本發(fā)明屬于金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變焊槍位姿的封閉幾何構(gòu)件熔化極氣體保護焊(Gas metal arc welding，GMAW)增材制造方法。

背景技術(shù)：

封閉幾何構(gòu)件是一種典型的首尾連接的結(jié)構(gòu)零件，如燃燒室、導彈外殼等航空、航天關(guān)鍵零部件，這類零件的表面輪廓尺寸與厚度比較大，具有較強的承載能力。目前，采用的傳統(tǒng)的方法制造這類結(jié)構(gòu)件存在原材料利用率低的顯著缺點。近年來，隨著高效制造的發(fā)展需求，對這類金屬零件的制造成本、周期的要求更加嚴格。而增材制造技術(shù)能快速精確地制造任意形狀物體，在復雜件的制造上呈現(xiàn)巨大的應用潛力。

從增材制造的設備成本和成形效率來考慮，GMAW增材制造無疑是最優(yōu)選擇。該技術(shù)采用GMAW電弧作為熱源，將金屬構(gòu)件的3D模型進行分層，從STL模型中確定合適的成形路徑，逐層制造金屬構(gòu)件。成形的金屬構(gòu)件具有較好的冶金結(jié)合性能和較高的力學性能。

目前，封閉幾何構(gòu)件的增材制造存在兩方面的問題，其一是如何保證封閉構(gòu)件首尾連接處成形質(zhì)量的控制。由于成形起弧點和熄弧點在成形尺寸上存在較大的差異，因此需要更好地完成首尾連接處起弧端部與熄弧端部形貌的控制。其二是如何成形具有傾斜度的封閉幾何構(gòu)件。在GMAW增材制造中，成形層的制造是以液態(tài)熔滴過渡到熔池內(nèi)部的方式進行的，對于成形層生長方向與基板有較小夾角的幾何構(gòu)件的制造難度大。成形夾角較小時，熔池在當前成形層上難以及時凝固且很容易出現(xiàn)流淌，成形難以控制甚至出現(xiàn)坍塌。目前，采用焊槍垂直于水平面配合變位機帶動基板翻轉(zhuǎn)的方式可以實現(xiàn)非封閉路徑的幾何構(gòu)件的制造，但是這種方式難以成形封閉幾何構(gòu)件。另外，還有一種方式是采用焊槍垂直于水平面橫向偏移來成形傾斜幾何件，但是這種方法的傾斜面成形能力不足。綜上所述，有必要探索一種操作簡單實用，首尾連接部位成形良好，可成形大傾斜度的封閉幾何構(gòu)件方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種變焊槍位姿的封閉幾何構(gòu)件GMAW增材制造方法，以便高效、快速地成形傾斜度大的封閉幾何構(gòu)件。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種變焊槍位姿的封閉幾何構(gòu)件GMAW增材制造方法，所述的封閉幾何構(gòu)件為多層單道薄壁件，且成形層生長方向與其在基板平面的投影所成的角度小于等于90°，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)封閉幾何構(gòu)件的三維尺寸及結(jié)構(gòu)，建立其三維模型，提取STL模型并分層切片，確定相應的成形路徑；

步驟二：完成基板上第一層成形路徑及其周圍15-25mm區(qū)域的機械打磨處理，并清洗打磨處的油污，將基板安裝在工裝夾具上；

設定第一層成形路徑及其周圍15-25mm是因為第一層的寬度一般在5-12mm，如果機械打磨范圍太小，成形路徑附近未處理干凈，基板上的雜質(zhì)容易進行進入成形層熔池，如果打磨范圍太大，耗費工時且不必要。

步驟三：GMAW焊槍運動至基板上方處，使焊槍軸線垂直于基板表面，GMAW焊槍噴嘴到基板表面距離設定為8-13mm，確定第一層起弧點位置，然后在起弧點位置調(diào)整GMAW焊槍姿態(tài)，使GMAW焊槍軸線與其軸線在基板平面上投影線的夾角為10°-90°；

如果GMAW焊槍噴嘴到基板表面的距離設定太小，則易造成焊槍噴嘴內(nèi)飛濺量過多并堵塞噴嘴，如果距離過大，則易造成成形層保護效果不良，進而產(chǎn)生氣孔缺陷。

步驟四：引燃GMAW增材制造電弧，沿成形路徑方向完成第一層的成形，待焊槍重新回到起弧點位置后繼續(xù)沿成形路徑方向運動5-9mm，然后熄滅電弧，將GMAW焊槍沿其軸線方向提高一個層高；

