形第三网格框架层的步骤；所述第三网格框架层的熔融堆积路径与第二网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
上述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括：以第二网格框架层的成形方法，在第三网格框架层的基础上成形第四网格框架层并直至形成整体的网络框架结构的步骤；所述第四网格框架层的熔融堆积路径与第三网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
本发明的优点是：
本发明提供了一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，本发明改变了原始的框架成形路径，通过采用对称成形，并在网格框架交叉点处设置偏移量的成形方法，解决了基板在成形过程中由于经历多次热循环而产生的翘曲变形，同时也保证了具有多个网格交叉点的薄壁框架结构在成形过程中的平整度，避免了交叉点在经历多次熔融堆积后出现的高度差。另外，本发明中网格的拐点角度可控，可满足不同形式的网络框架结构。
附图说明
图1是网格框架结构电弧熔丝堆积成形奇数层堆积路径；
图2是网格框架结构电弧熔丝堆积成形偶数层堆积路径；
图3实例中的框架结构。
具体实施方式
本发明提供了一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，该电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少包括成形第一网格框架层的步骤；第一网格框架层的成形至少包括第一熔融堆积路径以及第二熔融堆积路径；第一熔融堆积路径以及第二熔融堆积路径均是以网格框架结构的一侧端点起弧，沿结构的***进行熔融堆积，至网格框架结构的同一侧另一端点处熄弧；第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相对设置；第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第一交叉点；第一交叉点处的第一熔融堆积路径的焊道和第二熔融堆积路径的焊道是非接触的。
第一熔融堆积路径呈V字型或均呈W字型；第一熔融堆积路径呈V字型时，第二熔融堆积路径呈倒立V字型且与呈V字型的第一熔融堆积路径背靠背设置；第一熔融堆积路径呈W字型时，第二熔融堆积路径呈M字型且与呈W字型的第一熔融堆积路径背靠背设置。
第一熔融堆积路径呈W字型时，第二熔融堆积路径还包括与M字型的第二熔融堆积路径首尾相连的延伸段路径；延伸段路径整体呈W字型，呈W字型的延伸段路径与呈M字型的第二熔融堆积路径相对设置；延伸段路径与第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第二交叉点，第二交叉点处的第二熔融堆积路径的焊道和延伸段路径的焊道是非接触的。
第一网格框架层还包括与延伸段路径相对设置的第三熔融堆积路径。
第三熔融堆积路径的成形路径与第一熔融堆积路径的成形路径相反。
第三熔融堆积路径呈M字型且与呈W字型的延伸段路径背靠背设置；延伸段路径和第三熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第三交叉点；第三交叉点处的延伸段路径的焊道和第三熔融堆积路径的焊道非接触。
第一网格框架层的第一交叉点处的第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径之间的距离是 L1；第一网格框架层的第二交叉点处的第二熔融堆积路径和延伸段路径之间的距离是L2；第一网格框架层的第三交叉点处的延伸段路径和第三熔融堆积路径之间的距离是L3；第一熔融堆积路径的焊道宽度、第二熔融堆积路径的焊道宽度、延伸段路径的焊道宽度以及第三熔融堆积路径的焊道宽度均相同，记为L；L1＝L2＝L3＝1/5～1/3L。
电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括在第一网格框架层的基础上成形第二网格框架层的步骤；第二网格框架层的熔融堆积路径与第一网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括：以第一网格框架层的成形方法，在第二网格框架层的基础上成形第三网格框架层的步骤；第三网格框架层的熔融堆积路径与第二网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括：以第二网格框架层的成形方法，在第三网格框架层的基础上成形第四网格框架层并直至形成整体的网络框架结构的步骤；第四网格框架层的熔融堆积路径与第三网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
其中，第一网格框架层可以根据零件扩展，不一定是两个熔融堆积路径或三个熔融堆积路径，网格框架结构是根据零件高度和单层成形高度确定网格框架的层数。
具体而言，本发明提供了一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，包括：
1)以网格框架结构的一侧端点起弧，沿结构的***进行熔融堆积，至网格框架结构的同一侧另一端点处熄弧；
2)对称的，在网格框架结构的另一侧一端点处起弧，沿该侧的***进行熔融堆积，至网格框架结构该侧的另一端点处熄弧；
3)网格框架结构的中间部分，沿一端点处起弧，绕框架结构一周，回到起始点熄弧；
4)第一层网络框架成形后，重复步骤1)至步骤3)，在第一层网络框架上进行第二层网络框架成形，待第二层网络框架成形完毕后，再在第二层网络框架上成形第三层网络框架，依此类推，直至形成整体的网络框架结构。
