一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3d打印裝置及打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置及打印方法，屬于鎂合金電弧3D打印增材制造工藝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電弧3D打印屬于增材制造技術(shù)范疇，是基于離散-堆積制造原理，增材制造技術(shù)發(fā)展至今已有多種實(shí)現(xiàn)方法，許多成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的增材制造技術(shù)所使用的成形材料為非金屬，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用有限，而金屬增材制造技術(shù)則在工業(yè)領(lǐng)域中更為重要，特別是鈦合金、鋁合金、鎂合金等。常用的直接成形金屬零件的熱源主要有激光、電子束、電弧等。
[0003]電弧3D打印也是通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件建立零件的實(shí)體模型，以電弧作為成形熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定的成形路徑堆積每一層片，采用逐層堆積的方式成形所需的三維實(shí)體零件。以電弧為熱源的直接成形技術(shù)具有生產(chǎn)成本低，力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)。電弧3D打印成形的零件由全焊縫金屬組成，化學(xué)成分均勻、致密度高，與整體鑄造件和鍛造件相比具有強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)。在多重堆積過(guò)程中，零件經(jīng)歷多次加熱過(guò)程，得以充分淬透和回火，可以消除大型鑄鍛件的不易淬透、宏觀偏析、長(zhǎng)度和直徑方向上強(qiáng)韌性不一致等問(wèn)題。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都對(duì)電弧3D打印增材制造技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研宄。采用的焊接熱源主要包括傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)、鎢極氬弧焊(TIG)、等離子弧焊(PAff)、激光和電子束等。利用高能量密度的熱源為加工手段直接制造金屬零件的增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天和國(guó)防科技中。如美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在能源部支持下研制開(kāi)發(fā)的金屬零件激光工程化近凈成形技術(shù)(Laser Engineering Net Shaping，LENS)，該技術(shù)是將激光束聚焦于金屬粉末形成熔池，激光束按運(yùn)動(dòng)軌跡要求使粉末逐層堆積，最終形成復(fù)雜零部件。Sandia實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種材料的LENS成形工藝進(jìn)行了研宄，如不銹鋼、鎳基合金、工具鋼、鈦合金、鎳鋁金屬件化合物等，結(jié)果表明成形件的強(qiáng)度和塑性相比鍛造件都有所提高。隨著增材制造技術(shù)在國(guó)外制造業(yè)、國(guó)防科技、航空航天等領(lǐng)域帶來(lái)的巨大效益，國(guó)內(nèi)一些科研院所和高校也開(kāi)展了增材制造技術(shù)的研宄。1995年，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東率先提出了激光立體成形技術(shù)，系統(tǒng)開(kāi)展了激光直接成形金屬零件的技術(shù)研宄，以航空飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)所需的鈦合金和高溫合金為研宄對(duì)象進(jìn)行了激光增材制造技術(shù)研宄。該技術(shù)的研宄對(duì)于解決我國(guó)航空關(guān)鍵零部件加工困難、材料利用率低和制造成本高等難題奠定了良好的基礎(chǔ)。
[0005]鎂合金由于化學(xué)性質(zhì)活潑，在鑄造方面需要全方位的氣體保護(hù)，且設(shè)備昂貴，制備加工周期較長(zhǎng)，電弧3D打印鎂合金結(jié)構(gòu)件很好的解決了現(xiàn)存的問(wèn)題。由于鎂合金焊絲在熔化過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)氬氣保護(hù)，且可按照既定的方式完成堆積。利用本發(fā)明的裝置，在堆積過(guò)程中，可隨時(shí)調(diào)整成型件溫度，控制其微觀組織。目前有關(guān)鎂合金電弧3D打印的研宄未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置及打印方法，結(jié)合已提供的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，采用電弧3D打印技術(shù)，進(jìn)行鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件的增材制造。在增材過(guò)程中，焊接機(jī)器人的焊槍在水平面做有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，而成型的鎂合金管件做下移運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)管件的不斷堆積成型。同時(shí)，在增材過(guò)程中，通過(guò)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)鎂合金管件的溫度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控微觀組織的目的。通過(guò)該發(fā)明裝置制備的鎂合金管件，其組織致密，力學(xué)性能優(yōu)異。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，包括焊接基座、構(gòu)件基板、冷卻系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)絲杠、驅(qū)動(dòng)裝置和焊槍，所述構(gòu)件基板設(shè)置在焊接基座上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置在焊接基座的下方，所述構(gòu)件基板和聯(lián)動(dòng)絲杠固定連接，并且所述構(gòu)件基板隨著聯(lián)動(dòng)絲杠上下移動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠，所述聯(lián)動(dòng)絲杠與焊接過(guò)程協(xié)同運(yùn)動(dòng)，所述焊槍在構(gòu)件基板上方堆焊形成鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件。
