阅读说明：本技术 一种采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法 (Method for forming complex metal part by adopting electric arc additive and laser additive compounding ) 是由 薛飞 崔鑫 方学伟 彭娜 宋春男 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法,包括对零件实体进行三维建模,对三维实体模型进行几何特征分解,零件特征增材成形方法划分,确定各特征成形工艺参数,对各特征成形排序,针对各特征进行切片分层处理,根据特征成形排序及相邻特征间结合界面的处理方法,将各特征依次成形。本发明有效结合了电弧增材制造成形高效以及激光增材制造成形精细的优点,相比于传统锻造缩短了加工周期,既保证了零件整体的成形性,又保证了精细、复杂结构的质量,提高了生产效率,降低了加工成本。同时采用激光重熔的方法,减少了异种增材工艺结合界面区域的裂纹和气孔数量,同时也使组织分布更加均匀,提高了结合界面的力学性能。(The invention discloses a complex metal part forming method adopting electric arc additive and laser additive compounding, which comprises the steps of carrying out three-dimensional modeling on a part entity, carrying out geometric characteristic decomposition on a three-dimensional entity model, dividing a part characteristic additive forming method, determining each characteristic forming process parameter, sequencing each characteristic forming, carrying out slicing and layering processing on each characteristic, and sequentially forming each characteristic according to the characteristic forming sequencing and a processing method of a combined interface between adjacent characteristics. The invention effectively combines the advantages of high efficiency of electric arc additive manufacturing and forming and fine laser additive manufacturing and forming, shortens the processing period compared with the traditional forging, ensures the forming property of the whole part, ensures the quality of a fine and complex structure, improves the production efficiency and reduces the processing cost. Meanwhile, the laser remelting method is adopted, so that the number of cracks and air holes in the combined interface area of the dissimilar material increase process is reduced, the tissue distribution is more uniform, and the mechanical property of the combined interface is improved.)

一种采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法

技术领域

本发明属于金属增材制造领域，具体涉及一种采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法，在缩短加工周期的同时提高加工质量，降低加工成本。

背景技术

目前航空航天领域中存在着许多结构复杂、精度要求高的零件，例如航空发动机的机匣等。传统加工方法加工复杂零件时，主要采用锻件毛坯铣削加工的工艺方法，其工序复杂，材料利用率低，切削余量大，往往需要数月的加工工时。而数月的加工周期也明显限制了产能和设备利用率，成为航空航天领域部分复杂产品研制及制造的瓶颈问题。

增材制造能够实现毛坯近净成形，其缺陷控制优于铸件毛坯，材料利用率显著优于锻件毛坯，增材制造的应用对减少加工余量以及缩短产品研发周期具有显著改善作用。

目前金属增材制造方法主要有激光增材和电弧增材，激光增材的优势主要在于成形零件的精度高，电弧增材的技术优势主要在于成形效率高，丝材利用率高，且材料成本低。然而两种工艺也存在各自的缺点，激光增材技术的缺点关键在于成形效率和粉末利用率较低。而电弧增材技术的缺点在于成形精度较低，工艺稳定性控制难度大。

通过特征分解和工艺复合，利用电弧增材工艺实现高效成形，同时利用激光增材工艺实现精细成形，可实现两种工艺的优势互补。而目前，实现电弧增材与激光增材的工艺复合，其难点在于结合界面组织与力学性能较差，容易导致成形零件性能不达标，因此，优化结合界面的组织与性能，成为了工艺复合的核心问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术高精度及结构复杂零件的高效加工问题，提供一种采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法，有效结合电弧增材与激光增材两种工艺方式的优点，并且改善结合界面的组织与力学性能，缩短生产周期，提高材料利用率。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法，包括以下步骤：

