厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法技术

本发明专利技术提供一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法，厚壁结构件为两层以上的多层结构，每层由至少两条以上堆积道组成，采用电弧填丝增材制造方法成形多层多道结构，每个层片的成形由至少两条以上堆积道相互搭接而成，每个层片的第一堆积道采取焊枪与基板垂直的方式成形，其余堆积道均采取焊枪轴线与基板表面成65°‑85°成形，焊枪轴线指向根部区，使最大电弧力直接作用于根部区；本发明专利技术方法可以保证根部区的良好熔透，消除根部区孔洞缺陷，实现根部区、前道重熔区与前层重熔区的良好冶金连接，同时可以减少对前层重熔区的熔化，避免对前层重熔区的过度重熔，进一步实现厚壁结构件电弧填丝增材制造过程电弧能量的有效利用。

【技术实现步骤摘要】
厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法
本专利技术属于电弧填丝增材制造
，具体涉及一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法。
技术介绍
电弧填丝增材制造是一种低成本的金属构件增材制造方法，该技术适用于大尺寸金属构件的成形，它以电弧作为热源，金属丝材为填充材料，依据设定成形路径逐层成形并制造金属构件。通常，成形的金属构件有组织性能好、力学性能优良、层间结合性能好等优点。在厚壁结构零件的电弧填丝增材制造中，不可避免的需要成形多层多道结构。成形多层多道结构时，在每一层上需要成形至少两条堆积道，通过设置合理的焊枪中心间距，从而保证相邻堆积道的良好搭接成形。为获得良好的层间及道间冶金结合性能，在后一道堆积成形时，电弧需要将前一道部分重熔，形成前道重熔区，同时需要将前一层堆积层重熔，形成前层重熔区。更为关键的是，电弧还需对连接前道重熔区与前层重熔区的根部区进行重熔。成形多层多道厚壁结构件时，电弧加热范围很容易作用在前道重熔区和前层重熔区上，但是根部区位于前道重熔区正下方，因此电弧难以直接作用到根部区上，导致根部区熔化面积过小或难以熔化，严重时甚至形成孔洞，极大影响层间冶金结合强度。目前，厚壁构件的成形大多采用焊枪与基板垂直的方式，根部区难以获得较好的熔透，而前层重熔区又由于电弧的直接作用导致过度熔化稀释。目前，国内外尚无相关文献提出厚壁结构件电弧填丝增材制造根部的熔透的解决办法。因此，有必要探索一种新的厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法，从而解决根部区难以熔透或熔化区域过小的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔化面积过小或难以熔透引起的层间冶金结合强度低的难题，提供一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法，所述的厚壁结构件为两层以上的多层结构，每层由至少两条以上堆积道组成，采用电弧填丝增材制造方法成形多层多道结构，每个层片的成形由至少两条以上堆积道相互搭接而成，每个层片的第一堆积道采取焊枪与基板垂直的方式成形，其余堆积道均采取焊枪轴线与基板表面成65°-85°成形，焊枪轴线指向根部区，使最大电弧力直接作用于根部区。作为优选方式，所述方法进一步包括以下步骤：步骤一：确定起弧点位置和成形路径，使焊枪轴线垂直于基板平面，完成第一层第一道的成形。步骤二：焊枪沿垂直于第一层第一道成形路径方向水平横向移动2-7mm。调整焊枪姿态，使焊枪轴线指向第一层第一道根部区，焊枪轴线与基板表面夹角成65°-85°，完成第一层第二道的成形。水平横向移动2-7mm是因为：厚壁结构件的每层是由一系列堆积道搭接而成，为了获得良好的表面成形层，一般需要设置合理的焊枪横向偏移量。如果焊枪横向偏移量过小，则后续堆积道成形表面将变高；如果焊枪横向偏移量过大，则相邻堆积道中心存在明显的凹坑。因此，本专利技术中焊枪横向偏移量设定为2-7mm。焊枪轴线与基板表面夹角成65°-85°是为了保证焊枪轴线上的电弧力作用于根部区上。如果设定夹角过小，则产生的电弧基本作用在前道重熔区上；如果设定夹角过大，则电弧基本作用在前层重熔区上。所有堆积道均采取焊枪与基板成65°-85°成形是通过以下方式推导获得的：(1)如图4所示，设定堆积道的宽度为w，高度为h，堆积道表面形貌曲线函数为f(x)，相邻堆积道的中心间距为d。(2)设定堆积道表面形貌曲线函数由求得d＝2w/3BH＝d-w/2＝w/6(3)为熔透根部区B点，需保证焊枪指向该点区域。在电弧填丝增材制造中焊枪到堆积层底部距离IH在5-12mm范围变动，堆积道宽度w在4-10mm变化。∠IBH＝arctan(IH/BH)计算可得，焊枪与基板夹角的变化范围为65°-85°步骤三：焊枪在第一层第二道成形路径上横向移动2-7mm，完成第一层第三道的成形。步骤四：继续重复步骤三，完成第一层剩余堆积道的成形。步骤五：焊枪升高一个层高，继续重复步骤一、二、三、四，完成剩余层数的成形。作为优选方式，前一层每条堆积道的熄弧点位置是后一层每条堆积道的起弧点位置。这样设置的原因是：在电弧填丝增材制造中，每条堆积道的起弧点高、熄弧点低。因此，在前一层每条堆积道的熄弧点位置上起弧，可以利用起弧点与熄弧点尺寸相互弥补的特点，保证堆积层在端部成形尺寸的稳定性。作为优选方式，堆积道成形路径为任意样条曲线。作为优选方式，所述方法进一步包括以下步骤：步骤一：确定起弧点位置和成形路径，使焊枪轴线垂直于基板平面，完成第一层第一道的成形。步骤二：焊枪沿垂直于第一层第一道成形路径方向水平横向移动5mm，调整焊枪姿态，使焊枪轴线指向第一层第一道根部区，焊枪轴线与基板表面夹角成75°，完成第一层第二道的成形。步骤三：焊枪在第一层第二道成形路径上横向移动5mm，完成第一层第三道的成形。步骤四：继续重复步骤三，完成第一层剩余堆积道的成形。步骤五：焊枪升高一个层高，继续重复步骤一、二、三、四，完成剩余层数的成形。作为优选方式，增材制造工艺参数为：成形电流110-260A，电弧电压12-26V，焊枪行走速度2-12mm/s。与现有技术相比，采用本专利技术方法具有的突出优点是：(1)本专利技术方法成形每个层片的第一堆积道时采取焊枪与基板垂直的方式，其余堆积道采取焊枪与基板成一定夹角的方式，将焊枪轴向最大电弧力指向根部区，实现根部区的良好熔透，消除根部区孔洞缺陷，进一步提高层间冶金连接强度。(2)本专利技术方法同时可以减少对前层重熔区的熔化，避免对前层重熔区的过度重熔，实现增材制造过程电弧能量的有效利用。附图说明图1是厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法示意图；图2是采用焊枪与基板成垂直方式成形的厚壁结构件第一层金相截面图；图3是焊枪轴线与基板表面成75°成形的厚壁结构件第一层金相截面图；图4是焊枪轴线与基板表面成形夹角推导示意图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，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专利技术的其他优点与功效。本专利技术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，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。对比例本实施例成形的厚壁结构件为20层5道结构，即成形层数为20层，每层上成形5道，成形路径为直线，每道成形长度为150mm。电弧填丝增材制造试验平台为：电弧增材制造电源为熔化极气体保护FroniusTPS4000焊机，熔化极气体保护焊枪安装在ABB六轴机器人第六轴末端上，通过机器人控制焊枪的运动和姿态调整。增材制造工艺参数为：成形电流150A，电弧电压20V，焊枪行走速度5mm/s，成形保护气为95％Ar+5％CO2，气体流量为18L/min，填充丝材为H08Mn2Si低碳钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，基板为Q235低碳钢板，基板尺寸为200mm×150mm×10mm。步骤一：首先在基板上选定起弧点位置并设定好成形路径，通过ABB机器人调整焊枪姿态，使焊枪轴线垂直于基板平面，完成第一层第一道的成形。步骤二：焊枪沿垂直于第一层第一道成形路径方向水平横向移动距离5mm，完成第一层第二道的成形。步骤三：焊枪沿垂直于第一层第二道成形路径方向水平横向移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法，所述的厚壁结构件为两层以上的多层结构，每层由至少两条以上堆积道组成，其特征在于：采用电弧填丝增材制造方法成形多层多道结构，每个层片的成形由至少两条以上堆积道相互搭接而成，每个层片的第一堆积道采取焊枪与基板垂直的方式成形，其余堆积道均采取焊枪轴线与基板表面成65°‑85°成形，焊枪轴线指向根部区，使最大电弧力直接作用于根部区。

