本發(fā)明涉及零件成形制造領域，尤其是涉及一種金屬冷焊增材制造的方法。

背景技術：

增材制造技術是基于離散-堆積原理、根據零件三維數字模型、采用材料逐層累加的方法直接制造實體零件的數字化制造技術，又稱“3d打印技術”。該方法的優(yōu)點是：無需傳統的刀具即可實現自由成形，降低了生產工序和制造周期，適于低成本小批量產品制造，特別適合結構復雜、原材料附加值高的產品的制造。早期的快速原型制造、三維打印、實體自由制造技術等主要是非金屬的原型或模型制造；現在，金屬增材制造技術則是各國科學研究的重點和制造業(yè)發(fā)展的新趨勢；各類金屬焊接和熔敷技術都可以用于進行金屬的增材制造，常用的金屬增材制造技術有激光增材制造技術、電子束增材制造技術和電弧增材制造技術。

現在的金屬增材制造技術還存在以下問題：

一、無論是激光增材制造技術還是電弧增材制造技術，都是連續(xù)熱態(tài)堆焊過程；其熱源連續(xù)輸入，使熱輸入量較大，基體處于過熱狀態(tài)，容易產生較大的熱應力和粗大的晶粒組織，導致零件出現熱變形和內部缺陷，使增材制造零件的成形精度和各項性能無法保證；這是制約金屬增材制造技術發(fā)展和應用的重要問題；

二、在連續(xù)電弧增材制造過程中，由于熱量積累和散熱條件的影響，起弧段焊縫的質量和成形與收弧段焊縫明顯不同，使焊縫成形和質量控制比較困難；對焊縫連續(xù)性的要求也給制造過程中的路徑規(guī)劃造成了困難；

三、對一些易氧化的金屬如鈦合金在受熱時非常容易氧化，在進行熱態(tài)堆焊增材制造時必需采用充分的氣保護措施，提高了生產成本，也降低了靈活性。

因此，需要一種金屬冷焊增材制造的方法解決現有金屬增材制造技術中由于熱輸入量大而導致的熱變形和熱應力較大、晶粒組織粗大的問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現有技術存在的問題提供了一種金屬冷焊增材制造的方法，解決了金屬增材制造過程中的熱輸入量、熱變形、熱應力、晶粒組織較大和路徑規(guī)劃困難的問題。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種金屬冷焊增材制造的方法，包括以下步驟：

步驟一：在主控計算機上對零件進行3d建模，對零件進行分層處理，得到每個分層的尺寸和形狀特點，然后對焊槍的移動路徑進行規(guī)劃以及選擇其焊接工藝參數；

步驟二：對分層通過上述選擇的每道焊縫的焊接工藝參數和規(guī)劃的移動路徑建立其相應的焊縫模型；然后基于焊縫的間距和堆焊路徑對分層建立堆積層的三維模型，得到焊縫和堆積層成形的尺寸；將堆積層成形的尺寸與步驟一中得到的分層的尺寸進行對比，然后對堆焊路徑、焊接工藝參數進行重新優(yōu)化和選擇；主控計算機將重新優(yōu)化后的每道焊縫的焊接工藝參數輸入并設定到高能脈沖精密冷焊機和送絲機中，堆焊路徑輸入并設定到機械手和變位機中；

步驟三：控制機械手按照設定的堆焊路徑操作焊槍移動，變位機調整制造零件的焊接位置，且與機械手配合實現復雜形狀和結構零件的堆焊成形；高能脈沖精密冷焊機和送絲機按照設定的焊接工藝參數進行斷續(xù)點焊，在每個脈沖期間增加一個點焊縫，每個脈沖間隔期間進行冷卻散熱；高能脈沖熔化一個焊點后立即熄弧冷卻，以使整個增材制造過程中基體處于常溫狀態(tài)；然后由斷續(xù)點焊縫逐點逐線搭接完成一分層的堆焊成形；