步骤一、对零件实体进行三维建模，在零件实体表面法向向外增加后续切削加工需要的余量，生成增材成形毛坯的三维实体模型，并对三维实体模型进行几何特征分解；

步骤二、对分解得到的几何特征逐个进行分析，选择特征的堆积方向，提取各特征的名义尺寸，根据特征名义尺寸判断该特征是否适合采用电弧增材成形；

若该特征不适合采用电弧增材成形，则将其直接划分为B类特征；若该特征适合采用电弧增材成形，分别估算采用电弧增材和激光增材的时间及成本，并据此将特征划分为A类特征或B类特征，其中，A类特征采用电弧增材成形，B类特征采用激光增材成形；

步骤三、对分解得到的几何特征进行成形排序，依据各个几何特征所确定的增材成形方法进行切片分层处理，并确定各个几何特征所选用的成形工艺参数；

步骤四、相邻特征成形过程中，在前一特征成形后对结合界面进行加工处理，根据前后特征的增材成形方法以及前一特征成形后的表面粗糙度确定结合界面处理方法，具体如下：

①当相邻特征的增材成形方法相同时，若表面粗糙度≤界定值，直接成形后一特征；若表面粗糙度＞界定值，则首先对结合界面进行减材加工，使表面粗糙度≤界定值后，然后继续成形后一特征；②当相邻特征的增材方法不同时，若表面粗糙度≤界定值，则对结合界面直接进行激光重熔，并继续成形后一特征；若表面粗糙度＞界定值，则首先对结合界面进行减材加工，使表面粗糙度≤界定值，然后对结合界面进行激光重熔，之后继续成形后一特征；

步骤五、根据特征成形排序及相邻特征间结合界面的处理方法，将各特征依次成形，直至增材过程全部完成后，对零件表面进行减材加工，使零件尺寸和形状各精度达到设计要求。

步骤二所述的特征名义尺寸包括：垂直于特征堆积方向的特征最大长度为名义长度l，垂直于特征堆积方向的壁厚或宽度最小值为名义厚度d；电弧增材成形的起弧与熄弧不稳定段长度为a，单熔道宽度为f，若名义长度l相对起弧与熄弧不稳定段长度a较短，或名义厚度d与单熔道宽度f的比例较小，即当l≤αa或d≤βf时，则该特征不适合电弧增材成形，认定该特征为B类特征，其中，α、β为比例系数，取值范围为：α≤2，β≤0.6。

步骤二所述估算采用电弧增材和激光增材的时间及成本的方法如下：当T_电弧≤γT_激光且P_电弧≤δP_激光时，认定该特征为A类特征，否则，认定该特征为B类特征；其中，T_电弧与T_激光分别为电弧增材和激光增材的时间，P_电弧与P_激光分别为电弧增材和激光增材的成本；

γ、δ为比例系数，结合零件制造要求选定，取值范围为：γ≤1，δ≤1。

步骤四所述的激光重熔是指采用激光熔覆头在不送物料的情况下采用设定的光斑直径和扫描速度对前一特征成形或加工表面进行激光扫描熔融；激光重熔采用的激光功率1kW～2kW，激光光斑直径0.25mm～3mm，扫描速度3mm/s～30mm/s，表面粗糙度界定值≤Ra6.3。

所述激光重熔采用的扫描方法包括轮廓偏置、分区往复扫描，激光重熔的扫描轨迹覆盖前后特征的结合界面，前后特征扫描轨迹间的搭接率控制在5％～40％。

所述电弧增材的工艺种类包括：熔化极惰性气体保护焊MIG、熔化极活性气体保护焊MAG、激光熔丝、非熔化极惰性气体保护焊TIG以及等离子弧焊PAW。

所述的减材加工方法根据相邻特征结合界面的处理要求包括车削、铣削以及磨削。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

