基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3d打印方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于3D打印设备和材料加工技术领域，涉及一种基于熔化极气体保护焊 和数控加工相结合的金属焊接3D打印方法，用于制造金属零件。
【背景技术】
[0002] 3D打印技术是RPM的主要实现形式，通过堆积将材料有规律地、精确地叠加起来， 形成三维实体。其最大的优点是能够简化制造程序，增加产品成型速度，缩短新产品的研制 周期，降低开发成本及风险。制造金属零件是3D打印技术中最前沿和最有发展潜力的技 术，是先进制造技术的重要发展方向。目前，3D打印能够制造金属零件的工艺主要有：选域 打印成形、熔敷打印成形、熔滴打印成形和焊接打印成形。其中，选域打印成形和熔敷打印 成形需要用激光和电子束等高能束热源提供能量，设备昂贵、生产效率低，制造的零件在强 度和精度上都很难达到理想效果，大大制约了在工业上的发展应用；熔滴打印成形工艺，除 了设备昂贵之外，打印材料多局限于低熔点金属，这也是制约其规模应用的重要因素。而焊 接打印成形工艺是先进CAD技术与现有成熟的焊接技术有机结合的产物，与其他RPM技术 相比，其提供了一种相对成本较低的直接快速制造金属零件的技术。
[0003] 3D焊接打印技术是利用焊接产生的高温使金属丝材熔化，通过液态金属过渡来实 现金属材料的连续堆积。由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形状及精度控制变得异常 困难；同时，焊接过程也是一个冶金过程，伴随着金属零件的内部组织转变、焊接变形以及 焊接残余应力等问题，这都将影响零件的几何尺寸和力学性能。
[0004] 基于以上原因，目前3D焊接打印制造的金属零件存在尺寸精度、致密度和强度等 较差的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打 印方法，解决目前无法通过现有的3D打印技术制造高致密度和高强度的金属零件问题，提 高成形零件的尺寸精度。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0007] 1)设计出所需3D焊接打印金属零件的三维实体模型，然后利用CAD模型分层切片 算法将三维实体模型分层，从而获得所需3D焊接打印金属零件的金属熔敷路径规划；
[0008] 2)根据所述金属熔敷路径规划并采用堆焊方式逐层形成熔覆层，堆焊过程中，熔 滴采用一脉一滴的过渡方式，并采用Z字往复扫描以及每层旋转一定角度使起弧点错开的 扫描方式，焊接工艺参数按照以下原则确定：底层的热输入较大，以后逐渐递减，直到熔覆 材料的吸热和放热相平衡，不再改变热输入，在堆积完一层熔敷金属后对焊缝表面进行加 工，加工后进行冷却，然后堆焊下一层。
[0009] 采用直径0. 8~1. 2mm的实芯焊丝进行堆焊，焊缝层宽和层厚均为1~3mm。
[0010] 所述焊接工艺参数在以下范围内选取：焊接电流I= 50~90A、焊接电压U= 15~25V、送丝速度Vi= 3~7m/min、行走速度V2= 180~360mm/min。
[0011] 所述冷却的方式为水冷或油冷。
[0012] 以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表 面进行加工。
[0013] 所述3D打印方法还包括以下步骤：在堆焊过程中，对焊接工艺参数以及成型温度 以及应力数据进行采集并建立有限元模型，通过有限元模型进行焊接熔敷堆积过程温度场 以及应力场方面的数值模拟，从而获得金属零件的焊接过程的变形规律。
[0014] 本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明采用3D焊接打印进行金属零件 的制造，在零件的成型过程中通过对焊接路径以及线能量的控制，实现层与层之间的冶金 结合，消除了熔敷层的内部气孔和微裂纹等缺陷，提高了成型件的致密度，并采取冷却增大 熔敷金属的冷却速度，减小变形量，提高金属零件的力学性能；同时，在3D打印每堆积完一 层熔敷金属之后，便由数控机床对其成型表面进行机加工，从而提高了零件的表面精度。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0016] 本发明利用熔化焊焊机、数控机床、3D打印设备组成复合三工位的快速成形系统。 其中，熔化焊焊机作为焊接热源、3D打印设备作为运动装置、数控机床对零件表面进行加 工。三者共同搭建快速成型制造技术实验平台，并与0〇. 8mm:的ER50-6实芯焊丝配合使用， 进行金属零件的打印制造。
[0017] 由此，本发明提供了一种基于熔化极气体保护焊和数控机床相结合的金属焊接3D 打印技术获得金属零件的方法，该方法包括如下步骤：
[0018] 1)设计出所需金属零件的三维实体模型，针对焊接快速成型特点编写专用的CAD 模型切片算法，采用Z字扫描、每层旋转一定角度（说明：采用方向平行路径进行实体填充， 即每一段填充路径之间相互平行，在边界线内往复扫描进行填充，为了避免起弧和收弧阶 段出现弧坑缺陷，在堆焊下一层时，避开上层起弧点一定距离）的方式来消除内部可能产 生的累计误差和缺陷；
[0019] 2)采用一脉一滴的过渡方式，实现对熔滴过渡的有效控制，堆焊时，焊丝为 的ER50-6实芯焊丝，选择焊缝层宽w= 3_、层厚h= 3mm;
[0020] 3)根据焊接成型特点，在打印过程中实时调整焊接电流、电压、送丝速度、行走速 度等参数，实现工艺优化配置，建立焊接参数专家数据库；其中，焊接电流I= 50~90A、电 压U= 15~25V、送丝速度Vf3~7m/min、行走速度V2= 180~360mm/min;堆焊时， 底层熔敷金属选择的热输入较大，以后逐渐递减，直到材料的吸热和放热达到平衡状态，保 持焊接参数不变；并且对每层堆焊完成的熔敷金属进行数控加工处理，确保工件表面精度； 加工后下降并淹没入冷却介质（水或油）中，进行冷却。