步驟四：通過三維激光掃描儀檢測獲得上述分層的三維尺寸，反映和記錄到主控計算機中，主控計算機對其與零件所需的尺寸即3d建模中該分層的尺寸進行對比，從而確定下一個分層的尺寸和形狀，然后開始下一個分層的堆焊成形；如此循環(huán)往復，重復步驟二至三，直到完成所有分層的堆焊成形，然后將所有分層逐層堆焊成形為零件。

進一步的，所述增材制造過程中電弧和熔池的溫度、大小由高速紅外攝像儀檢測和記錄，并將其反映和記錄到主控計算機中，主控計算機根據熔池的大小實時控制送絲量、脈沖電流和脈沖時間，實時控制焊接工藝參數和移動路徑，以確保每個熔池的成形精度。

進一步的，所述的焊接工藝參數包括脈沖電流、脈沖時間、熄弧時間、焊絲直徑、送絲速度和焊接速度。

進一步的，所述高能脈沖的脈沖電弧時間為1-300ms，脈沖間隔時間為1-10s。

進一步的，增材制造過程中所述基體處于常溫即基體處于冷態(tài)，不需采取特殊的氣保護措施。

進一步的，所述的焊接工藝參數中焊絲的直徑為0.1mm-3.0mm，送絲的速度為0.1m/min-5.0m/min，焊接的速度為0.2mm/s-5mm/s。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.在金屬冷焊增材制造的方法中，增材制造過程的電弧是不連續(xù)的，脈沖與脈沖之間沒有維弧電流，每個脈沖過程都包含起弧、焊接、熄弧三個過程，每個脈沖電弧時間為1-300ms左右，脈沖間隔時間為1-10s左右；該方法進行多點多層堆積成形時，其熱輸入量很小，每個焊點對以前的堆焊層的熱影響很小，而且每個熔池存在時間短且冷卻速度快，使晶粒細小，從而使堆焊成形零件的熱變形、熱應力和晶粒組織都很小；

2.每個脈沖電弧都能精確控制，從而精確控制每個焊點的成形，近凈成形的精度高，可媲美激光和電子束等高能束的熔絲成形技術；

3.增材制造過程中，基體基本保持室溫，不存在連續(xù)堆焊時熱積累現象引起的起弧段與收弧段焊縫成形和質量的不同；

4.該方法中每個脈沖只堆焊一個焊點，即以點焊縫為單元進行路徑規(guī)劃，控制每個獨立的點焊縫逐點逐線逐面逐層地堆焊成形而實現了零件的增材制造，零件成形的精度和質量控制便于通過每個熔池的控制來實現；同時，在路徑規(guī)劃時比較自由，可規(guī)劃出最佳的堆焊路徑，從而方便地控制整個焊縫和零件的成形質量，也可方便地通過控制焊接路徑而使焊點的應力方向分散，減少零件的內應力和變形；

5.該方法進行增材制造時，由于其熱輸入量很小使基體處于冷態(tài)，不需要特殊的氣保護措施，從而降低了成本，且焊槍移動靈活，增加了操作的靈活性，可實現復雜零件的堆焊成形；

6.該方法進行金屬零件的增材制造時減小了熱輸入量，從而減小零件的變形和熱應力，提高增材制造零件的成形精度，細化內部晶粒組織，改善零件的性能，降低生產成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明金屬冷焊增材制造方法的原理圖；

圖2是本發(fā)明金屬冷焊增材制造方法過程中實現堆焊成形的工作原理圖；

圖3是本發(fā)明堆焊成形的零件—鈦金屬圓環(huán)的主視圖；

圖4是本發(fā)明堆焊成形的零件—雙螺旋鈦金屬柱體的主視圖；

圖5是本發(fā)明堆焊成形的零件—鈦金屬微型塔的俯視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明：