[0008]前述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述構(gòu)件基板的材質(zhì)為銅。
[0009]前述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件的截面為圓環(huán)狀。
[0010]前述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件由若干層鎂合金焊絲堆焊形成。
[0011]前述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述驅(qū)動(dòng)裝置為調(diào)速電機(jī)。
[0012]一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印方法，其特征是，包括以下步驟:
(1)設(shè)定焊接機(jī)器人焊接程序，進(jìn)行環(huán)形焊接，由焊接機(jī)器人的焊槍在銅質(zhì)構(gòu)建基板上做有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行鎂合金第一層環(huán)狀組織構(gòu)建；
(2)當(dāng)焊槍完成第一層構(gòu)建后，焊槍回到第一層的起始點(diǎn)，調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠下移一個(gè)層高，焊槍再進(jìn)行第二層構(gòu)建，同時(shí)，焊接基座下方冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，開(kāi)始對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的材料進(jìn)行冷卻；
(3)重復(fù)步驟(2)，直至形成所需的鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件，焊槍收弧，冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。
[0013]前述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印方法，其特征是，所述焊槍的焊接電流為200~350A，送絲速度為4~6mm/s，焊絲為直徑2~3_的同質(zhì)焊絲。
[0014]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:
(1)焊接機(jī)器人所持焊槍再一個(gè)固定的平面做有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，所打印的鎂合金管件不斷下移，減少了零件高度對(duì)焊槍位置的限制；
(2)在打印過(guò)程中，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)成型零件的微觀組織，利用本發(fā)明裝置中的冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)在基座下方，隨著零件打印的進(jìn)行，可不斷調(diào)整冷卻溫度，從而達(dá)到調(diào)控微觀組織的目的；
(3)本發(fā)明打印成型的鎂合金管件和鑄造管件相比，晶粒細(xì)小，且加工容易，成型過(guò)程中不需要大面積氬氣保護(hù)或者苛刻的真空環(huán)境；
(4)本發(fā)明裝置簡(jiǎn)單，可快速有效地進(jìn)行鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件的增材制備，同時(shí)，能夠獲得力學(xué)性能較好的零件，提高了產(chǎn)品成型效率，降低了產(chǎn)品制作成本，節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間成本。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017]如圖1所示，一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，包括焊接基座、銅質(zhì)構(gòu)件基板、冷卻系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)絲杠、調(diào)速電機(jī)和焊槍，所述構(gòu)件基板設(shè)置在焊接基座上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置在焊接基座的下方，所述構(gòu)件基板和聯(lián)動(dòng)絲杠固定連接，并且所述構(gòu)件基板隨著聯(lián)動(dòng)絲杠上下移動(dòng)，所述調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠，所述聯(lián)動(dòng)絲杠與焊接過(guò)程協(xié)同運(yùn)動(dòng)，所述焊槍在構(gòu)件基板上方堆焊形成鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件，所述鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件的截面為圓環(huán)狀。
[0018]一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印方法，包括以下步驟:
(I)設(shè)定焊接機(jī)器人焊接程序，進(jìn)行環(huán)形焊接，由焊接機(jī)器人的焊槍在銅質(zhì)構(gòu)建基板上做有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行鎂合金第一層環(huán)狀組織構(gòu)建，所述焊槍的焊接電流為200~350A，送絲速度為4~6mm/s，焊絲為直徑2~3mm的同質(zhì)焊絲。
