一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法與流程

文檔序號:18232472發布日期:2019-07-20 01:37
一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法與流程

本發明涉及CMT焊接系統及異種金屬增材制造方法,屬于焊接技術領域,具體為一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法。



背景技術:

增材制造是一種逐層累積制造的方法,具有材料利用率高、生產周期短等優勢,基于離散/堆積思想的金屬增材制造不受實際結構復雜程度的限制,可以滿足工業生產的裝卡和精度要求。采用金屬增材制造的方式,可以通過添加不同成分的合金焊絲來實現異種材料兩側的梯度式過渡,使得兩者之間的性能差異得到緩解。不同增材制造方法的成形精度和成形效率有著顯著的差別,以電弧為熱源的增材制造方法,在金屬熔敷效率上有著明顯的技術優勢。

冷金屬過渡焊接技術(CMT)是在短路過渡基礎上開發的,將送絲/回抽的機械運動同熔滴過渡過程相結合,整個熔滴過渡過程是高頻率的“熱—冷—熱”交替的過程,大幅度降低了熱輸入。焊絲的機械回抽運動幫助熔滴的脫落,此時焊接電源輸出的電流幾乎為零,可以避免普通短路過渡方式引起的飛濺。將CMT運用在增材堆積制造可以保證較高的熔敷率,同時還可以細化晶粒,保證熔敷質量,改善焊接質量。

不同材料和形狀的產品可以實現不同的功能。具有功能梯度的復合結構在實際工業生產中是基于異種材料的思路,而目前3D打印制造依舊受材料的限制,因此,發明一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法以完成復雜三維復合結構的制造是非常必要的。



技術實現要素:

本發明的目的在于提供一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法,以完成復雜三維復合結構的增材制造,該方法包括如下步驟:

S1:根據復合結構所要實現的功能的差異進行材料設計,確定對應材質的焊絲;

S2:搭建多CMT系統,所述多CMT系統包含兩個或兩個以上的具備獨立焊接能力的CMT子系統,所述具備獨立焊接能力的CMT子系統的具體數量與S1中所確定的對應材質的焊絲的種類數相同,且每個具備獨立焊接能力的CMT子系統中均包含一把CMT焊槍;

S3:對S2中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍分別裝填S1中所確定的對應材質的焊絲(即一把CMT焊槍裝填一種材質的焊絲);

S4:調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致;

S5:逐層分析復合結構的分層切片,確定每一分層切片中功能不同的區域在增材制造過程中所要使用的CMT焊槍,進一步確定每把CMT焊槍在功能不同的區域中的增材制造路徑;

S6:根據S5中所確定的增材制造路徑,對所搭建的多CMT系統進行離線編程,生成程序;

S7:啟動所搭建的多CMT系統,在S6中生成的程序控制下,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,逐層增材制造,直至全部完成,得到復合結構。

進一步地,所述S2中,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統均包含CMT焊機、機器人手臂、機器人控制箱、保護氣氣瓶。

進一步地,所述S4中,調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致,具體為:首先確定所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的基本工作參數,然后根據所裝填的不同材質焊絲的熔敷量之間的差異,在已確定的基本工作參數的基礎上,微調每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致。

通過調節增材速度、送絲速率、電流、電壓等參數控制熔敷量的大小。熔敷量越小,成品外形越光滑美觀;相反,熔敷量越大,增材效率越高。通過控制所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致,保證每一分層切片的平面度,進一步確保逐層增材制造的順利進行。

進一步地,所述S7,逐層增材制造過程中,在水平方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,在豎直方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造。

所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍,其中一把CMT焊槍裝填一種材質的焊絲,在程序控制下,每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,將不同材質的焊絲依據已確定的增材制造路徑逐層增材制造復合結構中功能不同的區域,即在水平方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,在豎直方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造。每一分層切片功能不同的區域增材制造方向的選取均可不同,上下相鄰兩層之間的增材制造方向形成的夾角根據實際結構選取,可選取90度、45度以及30度等較常規的角度。通過材料協調及每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的協調運作獲得所需的復合結構。該復合結構在水平方向具有功能梯度,同時在豎直方向上具有功能梯度。

進一步地,所述對應材質的焊絲的種類數為兩種,所搭建的多CMT系統包含兩個具備獨立焊接能力的CMT子系統。

進一步地,所述對應材質的焊絲的種類數為三種,所搭建的多CMT系統包含三個具備獨立焊接能力的CMT子系統。

進一步地,所述對應材質的焊絲的種類數為四種,所搭建的多CMT系統包含四個具備獨立焊接能力的CMT子系統。

本發明提供的是一種基于多CMT系統的異種材料復合結構的增材制造方法,其基本原理涉及冷金屬過渡焊接技術(CMT)與增材制造。

本發明具有如下有益效果:

