一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法与流程

1.本发明涉及金属丝材增材制造技术领域，具体涉及一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法。


背景技术：

2.传统大尺寸零件制造中，大尺寸薄壁结构件无法直接一体成型，需要进行拼焊，会出现一条或多条零件焊缝，加之焊缝除受材料、工艺等客观因素的影响，还受焊工本身素质影响较大，对于零件高性能、高可靠和长寿命的实现极为困难。在薄壁件上进行其余部件的焊接是一个更大的挑战，且传统方式制造的薄壁件微观组织和焊接微观组织存在较大差异，后期在连接处会出现较大风险。
3.现有金属粉末等增材技术中，由于增材制造设备尺寸的限制，一般无法进行大尺寸的金属零件的增材。同时，金属粉末增材制造往往存在金属粉末材料利用率低，制造周期长，制造成本高的问题。
4.现有金属丝材增材制造技术中，在制造变截面的金属零件时，存在需要加支撑的技术问题，通常会影响后续拆除支撑后的金属零件的性能。而且，在制造薄壁件时，增材工艺的不同通常对零件的性能具有较大的影响。
5.现有技术存在的主要技术问题可以概括为下几个方面。
6.1、大型薄壁件一体化成形对于高端设备要求较高，需要构建大型、超大型设备进行一体化成形；同时仍需要进行较多的工艺开发试验来避免成形过程中会出现变形、开裂、起皱等诸多问题。
7.2、现有大型薄壁件、薄壁件变截面成形采用分瓣成形+拼焊技术，该技术会出现一道或多道焊缝，焊缝受焊工影响较大，且焊接过程中大型薄壁件受装配误差、热变形、残余应力等因素对焊接后零件尺寸、可靠性等影响较大，从而导致零件服役过程中失效。
8.3、薄壁件上一般需要焊接一些部件进行后续装配，现有较为成熟技术是将部件与薄板直接进行焊接，或者进行模锻，或者使用一大块材料进行切削，变形，需要较大模具，材料利用率极低。
9.4、目前增材打印无法直接打印内外部结构，如内环筋部位。
10.5、传统分瓣成形+拼焊技术耗时周期长，无法满足新一代装备研发周期快速迭代的要求。
11.针对上述传统制造方法、金属粉末增材制造技术以及金属丝材增材技术存在的问题，本发明提出一种应用金属丝材进行大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法。