[0019](2)當(dāng)焊槍完成第一層構(gòu)建后，焊槍回到第一層的起始點(diǎn)，調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠下移一個(gè)層高，焊槍再進(jìn)行第二層構(gòu)建，減少了零件高度對(duì)焊槍位置的限制；同時(shí)，焊接基座下方冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，開(kāi)始對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的材料進(jìn)行冷卻，隨著零件打印的進(jìn)行，可不斷調(diào)整冷卻溫度，從而達(dá)到調(diào)控微觀組織的目的。
[0020](3)重復(fù)步驟(2)，直至形成所需的鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件，焊槍收弧，冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。
[0021]本發(fā)明打印成型的鎂合金管件和鑄造管件相比，晶粒細(xì)小，且加工容易，成型過(guò)程中不需要大面積氬氣保護(hù)或者苛刻的真空環(huán)境。本發(fā)明裝置簡(jiǎn)單，可快速有效地進(jìn)行鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件的增材制備，同時(shí)，能夠獲得力學(xué)性能較好的零件，提高了產(chǎn)品成型效率，降低了產(chǎn)品制作成本，節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間成本。
[0022]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，包括焊接基座、構(gòu)件基板、冷卻系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)絲杠、驅(qū)動(dòng)裝置和焊槍，所述構(gòu)件基板設(shè)置在焊接基座上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置在焊接基座的下方，所述構(gòu)件基板和聯(lián)動(dòng)絲杠固定連接，并且所述構(gòu)件基板隨著聯(lián)動(dòng)絲杠上下移動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠，所述聯(lián)動(dòng)絲杠與焊接過(guò)程協(xié)同運(yùn)動(dòng)，所述焊槍在構(gòu)件基板上方堆焊形成鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述構(gòu)件基板的材質(zhì)為銅。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件的截面為圓環(huán)狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件由若干層鎂合金焊絲堆焊形成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，其特征是，所述驅(qū)動(dòng)裝置為調(diào)速電機(jī)。6.一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印方法，其特征是，包括以下步驟: (1)設(shè)定焊接機(jī)器人焊接程序，進(jìn)行環(huán)形焊接，由焊接機(jī)器人的焊槍在銅質(zhì)構(gòu)建基板上做有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行鎂合金第一層環(huán)狀組織構(gòu)建； (2)當(dāng)焊槍完成第一層構(gòu)建后，焊槍回到第一層的起始點(diǎn)，調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠下移一個(gè)層高，焊槍再進(jìn)行第二層構(gòu)建，同時(shí)，焊接基座下方冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，開(kāi)始對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的材料進(jìn)行冷卻； (3)重復(fù)步驟(2)，直至形成所需的鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件，焊槍收弧，冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印方法，其特征是，所述焊槍的焊接電流為200~350A，送絲速度為4~6mm/s，焊絲為直徑2~3mm的同質(zhì)焊絲。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印裝置，包括焊接基座、構(gòu)件基板、冷卻系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)絲杠、驅(qū)動(dòng)裝置和焊槍，所述構(gòu)件基板設(shè)置在焊接基座上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置在焊接基座的下方，所述構(gòu)件基板和聯(lián)動(dòng)絲杠固定連接，并且所述構(gòu)件基板隨著聯(lián)動(dòng)絲杠上下移動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)絲杠，所述聯(lián)動(dòng)絲杠與焊接過(guò)程協(xié)同運(yùn)動(dòng)，所述焊槍在構(gòu)件基板上方堆焊形成鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明還公開(kāi)了一種鎂合金管狀結(jié)構(gòu)件電弧3D打印方法，包括以下步驟：（1）第一層環(huán)狀組織構(gòu)建；（2）第二層環(huán)狀組織構(gòu)建，同時(shí)冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)；（3）重復(fù)步驟（2），直至形成所需的結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明提高了產(chǎn)品成型效率，降低了產(chǎn)品制作成本，節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間成本。
【IPC分類】B22F5/12, B22F3/105
【公開(kāi)號(hào)】CN104923785
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510301215
【發(fā)明人】初雅杰, 韓昕宸
【申請(qǐng)人】南京工程學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月5日