其中：步骤1)和步骤2)中的框架***同层两侧的成形路径相反，步骤3)中，框架中间部分的成形采用回环式的成形方法，减少了熄弧和起弧的次数，降低了因起弧，熄弧成形机制不同造成的尺寸差异，同时也节省了成形时间。为了避免交叉点经历多次熔融堆积，产生高度差，影响零件的尺寸，交叉点处的相邻沉积路径之间应设置偏移量L。L的大小与焊道宽度、及框架结构交叉点处的尺寸有关。在保证加工余量和零件尺寸的情况下，相邻沉积路径之间应的偏移量L一般为焊道宽度的1/5～1/3左右。零件沉积过程中，奇数层(参见图1)与偶数层(参见图2)的沉积路径相互垂直。沉积路径中，网格的拐点角度可控，可满足不同形式的网络框架结构。
下面结合附图及实施案例对本发明做进一步的说明。
以采用等离子弧增材制造技术打印如图3所示的钛合金框架结构为例，其具体的操作步骤如下所示：
1)选用
的TC4焊丝作为沉积材料，经过试验测试确定结构件成形过程中用到的工艺参数：焊接电流180A，焊接速度300mm/min，送丝速度3m/min；
2)采用步骤1)确定的工艺参数在网络框架结构的一侧沿路径1进行熔融堆积；
3)对称的，在网格框架结构的另一侧沿路径2进行熔融堆积；
4)对于网络框架中间部分，沿路径3和路径4进行熔融堆积，值得注意的是，路径3和路径4在交叉点A处相遇时，预留有3mm的偏移量，以减缓该点在经历两次熔融堆积后产生的高度差(相比于同层框架的其它部位而言)；路径3和路径1的交点是连接在一起的，这样做是为了减少熄弧、起弧的次数，直接一条路径成形，只是在A点处设置偏移距离。
5)第一层网络框架成形后，焊枪抬高一个层厚的距离，重复步骤2)至步骤4)，在第一层网络框架上进行第二层网络框架成形，待第二层网络框架成形完毕后，再在第二层网络框架上成形第三层网络框架，依此类推，直至形成整体的网络框架结构。
Claims (9)
1.一种电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少包括成形第一网格框架层的步骤；所述第一网格框架层的成形至少包括第一熔融堆积路径以及第二熔融堆积路径；所述第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相对设置；所述第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第一交叉点；所述第一交叉点处的第一熔融堆积路径的焊道和第二熔融堆积路径的焊道是非接触的；所述第一网格框架层的第一交叉点处的第一熔融堆积路径和第二熔融堆积路径之间的距离是L1；所述第一熔融堆积路径的焊道宽度以及第二熔融堆积路径的焊道宽度均相同，记为L；所述L1＝1/5～1/3L；
所述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括在第一网格框架层的基础上成形第二网格框架层的步骤；所述第二网格框架层的熔融堆积路径与第一网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
2.根据权利要求1所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述第一熔融堆积路径呈V字型或均呈W字型；所述第一熔融堆积路径呈V字型时，所述第二熔融堆积路径呈倒立V字型且与呈V字型的第一熔融堆积路径背靠背设置；所述第一熔融堆积路径呈W字型时，所述第二熔融堆积路径呈M字型且与呈W字型的第一熔融堆积路径背靠背设置。
3.根据权利要求2所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述第一熔融堆积路径呈W字型时，所述第二熔融堆积路径还包括与M字型的第二熔融堆积路径首尾相连的延伸段路径；所述延伸段路径整体呈W字型，所述呈W字型的延伸段路径与呈M字型的第二熔融堆积路径相对设置；所述延伸段路径与第二熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第二交叉点，所述第二交叉点处的第二熔融堆积路径的焊道和延伸段路径的焊道是非接触的。
4.根据权利要求3所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述第一网格框架层还包括与延伸段路径相对设置的第三熔融堆积路径。
5.根据权利要求4所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述第三熔融堆积路径的成形路径与第一熔融堆积路径的成形路径相反。
6.根据权利要求5所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述第三熔融堆积路径呈M字型且与呈W字型的延伸段路径背靠背设置；所述延伸段路径和第三熔融堆积路径相邻的位置是第一网格框架层的第三交叉点；所述第三交叉点处的延伸段路径的焊道和第三熔融堆积路径的焊道非接触。
7.根据权利要求6所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述第一网格框架层的第二交叉点处的第二熔融堆积路径和延伸段路径之间的距离是L2；所述第一网格框架层的第三交叉点处的延伸段路径和第三熔融堆积路径之间的距离是L3；所述第一熔融堆积路径的焊道宽度、延伸段路径的焊道宽度以及第三熔融堆积路径的焊道宽度均相同，记为L；所述L1＝L2＝L3＝1/5～1/3L。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括：以第一网格框架层的成形方法，在第二网格框架层的基础上成形第三网格框架层的步骤；所述第三网格框架层的熔融堆积路径与第二网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
9.根据权利要求8所述的电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法，其特征在于：所述电弧熔丝增材制造网格框架结构的方法至少还包括：以第二网格框架层的成形方法，在第三网格框架层的基础上成形第四网格框架层并直至形成整体的网络框架结构的步骤；所述第四网格框架层的熔融堆积路径与第三网格框架层的熔融堆积路径相互垂直。
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