如圖1-5所示：該方法使用一種特殊的脈沖鎢極氬弧焊即p-tig焊，采用高能脈沖精密冷焊機，增材制造過程的電弧是不連續(xù)的，短時高能脈沖電弧迅速將基體和焊絲熔化，形成點焊縫；脈沖與脈沖之間沒有維弧電流，即進入熄弧冷卻階段；每個脈沖過程都包含起弧、焊接、熄弧三個過程，每個脈沖電弧時間為1-300ms左右，脈沖間隔時間為1-10s左右；其脈沖間隔時間遠大于脈沖焊接時間，也就是冷卻時間遠大于加熱時間，使增材制造過程的熱輸入很小，基體處于常溫狀態(tài)，不需要特殊的氣保護措施，降低了生產成本，增加了操作的靈活性；金屬冷焊增材制造的方法是基于零件的3d模型對零件進行分層處理、路徑規(guī)劃和焊接工藝參數選擇，控制tig焊槍按照設定的路徑進行移動，控制高能脈沖精密冷焊機和送絲機按照設定的焊接規(guī)范進行斷續(xù)點焊，在每個脈沖期間增加一個點焊縫，每個脈沖間隔期間進行冷卻散熱；由斷續(xù)點焊縫逐點逐線逐層堆積而實現零件的成形；三維激光掃描儀檢測獲得每個分層的三維尺寸，便于實時確定下一分層的焊接工藝參數和移動路徑，從而實現零件成形精度的閉環(huán)控制；增材成形的路徑更加多樣靈活，便于通過路徑規(guī)劃減小零件的變形、熱應力和晶粒，控制零件的成形精度和組織性能。

實施例1

如圖3所示：鈦金屬圓環(huán)的外徑20mm，高度4mm，壁厚2mm，由80層環(huán)形件堆焊形成，每層環(huán)形件的高度為0.2mm；其制造方法的具體步驟為:

步驟一：在主控計算機上對鈦金屬圓環(huán)進行3d建模，對鈦金屬圓環(huán)進行分層處理，得到每個分層的尺寸和形狀特點，然后對焊槍的移動路徑進行規(guī)劃以及選擇其焊接工藝參數，其中，脈沖電流為50-100a，焊絲的直徑為0.5mm的ti5al2.5sn，送絲的速度為0.1m/min-0.2m/min，焊接的速度為0.2mm/s-0.5mm/s，焊縫寬度為0.2-2mm；

步驟二：對分層通過上述選擇的每道焊縫的焊接工藝參數和規(guī)劃的移動路徑建立其相應的焊縫模型；然后基于焊縫的間距即焊縫寬度和堆焊路徑對分層建立堆積層的三維模型，得到焊縫和堆積層成形的尺寸；將堆積層成形的尺寸與步驟一中得到的分層的尺寸進行對比，然后對堆焊路徑、焊接工藝參數進行重新優(yōu)化和選擇，其中，選擇脈沖電流為50-90a，焊絲的直徑為0.5mm的ti5al2.5sn，送絲的速度為0.1m/min-0.2m/min，焊接的速度為0.2mm/s-0.5mm/s，焊縫寬度為0.2-1.5mm；主控計算機將重新優(yōu)化后的每道焊縫的焊接工藝參數輸入并設定到高能脈沖精密冷焊機和送絲機中，堆焊路徑輸入并設定到機械手和變位機中；

步驟三：控制機械手按照設定的堆焊路徑操作焊槍移動，變位機調整制造零件的焊接位置，且與機械手配合實現該零件的堆焊成形；高能脈沖精密冷焊機和送絲機按照設定的焊接工藝參數進行斷續(xù)點焊，在每個脈沖期間增加一個點焊縫，每個脈沖間隔期間進行冷卻散熱；高能脈沖熔化一個焊點后立即熄弧冷卻，以使整個增材制造過程中基體處于常溫狀態(tài)，其中，每個脈沖電弧時間為20-50ms，脈沖間隔時間為1-3s左右；電弧和熔池的溫度、大小由高速紅外攝像儀檢測和記錄，并將其反映和記錄到主控計算機中，主控計算機根據熔池的大小實時控制送絲量、脈沖電流和脈沖時間，實時控制焊接工藝參數和移動路徑，以確保每個熔池的成形精度；從而由斷續(xù)點焊縫逐點逐線搭接完成一分層的堆焊成形；