設定5-9mm是為了保證成形層首尾能夠良好連接，如果運動距離太小，不能使成形層首尾處良好連接，如果運動距離太大，則導致成形層首尾連接處堆積金屬量過多，使得成形變差。因此，本發(fā)明設定5-9mm可以保證首尾連接處獲得良好成形。

步驟五：繼續(xù)重復步驟四，完成第二、第三至剩余層的成形，直到成形尺寸達到幾何構(gòu)件的尺寸要求為止。

作為優(yōu)選方式，不同成形層的GMAW焊槍軸線與該軸線在基板平面上投影線的夾角不同。

作為優(yōu)選方式，兩個相鄰成形層之間的成形路徑方向是相同的。

作為優(yōu)選方式，待前一層表面溫度降低至45-180℃后，開始下一層的成形。

成形具有一定傾角的封閉幾何構(gòu)件，最大的難題在于成形過程中熔池容易塌陷，因此需要等到前一成形層的表面溫度降至一定溫度范圍才開始堆積下一層，這樣可以增加成形層熔池的表面張力。如果前一層的溫度降至太低，會導致過低的堆積效率；如果前一層的溫度過高，易造成下一層的堆積熔池流淌增強。因此，本發(fā)明設定的溫度范圍是45-180℃。

作為優(yōu)選方式，封閉幾何構(gòu)件的路徑輪廓為任意自由曲線的首尾連接。

作為優(yōu)選方式，GMAW焊槍安裝在六自由度機器人第六軸端部的法蘭盤上。

作為優(yōu)選方式，GMAW熱源形式是冷金屬過渡熱源。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法有以下顯著優(yōu)點：

(1)本發(fā)明方法采用增加首尾連接處起、熄弧端搭接量的方式，確保了首尾連接部位能夠良好連接，有利于提高封閉幾何構(gòu)件首尾連接部位的質(zhì)量。

(2)本發(fā)明方法采取變焊槍位姿的方式成形幾何構(gòu)件，調(diào)整焊槍姿態(tài)，利用電弧熱源產(chǎn)生的電弧力、等離子流力平行作用于成形層生長方向，有利于熔池的穩(wěn)定及成形傾斜度更大的封閉幾何構(gòu)件，有效克服了封閉幾何構(gòu)件GMAW增材制造傾斜面成形能力不足的難題。

(3)本發(fā)明方法采取變焊槍位姿的方式，操作簡單，尤其易于實現(xiàn)機器人GMAW增材制造過程的自動化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多層單道封閉幾何構(gòu)件GMAW增材制造過程示意圖；

圖2是實施例1的四層成形路徑起弧、熄弧點位置示意圖；其中，(a)是第一層起弧及熄弧點位置示意圖，(b)是第二層起弧及熄弧點位置示意圖，(c)是第三層起弧及熄弧點位置示意圖，(d)是第四層起弧及熄弧點位置示意圖。

1為基板，2為GMAW焊槍，3為封閉幾何構(gòu)件，α是GMAW焊槍軸線與該軸線在基板平面上投影線的夾角。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

實施例1

如圖1所示，SMA490BW高強鋼直壁封閉幾何構(gòu)件3高70mm、底部內(nèi)徑80mm、外徑90mm，構(gòu)件生長方向與其在基板平面的投影所成的角度α是10°。其采用本發(fā)明所述的變焊槍位姿的封閉幾何構(gòu)件GMAW增材制造方法，具體步驟如下：

步驟一：根據(jù)圖1所示的封閉幾何構(gòu)件3的三維尺寸及結(jié)構(gòu)，在三維建模軟件中建立其Solidworks模型，提取封閉幾何構(gòu)建的STL模型并分層切片，確定相應的成形路徑。

步驟二：完成基板1上第一層成形路徑及其周圍15mm區(qū)域的機械打磨處理，并用丙酮試劑清洗打磨處的油污，將基板安裝在工裝夾具上。

步驟三：控制GMAW焊槍2運動至基板上方處，使GMAW焊槍2軸線垂直于基板表面，GMAW焊槍2噴嘴到基板表面距離設定為8mm，確定第一層起弧點位置。然后在起弧點位置調(diào)整GMAW焊槍2姿態(tài)，使GMAW焊槍2軸線與該軸線在基板平面上投影線的夾角α為10°。開啟GMAW增材制造熱源設備，并打開保護氣瓶氣閥，調(diào)節(jié)氣體流量。

