三维焊接成型

2021/6/41三维焊接成型三维焊接成型主讲人：刘松组员：刘东兵、刘明鉴、卢天鹏、牟姝妍、宁毅2021/6/42主讲内容主讲内容p发展p基本原理与具体步骤p五大关键技术p优缺点及解决方法p应用与前景2021/6/43发展发展2021/6/44发展发展2021/6/45发展发展2021/6/46材料发展材料发展p材质：铁基材料（如奥氏体不锈钢）、Ni基材料 Ti基材料 铝基材料 p形状：金属粉末、金属丝2021/6/47三维成型焊接快速制造技术作为快速成型技术的一种,将焊接方法与计算机辅助设计相结合,利用计算机辅助设计所提供的实体三维数据控制焊接设备,采用分层扫描和分层堆焊的方法来制作零件。它与传统的焊接材料与材料之间的连接不同,成型焊接所制造的零件点全部由焊缝所组成,所以也叫做全焊缝金属零件制造技术。其成型过程是:CAD造型模型近似处理切片处理焊接设备三维产品2021/6/48具体步骤 (1)设计人员根据实体或所提供的三维数据在计算机中生成产品的三维CAD实体模型或曲面模型。(2)对三维CAD实体模型或曲面模型进行近似处理,并将其转换成STL文件格式。(3)从三维CAD模型上,沿焊接成型的高度方向,每隔一定间距,用切片处理软件从STL文件中“切出”设定厚度的一系列片层,以便提取加工截面的轮廓信息。(4)将切片信息输入成型系统自动焊接设备中,用以控制焊接设备的工作。(5)逐层堆焊,最后制得成型零件。2021/6/49五大关键技术五大关键技术快速成型软件快速成型软件：目前常用的切片算法是将三维模型转化成STL格式文件然后进行切片处理。成型过程的变形控制成型过程的变形控制：焊接成型采用逐层堆焊的方法来制造零件，会不可避免地产生残余应力、内应力，使零件发生翘曲变形。残余应力的产生由焊接热应力而引起 热应力的产生则与焊缝的填充速度及焊缝冷却速度有关。或者采用预热及控制层间温度来消除焊接的残余应力。焊接工艺的优化焊接工艺的优化：焊接成型焊接过程是单边焊接，而且要求金属的熔覆要在准确位置上进行，同时零件尺寸要求在不同位置上定量控制熔化金属的总量。熔化金属过程中，熔滴的几何尺寸、熔滴的过渡速度、熔滴的温度都对成型零件的几何精度有影响。目前常用的解决方法通常采用一脉冲一滴的控制技术，准确选择脉冲出现时刻和脉冲电流大小。堆积路径堆积路径：堆积路径是影响零件成型的精度的原因之一，同时堆积路径与堆积过程的热传输影响零件的焊接变形，因此必须选择合理的堆积路径。同时在路径规划中，为了保证零件的致密度，各堆积线之间应有一定的重叠，必须选择合适的重叠宽度、堆积线的宽度。保护气氛保护气氛：由于焊接成型时温度很高，成型后的某些部分温度仍很高，如果暴露在空气中，则金属表面会氧化，形成氧化皮。氧化皮对后续应对熔池周围使用保护气，对已熔覆成型部分也要采用气体保护，以避免熔覆层的熔合起到阻碍作用，使成型零件发生分层。因此必须采用合适的气体对熔池周围、某些已熔覆的成型部分进行气体保护。2021/6/410优点优点1)依靠计算机技术和焊接技术,可以直接从CAD模型制得金属零件,零件的形状几乎不受限制,不需要传统制造方法所要求的各种工装模具及加工设备,大大降低了制造成本,缩短了加工周期。(2)设计人员可以及时发现设计和生产中存在的不足和错误,并在极短的时间内加以改进,优化设计,提高产品质量。(3)在生产形状复杂、单件或小批量零件时,具有经济快速的优点,有利于产品的更新换代,适应变化迅速的市场需求。(4)与整体铸锻件相比,三维成型焊接零件的化学成分均匀,材料晶粒尺寸细小,具有优良的力学性能,整体质量好。在必要的时候,零件各部分可选择不同的材料,如零件的底部选择不锈钢,顶部选择铝合金。