(1)具有增材制造的優點,材料利用率高,生產周期短,增材制造不受實際結構復雜程度的限制,能夠滿足工業生產的裝卡和精度要求,成品具有功能梯度。

(2)采用CMT焊接工藝,具有操作簡單,堆制過程中無飛濺,電弧平穩,成品外形質量較高,內部組織均勻,晶粒細小,缺陷少等優點,對異種金屬的焊接工藝可以有效減少界面層及金屬間化合物,而且因為其熱輸入小,送絲速度(峰值電流)可以保持在一個較高的數值,提高熔敷效率。

(3)最主要的是本方法操作簡單靈活,適應性強,相比于目前的3D打印制造,本方法受材料限制小。通過材料協調及每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的協調運作,不但能夠實現具有功能梯度的三維復合結構的增材制造,同時能滿足工業生產的精度要求、功能要求和形狀要求。

下面通過具體實施方式及附圖對本發明作進一步詳細說明,但并不意味著對本發明保護范圍的限制。

附圖說明

圖1為本發明實施例工作流程圖。

圖2為本發明實施例一多CMT系統整體結構示意圖。

圖3為本發明實施例一分層切片增材制造示意圖。

圖4為本發明實施例一增材制造示意圖。

圖5為本發明實施例二分層切片增材制造示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1為本發明實施例工作流程圖,以實現基于多CMT系統的異種材料復合結構的增材制造。該方法包括如下步驟:

S1:根據復合結構所要實現的功能的差異進行材料設計,確定對應材質的焊絲;

S2:搭建多CMT系統,所述多CMT系統包含兩個或兩個以上的具備獨立焊接能力的CMT子系統,所述具備獨立焊接能力的CMT子系統的具體數量與S1中所確定的對應材質的焊絲的種類數相同,且每個具備獨立焊接能力的CMT子系統中均包含一把CMT焊槍;

S3:對S2中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍分別裝填S1中所確定的對應材質的焊絲(即一把CMT焊槍裝填一種材質的焊絲);

S4:調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致;

S5:逐層分析復合結構的分層切片,確定每一分層切片中功能不同的區域在增材制造過程中所要使用的CMT焊槍,進一步確定每把CMT焊槍在功能不同的區域中的增材制造路徑;

S6:根據S5中所確定的增材制造路徑,對所搭建的多CMT系統進行離線編程,生成程序;

S7:啟動所搭建的多CMT系統,在S6中生成的程序控制下,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,逐層增材制造,直至全部完成,得到復合結構。

進一步地,所述S2中,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統均包含CMT焊機、機器人手臂、機器人控制箱、保護氣氣瓶。

進一步地,所述S4中,調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致,具體為:首先確定所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的基本工作參數,然后根據所裝填的不同材質焊絲的熔敷量之間的差異,在已確定的基本工作參數的基礎上,微調每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致。

進一步地,所述S7,逐層增材制造過程中,在水平方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,在豎直方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造。

進一步地,所述對應材質的焊絲的種類數為兩種,所搭建的多CMT系統包含兩個具備獨立焊接能力的CMT子系統。

進一步地,所述對應材質的焊絲的種類數為三種,所搭建的多CMT系統包含三個具備獨立焊接能力的CMT子系統。

進一步地,所述對應材質的焊絲的種類數為四種,所搭建的多CMT系統包含四個具備獨立焊接能力的CMT子系統。

實施例一

本實施例提供了一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法,該方法采用兩個具備獨立焊接能力的CMT子系統,具體包括如下步驟:

S1:根據復合結構所要實現的功能的差異進行材料設計,由此確定獲得該復合結構需要兩種不同材質的焊絲;

S2:搭建多CMT系統,該多CMT系統包含兩個具備獨立焊接能力的CMT子系統,且每個具備獨立焊接能力的CMT子系統中均包含一把CMT焊槍;

S3:對S2中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍分別裝填S1中所確定的對應材質的焊絲(即一把CMT焊槍裝填一種材質的焊絲);

S4:調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致;

S5:逐層分析復合結構的分層切片,確定每一分層切片中功能不同的區域在增材制造過程中所要使用的CMT焊槍,進一步確定每把CMT焊槍在功能不同的區域中的增材制造路徑;

S6:根據S5中所確定的增材制造路徑,對所搭建的多CMT系統進行離線編程,生成程序;

S7:啟動所搭建的多CMT系統,在S6中生成的程序控制下,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,逐層增材制造,直至全部完成,得到復合結構。

