【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光增材制造，具体涉及一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装及方法。
技术介绍
1、随着太空探索步伐的加快，航空发动机对结构材料的轻量化、高强化、低成本、快速成型、绿色环保技术等方面及高温综合性能有了更高的要求，需要尽快开展技术和工程化研究。通过采用先进制造技术和有效的结构拓扑优化设计，在保证结构性能情况下，实现航空航天结构和材料的轻质化是今后发展的必然趋势。同时，由于航空航天飞行器对材料性能要求不断提高，材料结构不断趋于复杂，以及铸造、锻造、轧制等传统制造工艺存在的生产周期长、费用高、效率低等问题，已不能适应航空航天飞行器多型号、多批量、超精密、快响应等需求和挑战。因此，实现复杂难加工结构件设计制造一体化，缩短研制周期，降低研制成本，是航空航天装备快速发展的关键。
2、轻量化复杂结构激光增材制造是航空航天制造领域的核心技术，3d打印工艺是实现航空航天关键构件轻量化、整体化、高性能制造的关键，其中激光选区熔化成形工艺最为突出，其可实现复杂薄壁结构一体成形，但对于封闭空腔结构的构件无法通过添加支撑再去除的常规办法去实现成形。特别对于带有功能性冷却气膜孔结构特征的薄壁空腔类构件，单一采用3d打印或传统制造工艺技术无法满足制造需求，因此，本专利技术创新性的提出一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装及方法，将焊接与3d打印工艺结合实现复合制造的目的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装及方法，以
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装，所述工装由上往下依次包括顶层圆环、中层圆环、和底座，且所述顶层圆环、中层圆环、和底座通过多个立柱连接形成主体框架，所述底座上通过紧固螺栓安装有一圈可滑动调节内径大小的底层扇形块，且底座上通过凸轮锁螺柱转动安装有驱使底层扇形块扩张的底层凸轮锁，所述中层圆环上通过紧固螺栓安装有一圈可滑动调节内径大小的中层扇形块，所述中层圆环上通过凸轮锁螺柱转动安装有驱使中层扇形块扩张的中层凸轮锁，所述顶层圆环上通过紧固螺栓安装有一圈可滑动调节内径大小的顶层扇形块，所述顶层圆环上通过凸轮锁螺柱转动安装有驱使顶层扇形块扩张的顶层凸轮锁，所述顶层凸轮锁、中层凸轮锁和底层凸轮锁上均设置有用于限制其自身转动的定位锁紧螺纹柱。
3、优选的，所述底座的顶部还对称设置有一对吊环，所述吊环与底座通过螺纹旋合连接；一圈所述中层扇形块的底部均通过螺杆连接有零件保护垫片，所述顶层扇形块、中层扇形块和底层扇形块上均开设有与对应的紧固螺栓相配合的条形导向滑槽。
4、一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，采用所述的工装，具体方法包括：s1：对薄壁空腔件模型进行增加支撑，增补毛坯余量，封闭空腔结构开设用于去支撑的窗口；
5、s2：原材料准备，采用金属合金粉末，粉末粒径15-53μm；
6、s3：启动设备，进行薄壁空腔件的3d打印；
7、s4：对3d打印后的薄壁空腔件进行热处理；
8、s5：线切割分离基板和薄壁空腔件，将取下的薄壁空腔件固定于台钳上，用橡皮锤和凿子将零件上的支撑去除；
9、s6：对薄壁空腔件进行尺寸检测和无损检测；
10、s7：采用所述工装对薄壁空腔件进行固定；
11、s8：将薄壁空腔件的大部分通孔进行封堵，仅留两孔，一孔通入氩气，一孔排出氩气，形成保护气循环；
12、s9：将薄壁空腔件放入工装内进行封板焊接；
13、s10：焊后对薄壁空腔件的焊缝位置进行去应力退火；
14、s11：焊后对焊缝进行无损检测，并对整体进行尺寸检测。