技术实现要素：

12.一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，所述大尺寸薄壁变截面复杂零件为环形筒状结构，其横截面直径为φ1200mm-φ3000mm，高度为800mm-1500mm，筒壁厚2mm-4mm，所用金属材料为钛合金或不锈钢材料，其内表面有一条以上的内环筋，外表面有
一条以上的外环筋；其增材制造的方法包括以下几个步骤：a：打印准备：将环形基板固定在打印平台上，并进行打磨，打磨后用无水丙酮或酒精擦拭基板表面；调整两轴变位机位姿确保打印平台保持水平状态，设置首层打印的工艺参数；b：首层打印：启动六轴机器人与焊枪，首先空程打印2min，确认程序无误后，使用金属丝材打印环形筒壁首层；c：环形筒壁一次打印：首层打印结束后采用常规打印的工艺参数打印环形筒壁，至内环筋上方高度3-5cm处；采用的打印路径为单层单道或单层多道螺旋环形上升；d：内环筋打印：调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持水平方向，与环形筒壁垂直且位于环形筒壁的内部，打印筒壁的内环筋；e.环形筒壁二次打印：完成内环筋打印后，调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持竖直方向，与环形筒壁中心轴同轴，继续打印环形筒壁；f.外环筋打印：打印筒壁结束后，调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持水平方向，位于环形筒壁外部并与环形筒壁中心轴垂直，打印外环筋；或者，调整打印的工艺参数，且两轴变位机变换位姿，六轴机器人与焊枪保持原位姿，两轴变位机旋转90度，使得六轴机器人的第六轴与焊枪位于环形筒壁外部并与环形筒壁中心轴垂直，进而打印外环筋直至完成；g：后处理：打印完成后，打磨环形筒壁、内环筋和外环筋，并用无水丙酮或酒精擦拭。
13.进一步的，所述b首层打印的工艺参数为：焊接电流115a，焊接电压18.9v，送丝速度4.2m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4.5mm，层高为1.2mm。
14.进一步的，所述c环形筒壁一次打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.5m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4mm，层高为1mm。
15.进一步的，所述d内环筋打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.3m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4mm，层高为1.2mm。
16.进一步的，所述e环形筒壁二次打印的工艺参数与所述c环形筒壁一次打印的工艺参数相同。
17.进一步的，所述f外环筋打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.3m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4mm，层高为1.2mm。
18.进一步的，所述d内环筋打印前，打磨内环筋打印位置，并用无水丙酮或酒精擦拭打磨位置；所述f外环筋打印前，打磨外环筋打印位置，并用无水丙酮或酒精擦拭打磨位置。
19.本发明的有益技术效果是以下几个方面。
20.（1）本发明构建了大型的金属丝材增材设备，相较于现有小尺寸的增材方式及金
属粉末的增材方式，实现了较大尺寸金属件的近净成形。
21.（2）本发明试验了金属丝材电弧增材制造领域中的多种工艺及其参数，测试出适合大尺寸、变截面、薄壁金属件的增材制造工艺方法，显著降低了零件的增材质量和性能问题。
22.（3）本发明实现了环形筒壁与内外部结构一体化打印，相较于传统的制造方法，显著减少了零件多焊缝导致的质量问题，同时充分提高了材料利用率，降低了制造成本。
附图说明
23.图1是本发明大尺寸薄壁变截面复杂零件结构示意图。
24.图中：1-基板；2-内环筋；3-筒壁；4-外环筋。
具体实施方式
25.下面将结合实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他是实施例，都属于本发明的保护范围。
26.实施例：er316l不锈钢的mig增材制造。
27.图1所示，一种大尺寸薄壁变截面复杂零件结构，其为环形筒状结构，其内表面有一条内环筋2，外表面有两条外环筋4；横截面直径为φ1200mm，变截面处的横截面直径为φ800mm-φ1200mm，高度为800mm，筒壁厚4mm，其近净成形的方法包括以下几个步骤：
28.a：将环形基板1固定在打印平台上，并进行打磨，打磨后用无水丙酮或酒精擦拭基板表面。
29.b：调整两轴变位机位姿确保打印平台保持水平状态，设置首层打印的工艺参数；焊接电流115a，焊接电压18.9v，送丝速度4.2m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min；该打印工艺下可得到的焊缝宽度为4.5mm，层高为1.2mm。
30.c：启动六轴机器人与焊枪，首先空程打印2min，确认程序无误后，使用金属丝材打印环形筒壁首层，首层打印结束后采用常规打印的工艺参数打印环形筒壁，至内环筋上方高度5cm处；该打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.5m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min；该打印工艺下可得到的焊缝宽度为4mm，层高为1mm，采用的打印路径为单层多道螺旋环形上升；当打印厚2mm的筒壁时，可采用单层单道螺旋环形上升打印路径。
31.d：调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持水平方向，与环形筒壁垂直且位于环形筒壁的内部，打印筒壁的内环筋；打印内环筋的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.3m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min；该打印工艺下可得到的焊缝宽度为4mm，层高为1.2mm。