如圖2為本實施例多CMT系統整體結構示意圖,其中1、6為機器人手臂,2、7為機器人控制箱,3、8為保護氣氣瓶,4、9為CMT焊機,5為工作臺,10為計算機。

上述S2中所搭建的多CMT系統,如圖2所示,其中每個具備獨立焊接能力的CMT子系統均包含CMT焊機、機器人手臂、機器人控制箱、保護氣氣瓶,且每個具備獨立焊接能力的CMT子系統搭建在工作臺的兩側適宜的位置,原則上兩把CMT焊槍工作時不發生干涉。該多CMT系統中的兩個具備獨立焊接能力的CMT子系統受一個程序控制。

如圖3為本實施例分層切片增材制造示意圖。上述S3中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍(如圖3所示的焊槍1、焊槍2)分別裝填不同金屬材料的焊絲(如鋁焊絲、鋼焊絲),在水平方向功能不同的區域(如圖3所示的區域A、區域B)使用裝有不同金屬材料的焊絲的CMT焊槍(如圖3所示的焊槍1、焊槍2)進行增材制造。即:如圖3所示,焊槍1裝填鋁焊絲,焊槍2裝填鋼焊絲;在程序控制下,焊槍1依據已確定的增材制造路徑對區域A完成分層切片增材制造,如圖3(a)所示;焊槍2依據已確定的增材制造路徑對區域B完成分層切片增材制造,如圖3(b)所示。兩個CMT子系統協調運作,相繼完成各功能區域的分層切片增材制造,即完成單層增材制造。

如圖4為本實施例增材制造示意圖。在程序控制下,每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,將不同材質的焊絲依據已確定的增材制造路徑逐層增材制造復合結構中功能不同的區域,如圖4(a)(b)(c)所示,在水平方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,在豎直方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,通過材料協調及每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的協調運作獲得所需的復合結構,該復合結構在水平方向具有功能梯度,同時在豎直方向上具有功能梯度。每一分層切片功能不同的區域增材制造方向的選取均可不同,上下相鄰兩層之間的增材制造方向形成的夾角根據實際結構選取,可選取90度、45度以及30度等較常規的角度。

通過調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的增材速度、送絲速率、電流、電壓等參數控制熔敷量的大小。熔敷量越小,成品外形越光滑美觀;相反,熔敷量越大,增材效率越高。調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,具體為:首先確定所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的基本工作參數,然后根據所裝填的不同材質焊絲的熔敷量之間的差異,在已確定的基本工作參數的基礎上,微調每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致,保證每一分層切片的平面度,進一步確保逐層增材制造的順利進行。

本實施例中,增材速度范圍為20~60cm/min,送絲速度為2.5~5m/min,焊絲桿伸長為10mm,保護氣體分別為純氬氣,保護氣流量為20L/min。

實施例二

本實施例提供了一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法,該方法采用三個具備獨立焊接能力的CMT子系統,具體包括如下步驟:

S1:根據復合結構所要實現的功能的差異進行材料設計,由此確定獲得該復合結構需要三種不同材質的焊絲;

S2:搭建多CMT系統,該多CMT系統包含三個具備獨立焊接能力的CMT子系統,且每個具備獨立焊接能力的CMT子系統中均包含一把CMT焊槍;

S3:對S2中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍分別裝填S1中所確定的對應材質的焊絲(即一把CMT焊槍裝填一種材質的焊絲);

S4:調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致;

S5:逐層分析復合結構的分層切片,確定每一分層切片中功能不同的區域在增材制造過程中所要使用的CMT焊槍,進一步確定每把CMT焊槍在功能不同的區域中的增材制造路徑;

S6:根據S5中所確定的增材制造路徑,對所搭建的多CMT系統進行離線編程,生成程序;

S7:啟動所搭建的多CMT系統,在S6中生成的程序控制下,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,逐層增材制造,直至全部完成,得到復合結構。

上述S2中所搭建的多CMT系統,其中每個具備獨立焊接能力的CMT子系統均包含CMT焊機、機器人手臂、機器人控制箱、保護氣氣瓶。該多CMT系統中的三個具備獨立焊接能力的CMT子系統受一個程序控制。