15、优选的，所述s1中，为实现刚度和轻量化设计，薄壁空腔件存在环形的空腔结构，而空腔内需增加支撑才能保证打印过程中上壁不塌陷，为此需在模型处理时对一整圈空腔结构开设16个均匀分布的条形窗口，便于去除支撑；所述s2中，原材料准备时，需核对并记录金属合金粉末的牌号、数量、规格、批号信息，核对无误后用料铲将足量的金属粉末加入设备料舱，所述空腔薄壁件直径大于1000mm，所述金属合金粉末牌号可以是镍基高温合金、钴基高温合金、钛合金、铝合金、钢等。
16、所述s3中，应严格控制激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚工艺参数；开启氩气，进气压力设置为0.5mpa,开启通风循环、水冷、扫描振镜、激光器，待氧含量达到1000ppm以下，设备自动开启打印过程；成形完成后，设备自动停止打印，待基板温度下降至40℃以下时可以进行取件操作；整个取出零件的过程中，防爆吸尘器开启，及时吸取成形舱中漂浮的粉尘；打印过程中需要将16个窗口对应的封板随炉一同打印；打印过程中应制备随炉的力学性能测试试棒和试板；所述s4中，进行热处理时，严格控制真空度、温度、保温时间、冷却方式工艺参数；以在真空度p值小于10pa的条件下，以特定的升温速率从常温加热260℃-950℃，保温1-4h，结束后充入1000-1500mbar氩气进行快冷，炉温降至室温；在加热到250℃以上、保温过程中以及充入氩气前的真空压强应小于5×10-2pa。
17、所述s6中，无损检测应包含渗透检测和x射线检测，进行渗透检测时，外观应无裂纹、气孔；进行x射线检测时，内部质量应无裂纹、未熔合、密集性气孔，其余质量要求应符合规定的技术条件和验收条件；尺寸检测采用三维扫描。
18、优选的，所述s7中，工装材料均为镍基高温合金，同样通过步骤s1-s5打印，并经过步骤s6无损检测，以保证工装线膨胀系数与薄壁空腔件一致，便于焊接以及焊后的去应力退火时，工装对薄壁空腔件的约束；将薄壁空腔件自上而下套入主体框架内，依次转动顶层凸轮锁、中层凸轮锁和底层凸轮锁，分别将顶层扇形块、中层扇形块和底层扇形块向外顶，使扇形块外侧随形贴合薄壁空腔件的内壁，再通过定位锁紧螺纹柱锁紧对应的凸轮锁，可实现空腔件的反变形；在平台上加设的零件保护垫片，可防止该平台和螺栓直接接触产生挤压导致零件损坏；当焊接结束后，通过吊环将零件随着工装一同起吊进入热处理设备。
19、优选的，所述s9中，焊前应检查零件和焊丝表面是否清理干净、焊机面板上的所有旋扭是否位于预设位置、氩气瓶阀门是否处于开通状态、氩气流通是否通畅；用高温胶带封住零件通孔，向内腔充气以便进行焊接时背部保护，焊前氩气流量不低于15l/min，充氩时长不低于15min，焊接时背部气保护氩气流量5l/min-15l/min，焊接工艺为：焊接电流35a-50a，焊接速度3-10mm/s，氩气流量10l/min-15l/min；对待焊区域进行标记，一共16个区域，1号区域和2号区域相对，1号区域逆时针90°为3号区域，3号区域和4号区域相对，5号区域在1号区域左侧，同理依次标记5-16号区域；空腔薄壁件与封板间隙0.1-0.8mm，先点焊定位，定位焊接后检查焊接接头无明显错边；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装，其特征在于：所述工装由上往下依次包括顶层圆环(14)、中层圆环(7)、和底座(12)，且所述顶层圆环(14)、中层圆环(7)、和底座(12)通过多个立柱(6)连接形成主体框架，所述底座(12)上通过紧固螺栓(3)安装有一圈可滑动调节内径大小的底层扇形块(11)，且底座(12)上通过凸轮锁螺柱(4)转动安装有驱使底层扇形块(11)扩张的底层凸轮锁(10)，所述中层圆环(7)上通过紧固螺栓(3)安装有一圈可滑动调节内径大小的中层扇形块(8)，所述中层圆环(7)上通过凸轮锁螺柱(4)转动安装有驱使中层扇形块(8)扩张的中层凸轮锁(5)，所述顶层圆环(14)上通过紧固螺栓(3)安装有一圈可滑动调节内径大小的顶层扇形块(1)，所述顶层圆环(14)上通过凸轮锁螺柱(4)转动安装有驱使顶层扇形块(1)扩张的顶层凸轮锁(2)，所述顶层凸轮锁(2)、中层凸轮锁(5)和底层凸轮锁(10)上均设置有用于限制其自身转动的定位锁紧螺纹柱。