采用增材制造相比于传统的加工方式，能够实现无模近净成形，成形的零件不仅形状复杂，而且力学性能比锻造方法制造的零件高，大幅度缩短了生产周期，提高了材料利用率。本发明将电弧增材和激光增材复合，零件中结构简单且尺寸较大的A类特征采用电弧增材成形，而结构复杂且精细的B类特征采用激光增材完成。相比于单一的增材方法，本发明结合了两者的优势，既保证了零件整体的成形性，又保证了精细、复杂结构的质量，大幅提高了生产效率，降低了加工成本。同时，本发明采用激光重熔的方法，减少了异种增材工艺结合界面区域的裂纹和气孔数量，同时也使组织分布更加均匀，提高了结合界面的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于电弧增材与激光增材复合工艺方法流程图；

图2是特征增材方法判断流程图；

图3是特征间结合界面处理方法判断流程图；

图4是激光重熔原理示意图；

图5是本发明实施例的零件示意图；

图6是本发明实施例的零件剖面图；

图7是本发明实施例的零件特征分解图；

图8是电弧增材成形等径回转a特征示意图；

图9是激光增材成形局部外凸特征示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提还可以进行若干简单的修改和润饰，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或者可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员能够显式地和隐式地理解的是，在本发明所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参见图1，本发明采用电弧增材与激光增材复合的复杂金属零件成形方法，主要实现步骤如下：

第一步、对零件进行三维建模，在零件实体表面法向向外增加后续切削加工需要的余量，生成增材成形毛坯的三维实体模型，并对模型进行几何特征分解；

第二步、逐个特征进行分析，选择特征堆积方向，提取各特征的名义尺寸，根据特征名义尺寸判断该特征是否适合采用电弧增材成形，若适合，分别估算采用电弧增材和激光增材的时间及成本，并据此将特征划分为A类特征或B类特征，判断流程如图2所示，若该特征不适合采用电弧增材成形，则将其定义为B类特征，其中，A类特征采用电弧增材成形，B类特征采用激光增材成形，具体判定方法如下：

所述的特征名义尺寸包括，垂直于特征堆积方向的特征最大长度为名义长度l，垂直于堆积方向的壁厚或宽度最小值为名义厚度d；定义电弧增材成形的起弧与熄弧不稳定段长度为a，单熔道宽度为f，若名义长度l相对起弧与熄弧不稳定段长度a较短，或名义厚度d与单熔道宽度f的比例较小，即当l≤αa或d≤βf时，该特征不适合电弧增材成形，认定该特征为B类特征，其中，α、β为比例系数，取值范围为：α≤2，β≤0.6；

若特征不满足上述要求，即同时满足电弧增材和激光增材的工艺适用性，则进一步比较采用电弧增材和激光增材两种成形方法所需的时间T和成本P，并作为特征判定依据，当T_电弧≤γT_激光且P_电弧≤δP_激光时，认定该特征为A类特征，否则，认定该特征为B类特征，其中，γ、δ为比例系数，结合零件制造要求选定，取值范围为：γ≤1，δ≤1。

其中，电弧增材采用电压为3V～15V、焊接速度为0.3m/min～1.5m/min，激光熔丝的光斑直径为0.25～2.5mm，丝材的直径为0.6mm～2.5mm。激光增材采用的激光功率500W～3kW，扫描速度200mm/min～720mm/min，送粉速度4g/min～15g/min，制造同一零件时，粉材种类可与丝材种类相同或不同。粉末的尺度为100μm～500μm；

第三步、对特征成形进行排序，依据各特征所采用的增材成形方法进行切片分层处理，并确定各特征所选用的成形工艺参数；

第四步、相邻特征成形过程中，需在前一特征成形后对两者结合界面进行加工处理，根据前后特征的增材成形方法以及前一特征成形后的表面粗糙度确定结合界面处理方法，判断流程见图3，具体如下所述：

①当相邻特征的增材成形方法相同时，若所述表面粗糙度≤界定值，可直接成形后一特征；若所述表面粗糙度＞界定值，需首先对结合界面进行减材加工，使所述表面粗糙度≤界定值后，继续成形后一特征；