如圖5為本實施例分層切片增材制造示意圖。上述S3中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍(如圖5所示的焊槍1、焊槍2、焊槍3)分別裝填不同金屬材料的焊絲(如鋁焊絲、鋼焊絲、銅焊絲),在水平方向功能不同的區域(如圖5所示的區域A、區域B、區域C)使用裝有不同金屬材料的焊絲的CMT焊槍(如圖5所示的焊槍1、焊槍2、焊槍3)進行增材制造。即:如圖5所示,焊槍1裝填鋁焊絲,焊槍2裝填鋼焊絲,焊槍3裝填銅焊絲;在程序控制下,焊槍1依據已確定的增材制造路徑對區域A完成分層切片增材制造,如圖5(a)所示;焊槍2依據已確定的增材制造路徑對區域B完成分層切片增材制造,如圖5(b)所示;焊槍3依據已確定的增材制造路徑對區域C完成分層切片增材制造,如圖5(c)所示。三個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,相繼完成各功能區域的分層切片增材制造,即完成單層增材制造。

在程序控制下,每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,將不同材質的焊絲依據已確定的增材制造路徑逐層增材制造復合結構中功能不同的區域,在水平方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,在豎直方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,通過材料協調及每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的協調運作獲得所需的復合結構,該復合結構在水平方向具有功能梯度,同時在豎直方向上具有功能梯度。每一分層切片功能不同的區域增材制造方向的選取均可不同,上下相鄰兩層之間的增材制造方向形成的夾角根據實際結構選取,可選取90度、45度以及30度等較常規的角度。

通過調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的增材速度、送絲速率、電流、電壓等參數控制熔敷量的大小。熔敷量越小,成品外形越光滑美觀;相反,熔敷量越大,增材效率越高。調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,具體為:首先確定所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的基本工作參數,然后根據所裝填的不同材質焊絲的熔敷量之間的差異,在已確定的基本工作參數的基礎上,微調每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致,保證每一分層切片的平面度,進一步確保逐層增材制造的順利進行。

本實施例中,增材速度范圍為20~60cm/min,送絲速度為2.5~5m/min,焊絲桿伸長為10mm,保護氣體分別為純氬氣,保護氣流量為20L/min。

實施例三

本實施例提供了一種基于多CMT系統的異種材料復合結構增材制造方法,該方法采用四個具備獨立焊接能力的CMT子系統,具體包括如下步驟:

S1:根據復合結構所要實現的功能的差異進行材料設計,由此確定獲得該復合結構需要四種不同材質的焊絲;

S2:搭建多CMT系統,該多CMT系統包含四個具備獨立焊接能力的CMT子系統,且每個具備獨立焊接能力的CMT子系統中均包含一把CMT焊槍;

S3:對S2中所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的CMT焊槍分別裝填S1中所確定的對應材質的焊絲(即一把CMT焊槍裝填一種材質的焊絲);

S4:調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致;

S5:逐層分析復合結構的分層切片,確定每一分層切片中功能不同的區域在增材制造過程中所要使用的CMT焊槍,進一步確定每把CMT焊槍在功能不同的區域中的增材制造路徑;

S6:根據S5中所確定的增材制造路徑,對所搭建的多CMT系統進行離線編程,生成程序;

S7:啟動所搭建的多CMT系統,在S6中生成的程序控制下,所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,逐層增材制造,直至全部完成,得到復合結構。

上述S2中所搭建的多CMT系統,其中每個具備獨立焊接能力的CMT子系統均包含CMT焊機、機器人手臂、機器人控制箱、保護氣氣瓶。該多CMT系統中的四個具備獨立焊接能力的CMT子系統受一個程序控制。

在程序控制下,每個具備獨立焊接能力的CMT子系統協調運作,將不同材質的焊絲依據已確定的增材制造路徑逐層增材制造復合結構中功能不同的區域,在水平方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,在豎直方向功能不同的區域使用裝有不同材質焊絲的CMT焊槍進行增材制造,通過材料協調及每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的協調運作獲得所需的復合結構,該復合結構在水平方向具有功能梯度,同時在豎直方向上具有功能梯度。每一分層切片功能不同的區域增材制造方向的選取均可不同,上下相鄰兩層之間的增材制造方向形成的夾角根據實際結構選取,可選取90度、45度以及30度等較常規的角度。

通過調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的增材速度、送絲速率、電流、電壓等參數控制熔敷量的大小。熔敷量越小,成品外形越光滑美觀;相反,熔敷量越大,增材效率越高。調節所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,具體為:首先確定所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的基本工作參數,然后根據所裝填的不同材質焊絲的熔敷量之間的差異,在已確定的基本工作參數的基礎上,微調每個具備獨立焊接能力的CMT子系統的工作參數,使所搭建的多CMT系統中的每個具備獨立焊接能力的CMT子系統在增材制造過程中的熔敷量保持一致,保證每一分層切片的平面度,進一步確保逐層增材制造的順利進行。

本實施例中,增材速度范圍為20~60cm/min,送絲速度為2.5~5m/min,焊絲桿伸長為10mm,保護氣體分別為純氬氣,保護氣流量為20L/min。

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