(5)可以根据设计要求直接制造出形状复杂的金属模具,这是模具制造领域的一项重大革新。由于该技术具有上述优点,它在制造业的用途极为广泛,目前在国外已进入到汽车、航空航天及雕塑艺术等应用领域,用于单件、小批量复杂形状的零件、模具及艺术品的制造。2021/6/411缺点及解决方法缺点及解决方法缺点缺点:焊接成型是一种直接制造金属零件工艺，它类似于熔融沉积成型，不同之处在于焊接快速成型采用焊接工艺通过电弧使金属熔化与过渡。但由于材料的堆积以液态金属过渡的方式进行，且堆积过程中存在液态金属熔池，使零件边缘形状及零件的精度的控制变得困难。采用逐层堆焊的方法来制造零件,零件中会不可避免地产生气孔、未熔合及残余应力等焊接缺陷。解决方法：解决方法：气孔气孔可以采用预热及控制层间温度的措施消除。德国Thyssen公司采用成型焊接方法ASTMA508C13制造钢的容器壳体,预热由横向气体加热喷枪实施,通过横向喷水或喷气来调整预热及层间温度,获得很好效果。成型焊接零件焊道及焊点之间的未熔合成型焊接零件焊道及焊点之间的未熔合,是影响成型焊零件质量的重要因素,在制作斜面结构时这种缺陷更为常见。焊接规范大时焊道间较易熔合,但会出现焊缝金属流淌的现象,采用合理的焊接规范可以控制这一缺陷的产生。由于一般成型焊接采用了焊接机器人柔性生产单元,焊接规范的适时调整较易实现。残余应力残余应力的产生由焊接热应力而引起,热应力的产生则与焊缝的填充速度及焊缝冷却速度有关,根据不同焊接方法的需要,适当地选择焊接电压、电流及送丝速度之间的匹配关系,可以减少零件残余应力的产生。焊后对整体成型零件进行消除应力热处理,也是必不可少的措施。目前,成型焊接零件中残余应力的产生机制及控制方法仍然是一个值得深入研究的课题。2021/6/412应用应用德国汉堡的Blohm-Voss公司是Thyssen的子公司，1980年采用埋伏自动焊制造了一个重72T的空心实验容器。生产过程开始在壁厚25mm的圆管上逐层堆焊，最后形成长6000mm，外径1840mm,内径1136mm,材料为10MnMoNi55,相当于ASTM A508C13钢的容器壳体。堆焊采用4头埋弧焊设备，焊丝直径4mm，焊速700mm/min，焊道沿管壁呈螺旋状，每圈搭接半个焊道的宽度，轴向前进14mm/圈，预热及层间温度为220摄氏度，以确保焊接过程氢的逸出。预热由横向气体加热喷枪实施，同时采用横向喷水或喷气来调整焊前的预热及层间温度。焊接设备要求有很好的长期工作稳定性，堆焊焊缝总长度为200km,连续6周焊完。壳体后整体去应力热处理。Babcock-Wilcox公司采用熔化极惰性气体保护焊以及等离子-熔化极气体保护焊方法，制造奥氏体不锈钢及其他合金部件。2021/6/413前景前景三维焊接成型技术是一种非常实用又制造成本较低的直接快速制造金属零件的方法。焊接成型时有多种成熟的焊接工艺可供选择，而且成型零件与整体铸锻件相比、其化学成分均匀、材料晶粒尺寸细小、具有优良的力学性能、整体质量好。在必要的时候，成型零件可由不同的材料成型。焊接成型采用焊接电弧作为能源将焊丝熔化，相对以激光器作为能源的其它金属成型工艺相比，成本少。目前虽然焊接成型技术中还有许多有待解决的课题，但由于经济、实用，且成型零件满足强度、性能好等优点，使焊接成型具有广阔的应用前景，特别适合制造大尺寸零件。随着计算机技术、快速成型技术的不断发展和焊接技术的更加成熟与完善焊接快速成型技术必将在汽车、航空航天、雕塑艺术、电子及模具制造等领域获得广泛应用。2021/6/414THANK YOU部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！