②当相邻特征的增材方法不同时，若所述表面粗糙度≤界定值，则可对结合界面直接进行激光重熔，并继续成形后一特征；若所述表面粗糙度＞界定值，需对结合界面进行减材加工，使所述表面粗糙度≤界定值，并对结合界面进行激光重熔，之后继续成形后一特征；

参见图4，激光重熔是采用激光熔覆头在不送物料的情况下采用一定的光斑直径和扫描速度对前一特征成形或加工表面进行激光扫描熔融；

所述的界定值根据工艺实验及经验确定；

其中，激光重熔采用的激光功率1kW～2kW，激光光斑直径0.25mm～3mm，扫描速度3mm/s～30mm/s，表面粗糙度界定值≤Ra6.3；

第五步，根据第三步所规划的特征成形顺序，以及第四步确定的相邻特征间结合界面的处理方法，将各特征依次成形，直至增材过程全部完成后，对零件表面进行减材加工，使零件尺寸和形状各精度达到设计要求。

实施例1

参见图5和图6，以具有复杂难成形特征的结构件为例对本发明进行详细的说明，送丝式增材选用MIG成形工艺，丝材的直径为0.6mm～2.5mm，送粉式增材选用LMD成形工艺，激光熔覆沉积时，所用粉材种类可与丝材种类相同，粉末的尺度为100μm～500μm，结合界面表面粗糙度界定值为Ra6.3。实施例中零件含有变径回转、局部外凸等复杂特征，因此很难由锻造直接成形，故本实施例对其成形工艺重新进行规划。本实施例首先对零件进行三维建模，生成增材成形毛坯模型，并对模型进行特征分解，得到六个特征，如图7所示，分别为：法兰a特征、等径回转b特征、变径回转特征、等径回转a特征、局部外凸特征和法兰b特征。

对六个特征成形方法进行划分，本例中以316L不锈钢为例，激光增材单道层高e₁＝0.7mm，熔宽f₁＝2.5mm，送粉速度6g/min，扫描速度为480mm/min，316L粉材150元/kg，电弧增材起弧与熄弧段总长a为40mm，单道层高e₂＝2.5mm，熔宽f₂＝10mm，扫描速度为4.5m/min，316L丝材0.2元/m，搭接率均为40％，冷却时间都为每堆积4层冷却20s，可留余量均取5mm，忽略装填粉末、丝材等辅助时间，且人工成本与设备损耗等成本相同即抵消，比例系数取值：α＝1，β＝0.5，γ＝0.3，δ＝0.5，将各特征相关参数带入公式：

T_成形时间＝t_熔覆时间+t_冷却时间+t_辅助时间

P_成本＝p_{原材料成本}+p_{设备损耗成本}+p_人工成本+p_其他成本

各特征基本参数如下表所示：

实施例各特征几何尺寸参数表

首先判断各特征是否满足电弧增材方法，将a＝40mm，f＝10mm，比例系数α＝1，β＝0.5带入公式l≤αa，d≤βf，得到l≤40mm或d≤5mm时，该特征应采用激光增材。将各特征名义长度和名义厚度分别带入上式，得到局部外凸特征不满足电弧增材，需采用激光增材成形，法兰a、等径回转a、变径回转、等径回转b、法兰b五个特征满足电弧增材条件，继续计算各特征分别使用两种增材方法所需时间、成本，进行判断。

以等径回转b特征为例判断两种增材方法各自所需时间和成本如下：

电弧：

T_成形时间＝t_熔覆时长+t_冷却时间＝368+20×1＝553s

P_成本＝V_送丝速度×t_熔覆时长×b_{丝材单位价格}＝4500×8.87×0.0002＝7.98元

激光：

T_成形时间＝t_熔覆时长+t_冷却时间＝71377+20×23＝71837s

P_成本＝V_送粉速度×t_熔覆时长×b_{丝材单位价格}＝6×1189.6×150/1000＝1070.64元

由以上计算可知等径回转b特征由电弧增材成形时间为388s，成本为7.48元，由激光增材成形时间为71377s，成本为1070.64元，将数据代入公式T_电弧≤0.3T_激光，P_电弧≤0.5P_激光，均满足条件，可知等径回转b特征应选择电弧增材成形。