【技术特征摘要】
1.一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法，所述的厚壁结构件为两层以上的多层结构，每层由至少两条以上堆积道组成，其特征在于：采用电弧填丝增材制造方法成形多层多道结构，每个层片的成形由至少两条以上堆积道相互搭接而成，每个层片的第一堆积道采取焊枪与基板垂直的方式成形，其余堆积道均采取焊枪轴线与基板表面成65°-85°成形，焊枪轴线指向根部区，使最大电弧力直接作用于根部区。2.根据权利要求1所述的一种厚壁结构件电弧填丝增材制造根部区熔透方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：确定起弧点位置和成形路径，使焊枪轴线垂直于基板平面，完成第一层第一道的成形；步骤二：焊枪沿垂直于第一层第一道成形路径方向水平横向移动2-7mm，调整焊枪姿态，使焊枪轴线指向第一层第一道根部区，焊枪轴线与基板表面夹角成65°-85°，完成第一层第二道的成形；步骤三：焊枪在第一层第二道成形路径上横向移动2-7mm，完成第一层第三道的成形；步骤四：继续重复步骤三，完成第一层剩余堆积道的成形；步骤五：焊枪升高一个层高，继续重复步骤一、二、三、四，完成剩余层数的成形。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊俊，李蓉，李沿江，陈辉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51