步驟四：通過三維激光掃描儀檢測獲得上述分層的三維尺寸，反映和記錄到主控計算機中，主控計算機對其與該零件所需的尺寸即3d建模中該分層的尺寸進行對比，從而確定下一個分層的尺寸和形狀，然后開始下一個分層的堆焊成形；如此循環(huán)往復，重復步驟二至三，直到完成所有分層的堆焊成形，然后將所有分層逐層堆焊成形為零件即鈦金屬圓環(huán)。

實施例2

如圖4所示：雙螺旋鈦金屬柱的高度為20mm，單螺旋鈦金屬柱的直徑為1.5mm，兩個單螺旋鈦金屬柱間的最大間距為5mm；其制造方法的具體步驟為:

步驟一：在主控計算機上對雙螺旋鈦金屬柱進行3d建模，對雙螺旋鈦金屬柱進行分層處理，得到每個分層的尺寸和形狀特點，然后對焊槍的移動路徑進行規(guī)劃以及選擇其焊接工藝參數，其中，脈沖電流為30-40a，焊絲的直徑為0.3mm的tc4鈦合金焊絲，其中，按重量份數tc4鈦合金焊絲的成份中有4-6份al、2.5-4份v、0.01-0.02份c、0.1-0.2份o和0.003-0.005份n，其余量為ti，送絲的速度為0.1m/min-0.2m/min，焊接的速度為0.2mm/s-0.3mm/s，焊縫寬度為0.5-1.5mm；

步驟二：對分層通過上述選擇的每道焊縫的焊接工藝參數和規(guī)劃的移動路徑建立其相應的焊縫模型；然后基于焊縫的間距即焊縫寬度和堆焊路徑對分層建立堆積層的三維模型，得到焊縫和堆積層成形的尺寸；將堆積層成形的尺寸與步驟一中得到的分層的尺寸進行對比，然后對堆焊路徑、焊接工藝參數進行重新優(yōu)化和選擇，其中，選擇脈沖電流為30-40a，焊絲的直徑為0.3mm的tc4鈦合金焊絲，送絲的速度為0.1m/min-0.2m/min，焊接的速度為0.2mm/s，焊縫寬度為1.5mm；主控計算機將重新優(yōu)化后的每道焊縫的焊接工藝參數輸入并設定到高能脈沖精密冷焊機和送絲機中，堆焊路徑輸入并設定到機械手和變位機中；

步驟三：控制機械手按照設定的堆焊路徑操作焊槍移動，變位機調整制造零件的焊接位置，且與機械手配合實現該零件的堆焊成形，在工作臺上焊接工件由變位機和機械手帶動在x、y、z方向上運動；高能脈沖精密冷焊機和送絲機按照設定的焊接工藝參數進行斷續(xù)點焊，在每個脈沖期間增加一個點焊縫，每個脈沖間隔期間進行冷卻散熱；高能脈沖熔化一個焊點后立即熄弧冷卻，以使整個增材制造過程中基體處于常溫狀態(tài)，其中，每個脈沖電弧時間為25ms左右，脈沖間隔時間為2s；電弧和熔池的溫度、大小如熔池的寬度由高速紅外攝像儀檢測和記錄，并將其反映和記錄到主控計算機中，主控計算機根據熔池的大小實時控制送絲量、脈沖電流和脈沖時間，實時控制焊接工藝參數和移動路徑，以確保每個熔池的成形精度；從而由斷續(xù)點焊縫逐點逐線搭接完成一分層的堆焊成形；