[0021] 在焊接熔敷堆积的过程中，对焊接熔敷参数（包括：焊接电流、焊接电压、送丝速 度和行走速度）以及成型件温度以及应力数据进行采集并建立有限元模型，通过有限元模 型进行焊接熔敷堆积过程温度场、应力场方面的数值模拟，从而获得金属零件的焊接过程 的变形规律，为后续实验提供参考；同时，也可采用预热及控制层间温度的方法来消除焊接 残余应力，减小变形量。
[0022] 实施例1
[0023] 本实施例使用, 8mm的ER50-6实芯焊丝，焊接单壁厚度3mm、尺寸大小为 80_X80_X60mm的空心实物，保护气体采用Ar80%+C0220%的混合气体。每一层一道 焊缝，每条焊缝的高度为3mm，相邻焊缝（上下两层）间距为3mm。工作台下降高度为3mm， 所得焊接样件表面成形良好，上下相邻焊缝之间的结合效果较好，宏观上没有明显的界限。 具体焊接工艺参数如下表所示：
[0024] 样件底部1-4层的工艺参数
[0025]
[0026] 样件中间5-15层的工艺参数
[0027]
[0028] 样件最上部16-20层的工艺参数
[0029]
[0030] 样件由于尺寸较小，不满足国标要求，未做强度等检测。
[0031] 实施例2
[0032] 本实施例使用?0. 8_的ER50-6焊丝，焊接空心样件，尺寸大小为 350mmX60mmX45mm。保护气体为混合气体：Ar80%+C0220%。每一层为5道焊缝，每条 焊缝的宽度w= 3_，高度h= 3_，相邻焊缝（两个意思：一个指上下相邻；一个指左右相 邻）的间距为3mm，工作台下降高度为3mm，所制得的焊接样件表面成形良好，两道焊缝之间 的结合效果较好，宏观上没有明显的界限。具体焊接工艺参数如下表所示：
[0033] 样件底部1-5层的工艺参数
[0034]
[0035] 样件中间6-8层的工艺参数
[0036]
[0037] 样件最上部9-15层的工艺参数
[0038]
[0039] 样件力学性能检测
[0040]
[0041] 总之，本发明采用Z字扫描、每层旋转一定角度的方式来消除内部可能产生的累 计误差和缺陷；采用一脉一滴的熔滴过渡方式进行堆焊，对每堆积完一层的熔敷金属便即 刻由数控机床对其表面进行机加工并冷却；从而，不仅提高了零件的表面精度，而且所得样 件的焊接工艺性能优异，熔敷金属强度能够满足工业上的使用要求。
【主权项】
1. 一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，其特征在于：该3D 打印方法包括以下步骤： 1) 设计出所需3D焊接打印金属零件的三维实体模型，然后利用CAD模型分层切片算法 将三维实体模型分层，从而获得所需3D焊接打印金属零件的金属熔敷路径规划； 2) 根据所述金属熔敷路径规划并采用堆焊方式逐层形成熔覆层，堆焊过程中，熔滴采 用一脉一滴的过渡方式，并采用Z字往复扫描以及每层旋转一定角度使起弧点错开的扫描 方式，焊接工艺参数按照以下原则确定：底层的热输入较大，以后逐渐递减，直到熔覆材料 的吸热和放热相平衡，不再改变热输入，在堆积完一层熔敷金属后对焊缝表面进行加工，加 工后进行冷却，然后堆焊下一层。2. 根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印 方法，其特征在于：采用直径0. 8~1. 2mm的实芯焊丝进行堆焊，焊缝层宽和层厚均为1~ 3mm〇3. 根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方 法，其特征在于：所述焊接工艺参数在以下范围内选取：焊接电流I= 50~90A、焊接电压U= 15 ~25V、送丝速度 3 ~7m/min、行走速度V2= 180 ~360mm/min。4. 根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方 法，其特征在于：所述冷却的方式为水冷或油冷。5. 根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方 法，其特征在于：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对 焊缝表面进行加工。6. 根据权利要求1所述一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方 法，其特征在于：所述3D打印方法还包括以下步骤：在堆焊过程中，对焊接工艺参数以及成 型温度以及应力数据进行采集并建立有限元模型，通过有限元模型进行焊接熔敷堆积过程 温度场以及应力场方面的数值模拟，从而获得金属零件的焊接过程的变形规律。
【专利摘要】本发明公开了一种基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法，以熔化焊焊机作为焊接热源、3D打印设备作为运动装置、数控机床对成形表面进行加工，采用Z字扫描、每层旋转一定角度的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷；采用一脉一滴的熔滴过渡方式进行堆焊，对每堆积完一层的熔敷金属便即刻由数控机床对其表面进行机加工，所得样件的焊接工艺性能优异，熔敷金属强度能够满足工业上的使用要求。
【IPC分类】B23K9/173, B23K9/32, B23K9/04
【公开号】CN105252119
【申请号】CN201510795835
【发明人】杨建森, 邢奎, 王永信
【申请人】陕西恒通智能机器有限公司
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月18日