步驟四：引燃GMAW增材制造電弧，機器人控制GMAW焊槍2沿成形路徑方向完成第一層的成形，待GMAW焊槍2重新回到起弧點后，繼續(xù)沿成形路徑方向運動5-9mm，然后熄滅電弧，第一層起弧、熄弧點位置如圖2(a)所示。將GMAW焊槍2沿其軸線方向提高一個層高。待前一層表面溫度降低至45℃后，開始下一層的成形。

步驟五：繼續(xù)重復步驟四，完成第二、第三層至剩余層的成形，直到成形層的尺寸達到幾何構(gòu)件的尺寸要求為止。第二、三、四層起弧、熄弧點位置如圖2(b)-2(d)所示。

上述封閉幾何構(gòu)件成形過程中，所有成形層的成形路徑方向是相同的。GMAW增材制造設備為Panasonic YD-500FR電源，ABB機器人作為運動執(zhí)行機構(gòu)，GMAW焊槍安裝在機器人第六軸端部的法蘭盤上。增材制造工藝參數(shù)為：送絲速度3.2m/min，行走速度4mm/s，成形過程用保護氣為95％Ar+5％CO₂，氣體流量18L/min，填充絲材為CHW-55CNH高強耐候鋼焊絲，絲材直徑1.2mm，Q355NH基板尺寸為200mm×200mm×12mm。

實施例2

一種外輪廓為曲線的封閉幾何構(gòu)件高50mm，底部內(nèi)徑95mm、外徑105mm，所述的封閉幾何構(gòu)件為首尾連接的多層單道薄壁件，成形層生長方向與其在基板平面的投影所成的角度小于等于90°，封閉幾何構(gòu)件的構(gòu)件生長方向與其在基板平面的投影所成的角度是隨封閉幾何構(gòu)件的外輪廓變化的。其采用本發(fā)明所述的變焊槍位姿的封閉幾何構(gòu)件GMAW增材制造方法，具體步驟如下：

步驟一：根據(jù)封閉幾何構(gòu)件的三維尺寸及結(jié)構(gòu)，在三維建模軟件中建立其Solidworks模型，提取封閉幾何構(gòu)建的STL模型并分層切片，確定相應的成形路徑。

步驟二：完成基板上第一層成形路徑及其周圍25mm附近的機械打磨處理，并用丙酮試劑清洗打磨處的油污，將基板安裝在工裝夾具上。

步驟三：控制GMAW焊槍運動至基板上方處，使GMAW焊槍-軸線垂直于基板表面，GMAW焊槍-噴嘴到基板表面距離設定為13mm，確定第一層起弧點位置。然后在起弧點位置調(diào)整GMAW焊槍-姿態(tài)，使GMAW焊槍-軸線與其軸線在基板平面上投影線的夾角為α，第一層的α為85°，由于封閉幾何構(gòu)件的外輪廓為曲線，所以不同成形層的GMAW焊槍軸線與其軸線在基板平面上投影線的夾角α是隨外輪廓線變化的，開啟GMAW增材制造熱源設備，并打開保護氣瓶氣閥，調(diào)節(jié)氣體流量。

步驟四：引燃GMAW增材制造電弧，機器人控制GMAW焊槍沿成形路徑方向完成第一層的成形，待GMAW焊槍重新回到起弧點后，繼續(xù)沿成形路徑方向運動9mm，然后熄滅電弧，第一層起弧、熄弧點位置如圖2(a)所示。將GMAW焊槍沿其軸線方向提高一個層高。待前一層表面溫度降低至180℃后，開始下一層的成形。

步驟五：繼續(xù)重復步驟四，完成第二、第三層至剩余層的成形，直到成形層的尺寸達到幾何構(gòu)件的尺寸要求為止。

上述封閉幾何構(gòu)件成形過程中，所有成形層的成形路徑方向是相同的。GMAW增材制造設備為Panasonic YD-500FR電源，ABB機器人作為運動執(zhí)行機構(gòu)，GMAW焊槍安裝在機器人第六軸端部的法蘭盤上。增材制造工藝參數(shù)為：送絲速度3.2m/min，行走速度5mm/s，成形過程用保護氣為95％Ar+5％CO₂，氣體流量18L/min，填充絲材為CHW-55CNH高強耐候鋼焊絲，絲材直徑1.2mm，Q355NH基板尺寸為200mm×200mm×12mm。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。