步驟四：通過三維激光掃描儀檢測獲得上述分層的三維尺寸，反映和記錄到主控計算機中，主控計算機對其與該零件所需的尺寸即3d建模中該分層的尺寸進行對比，從而確定下一個分層的尺寸和形狀，然后開始下一個分層的堆焊成形；如此循環(huán)往復，重復步驟二至三，直到完成所有分層的堆焊成形，然后將所有分層逐層堆焊成形為零件即雙螺旋鈦金屬柱。

實施例3

如圖5所示：鈦金屬微型塔的高度為2.5mm，其底部正方形的邊長為2.5mm；其制造方法的具體步驟為:

步驟一：在主控計算機上對鈦金屬微型塔進行3d建模，對其進行分層處理，得到每個分層的尺寸和形狀特點，然后對焊槍的移動路徑進行規(guī)劃以及選擇其焊接工藝參數，其中，脈沖電流為40-60a，焊絲的直徑為0.4mm的鈦合金焊絲，送絲的速度為0.1m/min-0.2m/min，焊接的速度為0.2mm/s-0.4mm/s，焊縫寬度為0.5-1.5mm；

步驟二：對分層通過上述選擇的每道焊縫的焊接工藝參數和規(guī)劃的移動路徑建立其相應的焊縫模型；然后基于焊縫的間距即焊縫寬度和堆焊路徑對分層建立堆積層的三維模型，得到焊縫和堆積層成形的尺寸；將堆積層成形的尺寸與步驟一中得到的分層的尺寸進行對比，然后對堆焊路徑、焊接工藝參數進行重新優(yōu)化和選擇，其中，選擇電流為40-60a，焊絲的直徑為0.4mm的鈦合金焊絲，送絲的速度為0.1m/min-0.2m/min，焊接的速度為0.2mm/s-0.3mm/s，焊縫寬度為0.5-1.0mm；主控計算機將重新優(yōu)化后的每道焊縫的焊接工藝參數輸入并設定到高能脈沖精密冷焊機和送絲機中，堆焊路徑輸入并設定到機械手和變位機中；

步驟三：控制機械手按照設定的移動路徑操作焊槍移動，變位機調整制造零件的焊接位置，且與機械手配合實現該零件的堆焊成形，高能脈沖精密冷焊機和送絲機按照設定的焊接工藝參數進行斷續(xù)點焊，在每個脈沖期間增加一個點焊縫，每個脈沖間隔期間進行冷卻散熱；高能脈沖熔化一個焊點后立即熄弧冷卻，以使整個增材制造過程中基體處于常溫狀態(tài)，其中，每個脈沖電弧時間為30ms，脈沖間隔時間為2s左右；電弧和熔池的溫度、大小由高速紅外攝像儀檢測和記錄，并將其反映和記錄到主控計算機中，主控計算機根據熔池的大小實時控制送絲量、脈沖電流和脈沖時間，實時控制焊接工藝參數和移動路徑，以確保每個熔池的成形精度；從而由斷續(xù)點焊縫逐點逐線搭接完成一分層的堆焊成形；

步驟四：通過三維激光掃描儀檢測獲得上述分層的三維尺寸，反映和記錄到主控計算機中，主控計算機對其與該零件所需的尺寸即3d建模中該分層的尺寸進行對比，從而確定下一個分層的尺寸和形狀，然后開始下一個分層的堆焊成形；如此循環(huán)往復，重復步驟二至三，直到完成所有分層的堆焊成形，然后將所有分層逐層堆焊成形為零件即鈦金屬微型塔。

上述該方法進行金屬零件的增材制造能夠減小熱輸入量，零件的基體處于常溫即冷態(tài)，從而減小零件的變形和熱應力，路徑規(guī)劃更加靈活多樣，便于選擇更好的堆焊路徑，棱角、楞線、尖峰部位都能夠實現堆焊成形，從而提高增材制造零件的成形精度，細化內部晶粒組織，改善零件的性能，降低生產成本。

上述對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明；熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。