2.根据权利要求1所述的一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装，其特征在于：所述底座(12)的顶
3.一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：采用如权利要求1-2所述的工装，具体方法包括：S1：对薄壁空腔件模型进行增加支撑，增补毛坯余量，封闭空腔结构开设用于去支撑的窗口；
4.根据权利要求3所述的一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述S1中，为保证打印过程中上壁不塌陷，需在模型处理时对一整圈空腔结构开设16个均匀分布的条形窗口，并且便于去除支撑；所述S2中，原材料准备时，需核对并记录金属合金粉末的牌号、数量、规格、批号信息，核对无误后用料铲将足量的金属粉末加入设备料舱，所述空腔薄壁件直径大于1000mm。
5.根据权利要求3所述的一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述S3中，开启氩气，进气压力设置为0.5MPa,开启通风循环、水冷、扫描振镜、激光器，待氧含量达到1000ppm以下，设备自动开启打印过程；成形完成后，设备自动停止打印，待基板温度下降至40℃以下时可以进行取件操作；整个取出零件的过程中，防爆吸尘器开启，及时吸取成形舱中漂浮的粉尘；打印过程中需要将16个窗口对应的封板随炉一同打印；打印过程中应制备随炉的力学性能测试试棒和试板；所述S4中，进行热处理时，以在真空度P值小于10Pa的条件下，以特定的升温速率从常温加热260℃-950℃，保温1-4h，结束后充入1000-1500mbar氩气进行快冷，炉温降至室温；在加热到250℃以上、保温过程中以及充入氩气前的真空压强应小于5×10-2Pa。
6.根据权利要求3所述的一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述S6中，无损检测应包含渗透检测和X射线检测，进行渗透检测时，外观应无裂纹、气孔；进行X射线检测时，内部质量应无裂纹、未熔合、密集性气孔，其余质量要求需符合规定的技术条件和验收条件；尺寸检测采用三维扫描。
7.根据权利要求3所述的一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述步骤S7中的工装材料均为同牌号高温合金，同样通过步骤S1-S5打印，并经过S6无损检测，以保证工装线膨胀系数与薄壁空腔件一致，便于焊接以及焊后的去应力退火时，工装对薄壁空腔件的约束；将薄壁空腔件自上而下套入主体框架内，依次转动顶层凸轮锁(2)、中层凸轮锁(5)和底层凸轮锁(10)，分别将顶层扇形块(1)、中层扇形块(8)和底层扇形块(11)向外顶，使扇形块外侧随形贴合薄壁空腔件的内壁，再通过定位锁紧螺纹柱锁紧对应的凸轮锁，可实现空腔件的反变形；在平台上加设的零件保护垫片(9)，可防止该平台和螺栓直接接触产生挤压导致零件损坏；当焊接结束后，通过吊环(13)将零件随着工装一同起吊进入热处理设备。
8.根据权利要求3所述的一种大型3D打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述S9中，焊前应检查零件和焊丝表面是否清理干净、焊机面板上的所有旋扭是否位于预设位置、氩气瓶阀门是否处于开通状态、氩气流通是否通畅；用高温胶带封住零件通孔，向内腔充气以便进行焊接时背部保护，焊前氩气流量不低于15L/min，充氩时长不低于15min，焊接时背部气保护氩气流量5L/min-15L/min，焊接...