32.e.完成内环筋打印后，调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持竖直方向，与环形筒壁中心轴同轴，继续打印环形筒壁；打印的工艺参数与所述c的常规打印的工艺参数相同。
33.f.打印筒壁结束后，调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持水平方向，位于环形筒壁外部并与环形筒壁中心轴垂直，打印外环筋；或者，调整打印的工艺参数，且两轴变位机变换位姿，六轴机器人与焊枪保持原位姿，两轴变位机旋转90度，使得六轴机器人的第六轴与焊枪位于环形筒壁外部并与环形筒壁中心轴垂直，进而打印外环筋直至完成；打印外环筋的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.3m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min；该打印工艺下可得到的焊缝宽度为4mm，层高为1.2mm。
34.g：打印完成后，打磨环形筒壁、内环筋和外环筋，并用无水丙酮或酒精擦拭。
35.对本领域技术人员而言，上述实施例是示范性的、非限制性的，本发明的保护范围不因上述实施例而限定，同时不应将权利要求书中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求的保护范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述大尺寸薄壁变截面复杂零件为环形筒状结构，其横截面直径为φ1200mm-φ3000mm，高度为800mm-1500mm，筒壁厚2mm-4mm，所用金属材料为钛合金或不锈钢材料，其内表面有一条以上的内环筋，外表面有一条以上的外环筋；其增材制造的方法包括以下几个步骤：a：打印准备：将环形基板固定在打印平台上，并进行打磨，打磨后用无水丙酮或酒精擦拭基板表面；调整两轴变位机位姿确保打印平台保持水平状态，设置首层打印的工艺参数；b：首层打印：启动六轴机器人与焊枪，首先空程打印2min，确认程序无误后，使用金属丝材打印环形筒壁首层；c：环形筒壁一次打印：首层打印结束后采用常规打印的工艺参数打印环形筒壁，至内环筋上方高度3-5cm处；采用的打印路径为单层单道或单层多道螺旋环形上升；d：内环筋打印：调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持水平方向，与环形筒壁垂直且位于环形筒壁的内部，打印筒壁的内环筋；e：环形筒壁二次打印：完成内环筋打印后，调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持竖直方向，与环形筒壁中心轴同轴，继续打印环形筒壁；f：外环筋打印：打印筒壁结束后，调整打印的工艺参数，且两轴变位机保持原位姿，六轴机器人与焊枪变换位姿，六轴机器人的第六轴与焊枪保持水平方向，位于环形筒壁外部并与环形筒壁中心轴垂直，打印外环筋；或者，调整打印的工艺参数，且两轴变位机变换位姿，六轴机器人与焊枪保持原位姿，两轴变位机旋转90度，使得六轴机器人的第六轴与焊枪位于环形筒壁外部并与环形筒壁中心轴垂直，进而打印外环筋直至完成；g：后处理：打印完成后，打磨环形筒壁、内环筋和外环筋，并用无水丙酮或酒精擦拭。2.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述b首层打印的工艺参数为：焊接电流115a，焊接电压18.9v，送丝速度4.2m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4.5mm，层高为1.2mm。3.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述c环形筒壁一次打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.5m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4mm，层高为1mm。4.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述d内环筋打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.3m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4mm，层高为1.2mm。5.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述e环形筒壁二次打印的工艺参数与所述c环形筒壁一次打印的工艺参数相同。6.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述f外环筋打印的工艺参数为：焊接电流99a，焊接电压18.5v，送丝速度3.3m/min，打印速度0.8m/min，保护气体为97.5%ar+2.5%co2，气体流量18l/min，焊缝宽度为4mm，层高为
1.2mm。7.根据权利要求1-6任一所述的一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，其特征在于：所述d内环筋打印前，打磨内环筋打印位置，并用无水丙酮或酒精擦拭打磨位置；所述f外环筋打印前，打磨外环筋打印位置，并用无水丙酮或酒精擦拭打磨位置。

技术总结
一种大尺寸薄壁变截面复杂零件近净成形的方法，采用金属丝材CMT工艺打印大尺寸、薄壁、变截面且内外部均有环筋的零件，打印过程无需加支撑。本发明构建了大型的金属丝材增材设备，实现了较大尺寸金属件的近净成形；试验了多种工艺及其参数，显著降低了零件的增材质量和性能问题；实现了变截面环形筒壁与内外部结构一体化打印，显著减少了零件多焊缝导致的质量问题，同时充分提高了材料利用率，降低了制造成本。制造成本。制造成本。


技术研发人员：支镜任 栗文杰 郭起全 杨烽
受保护的技术使用者：苏州融速智造科技有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/9/23