同理可知法兰a、变径回转、等径回转a、法兰b等特征由电弧增材制造成形。即六个特征部分仅有局部外凸特征由激光增材成形，而法兰a、等径回转a、等径回转b、变径回转、法兰b五个特征由电弧增材成形。

接下来对特征进行成形排序，拟沿大端开始打印，则成形顺序依次是：法兰a、等径回转a、变径回转、等径回转b、局部外凸、法兰b，将各特征按照对应成形方法切片分层，分层完成后，按照顺序依次成形，具体步骤如下：

1、首先成形法兰a特征，由电弧增材竖直向上直接沉积成形，成形完毕后，再通过铣削竖直加工孔，完成该特征成形。其中，电压为3V～15V、焊接速度为0.3m/min～1.5m/min，送丝成形工艺参数在后续过程中保持不变；

2、等径回转a特征，与法兰a特征均为电弧增材成形，因此结合界面处应先检测表面粗糙度是否≤Ra6.3，若表面粗糙度≤Ra6.3，则直接直接成形该特征；若表面粗糙度＞Ra6.3，则首先对其表面进行铣削加工，表面粗糙度达标后成形该特征。该特征由电弧增材竖直向上直接沉积成形。

3、变径回转特征，与等径回转a特征均为电弧增材成形，因此结合界面处应先检测表面粗糙度是否≤Ra6.3，若表面粗糙度≤Ra6.3，则直接直接成形等径斜壁特征；若表面粗糙度＞Ra6.3，则首先对其表面进行铣削加工，表面粗糙度达标后成形该特征。该特征通过计算出单层横向偏移量以及层宽，在电弧增材成形过程中，焊枪始终保持竖直状态，向上成形斜壁；

4、等径回转b特征，与变径回转特征均为电弧增材成形，因此结合界面处应先检测表面粗糙度是否≤Ra6.3，若表面粗糙度≤Ra6.3，则直接直接成形圆柱体特征；若表面粗糙度＞Ra6.3，则首先对其表面进行铣削加工，表面粗糙度达标后，该特征由电弧增材沿竖直方向直接沉积成形；

5、局部外凸特征，与圆柱体特征增材成形方法不同，因此结合界面处应先检测表面粗糙度是否≤Ra6.3，若表面粗糙度≤Ra6.3，则直接对结合界面进行激光重熔，激光重熔原理如图4所示；若表面粗糙度＞Ra6.3，则首先对其表面进行铣削加工，粗糙度达标后，再进行激光重熔。结合界面处理完毕后，将基体翻转90°，通过基体沿Y轴旋转配合熔覆头沿Y轴移动，利用激光增材成形，成形完毕后，再通过铣削竖直加工孔，完成该特征成形。其中，激光重熔过程中，激光功率500W～2kW，激光光斑直径2mm～5mm，扫描速度3mm/s～30mm/s。激光增材的激光功率500W～3kW，扫描速度200mm/min～720mm/min，送粉速度4g/min～15g/min；

6、法兰b特征，与等径回转特征均为电弧增材成形，因此结合界面处应先检测表面粗糙度是否≤Ra6.3，若表面粗糙度≤Ra6.3，则直接直接成形圆柱体特征；若表面粗糙度＞Ra6.3，则首先对其表面进行铣削加工，表面粗糙度达标后，成形该特征，需将基体翻转90°，利用电弧增材直接堆高，再通过铣削加工孔，完成该特征成形；

7、增材加工完成后，对零件整体表面进行减材加工，使各表面达到精度要求，零件加工完成。

以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些不脱离本发明的精神和范围的修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。