【技术特征摘要】
1.一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装，其特征在于：所述工装由上往下依次包括顶层圆环(14)、中层圆环(7)、和底座(12)，且所述顶层圆环(14)、中层圆环(7)、和底座(12)通过多个立柱(6)连接形成主体框架，所述底座(12)上通过紧固螺栓(3)安装有一圈可滑动调节内径大小的底层扇形块(11)，且底座(12)上通过凸轮锁螺柱(4)转动安装有驱使底层扇形块(11)扩张的底层凸轮锁(10)，所述中层圆环(7)上通过紧固螺栓(3)安装有一圈可滑动调节内径大小的中层扇形块(8)，所述中层圆环(7)上通过凸轮锁螺柱(4)转动安装有驱使中层扇形块(8)扩张的中层凸轮锁(5)，所述顶层圆环(14)上通过紧固螺栓(3)安装有一圈可滑动调节内径大小的顶层扇形块(1)，所述顶层圆环(14)上通过凸轮锁螺柱(4)转动安装有驱使顶层扇形块(1)扩张的顶层凸轮锁(2)，所述顶层凸轮锁(2)、中层凸轮锁(5)和底层凸轮锁(10)上均设置有用于限制其自身转动的定位锁紧螺纹柱。
2.根据权利要求1所述的一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接工装，其特征在于：所述底座(12)的顶部还对称设置有一对吊环(13)，所述吊环(13)与底座(12)通过螺纹旋合连接；一圈所述中层扇形块(8)的底部均通过螺杆连接有零件保护垫片(9)，所述顶层扇形块(1)、中层扇形块(8)和底层扇形块(11)上均开设有与对应的紧固螺栓(3)相配合的条形导向滑槽。
3.一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：采用如权利要求1-2所述的工装，具体方法包括：s1：对薄壁空腔件模型进行增加支撑，增补毛坯余量，封闭空腔结构开设用于去支撑的窗口；
4.根据权利要求3所述的一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述s1中，为保证打印过程中上壁不塌陷，需在模型处理时对一整圈空腔结构开设16个均匀分布的条形窗口，并且便于去除支撑；所述s2中，原材料准备时，需核对并记录金属合金粉末的牌号、数量、规格、批号信息，核对无误后用料铲将足量的金属粉末加入设备料舱，所述空腔薄壁件直径大于1000mm。
5.根据权利要求3所述的一种大型3d打印封闭式空腔薄壁件防变形焊接方法，其特征在于：所述s3中，开启氩气，进气压力设置为0.5mpa,开启通风循环、水冷、扫描振镜、激光器，待氧含量达到1000ppm以下，设备自动开启打印过程；成形完成后，设备自动停止打印，待基板温度下降至40℃以下时可以进行取件操作；整个取出零件的过程中，防爆吸尘器开启，及时吸取成形舱中漂浮的粉尘；打印过程中需要将16个窗口对应的封板随炉一同打印；打印过程中应制备随炉的力学性能测试试棒和试板；所述s4中，进行热处理时，以在真空度p值小于10pa的条件下，以特定的升温速率从常温加热260℃-950℃，保温1-4h，结束后充入1000-1500mbar氩气进行快冷，炉温降至室温；在加热到250℃以上、保温过程中以及充入氩...
【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，魏翔宇，张继华，房立家，周莹超，王涛，高俊杰，刘欢，
申请(专利权)人：航发优材镇江增材制造有限公司，
类型：发明
国别省市：
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