[发明专利]倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法。

背景技术

近年来，在资源节约及高效制造背景下，金属零件增材制造技术的研究及应用受到研究学者的广泛关注。金属构件的传统铸造、机械加工方法虽然制造精度高，但是存在制造工序倾斜、加工效率低、材料利用率低、制造柔性程度低、生产成本高等一系列问题。

电弧填丝增材制造技术采用焊接电弧作为热源，在电弧热源的作用下熔化焊丝，根据零件三维模型分层切片，按照设定路径在基板上逐层堆积直至形成全堆积层金属零件。目前，该方法主要适合于直接成形大型金属结构件，成形构件致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能达到甚至超过锻件水平。与激光填粉比较，电弧填丝增材制造技术有着设备成本低、丝材熔敷率高、环境污染小等一系列优点。

由于金属构件成形是以液态熔滴过渡的方式进行的，因此倾斜构件的电弧填丝增材制造难度大，特别是对于与基板有一定倾角的多层单道薄壁金属构件，成形难度更大。目前，对于这种倾斜薄壁构件的成形，常通过变位机翻转基板的方式完成。但是在实际工作环境中，采用变位机翻转基板的方式存在设备成本高、系统倾斜等缺点。因此，亟需开发一种倾斜薄壁构件成形的简单、实用方法。

经现有技术的文献检索发现，柳建等人《在沈阳工业大学学报》(2012，Vo34,No.5)上发表了“工艺参数对堆焊熔敷成形极限倾角的影响规律”。文中采用沿堆积层长度方向偏移和沿垂直于堆积层方向上偏移成形多层单道倾斜结构薄壁件。但是沿堆积层长度方向偏移存在金属构件末端成形质量差的特点，实际应用受限，而沿垂直于堆积层方向上偏移可以成形具有一定倾角的薄壁件，但是该方法也有不足之处，主要体现在堆积第二层时成形质量难以控制，特别是偏移量大时成形质量更差。因此，有必要对现有方法进行改进。

中国专利申请号：201210483539.8名为“一种钛合金结构件电弧增材制造方法”的专利提供了一种截面为环形的多层多道钛合金结构件的电弧增材制造方法，该方法采用由内至外的环形焊道依次搭接成形一层环形件，主要针对多层多道环形结构件的堆积，但是该方法并不适合于多层单道倾斜薄壁结构件的堆积，也不能根据薄壁结构件与基板的成形倾角确定堆积过程焊枪偏移量。因此，亟需提出一种多层单道倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，以便高效、精确地成形多层单道薄壁结构件。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法，用于制造与基板有一定夹角倾斜的薄壁结构件，所述薄壁结构件为多层单道结构，包括以下步骤：

步骤一：采用电弧填丝增材制造热源在基板上堆积第一层第一道，焊枪沿水平方向横向偏移的距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍，道间等待时间1-3min；然后开始第一层第二道的搭接堆积，层间等待时间1-5min；

由于第一层是在基板上成形的，散热条件较好，在堆积完第一层第一道之后，为了控制一定的道间温度，在堆积第一层第二道时，需要设定合适的道间等待时间。如果道间等待时间太短，则道间温度过高，如果道间等待时间太长，则降低成形效率；因此设定道间等待时间1-3min；

考虑到电弧填丝增材制造过程热输入大，从第二层开始，堆积焊道散热条件逐渐变差，为了防止后续层在堆积过程中出现熔池流淌或成形不良，需要严格控制层间温度。层间等待时间设置过小，容易出现成形熔池的流淌，层间等待时间设定过大，又会降低成形效率。因此，需要设定合适的层间等待时间，因此设定层间等待时间为1-5min；

本发明方法中，第二层是在第一层的基础上成形的，因此第一层必须堆积出较为平坦的堆积层。第一层包括第一层第一道和第一层第二道，为了获得平坦的搭接堆积焊道，两条堆积焊道的中心距离必须设定一个合适的值。如果中心距离设定过大，则两条堆积焊道之间存在凹坑。如果中心距离设定过小，则会出现堆积焊道“鼓包”现象。因此设定第一层两个堆积焊道中心距离为第一层第一道堆积宽度的0.667倍；

步骤二：焊枪移动至第一层第一道堆积路径起弧或熄弧端处，然后焊枪沿水平方向横向偏移dmm，完成第二层的堆积，层间等待时间1-5min；在第二层及后续层的堆积过程中，焊枪沿水平方向横向偏移量d是通过以下公式计算确定的：d＝h·cosβ，其中，β为多层单道倾斜薄壁结构件与基板的夹角，h为多层单道结构件与基板夹角为90°时的层高；