制造回转件的方法及用该方法制造的回转件的制作方法

制造回转件的方法及用该方法制造的回转件的制作方法
【专利摘要】一种制造回转件的方法及用该方法制造的回转件，该制造回转件的方法包括：提供包括焊枪的冷金属过渡焊接装置；提供回转基体；提供具有至少一个内部流体通道的回转件的数字表示；基于该数字表示在所述回转基体上确定焊接路径；在转动所述回转基体时沿回转基体上的焊接路径用所述焊枪逐层堆积填充金属，以形成所述回转件；以及将所述回转基体从所述回转件上分开。
【专利说明】制造回转件的方法及用该方法制造的回转件
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及一种制造回转件的方法，具体地，涉及用冷金属过渡焊接堆积技术制造回转件，如叶轮，的方法以及用该方法制造的回转件。
【背景技术】
[0002]具有内部通道的回转件，比如，具有内部流体通道的叶轮等，不容易通过铸造、锻造等传统的加工方法。叶轮被广泛应用于泵、压缩机、燃气涡轮发动机等设备的管道内部，用来增加或减少压力和流速。比如，叶轮可应用于离心泵中，用来将来自发动机的能量转移到泵中的流体上，使得流体加速地从中心旋转向外流动。当流体的流动受到泵的外壳限制之后，叶轮所产生的流速转化成压力。一般地，叶轮包括一个用来收容传动轴的孔，传动轴通过发动机或其它驱动装置旋转，还包括叶片，叶片之间形成有空腔，用来径向地推动流体。由于其结构复杂，很难用传统的加工结束进行加工。
[0003]已知的一种制造叶轮的方法是将叶轮分成几个部件，分别进行加工，然后再通过焊接或其它类似的技术将分别加工的部件组合在一起。但相比一体加工成型的方法而言，这样通过分别加工不同部件再组合而成的叶轮的机械性能相对较弱。
[0004]目前，有一种加工叶轮的工艺包括预统削、电火花(electrical dischargemachining，EDM)粗加工和电火花精加工(EDM finishing)，但该工艺的加工周期通常大于5周，此外，该工艺还需在铣削加工中心和电火花加工方面进行高额的工厂设备投资。因此，鉴于加工周期长和投资成本高，该工艺不够高效也不够经济。
[0005]因此，有必要提供一种新方法，以高效经济的方式加工叶轮等回转件。

【发明内容】

[0006]本发明涉及一种制造回转件的方法，该方法包括:提供包括焊枪的冷金属过渡焊接装置；提供回转基体；供具有至少一个内部流体通道的回转件的数字表示；基于所述数字表示在回转件上确定焊接路径；在转动所述回转基体时沿回转基体上的焊接路径用所述焊枪逐层堆积填充金属，以形成所述回转件；以及将所述回转基体从所述回转件上分开。
[0007]本发明还涉及一种制造回转件的方法，该方法包括:提供包括焊枪的冷金属过渡焊接装置；提供回转基体；在转动或移动所述回转基体和(或)移动焊枪的同时用焊枪往所述回转基体上堆积填充金属以形成所需回转件；以及将所述回转基体从所述回转件上分开。
[0008]本发明还涉及一种包括至少一个内部流体通道的回转件，该回转件是通过冷金属过渡焊接技术逐层堆积填充金属而获得的。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:[0010]图1为显示了一种典型的冷金属过渡焊接工艺中的焊丝运动模式的示意图；
[0011]图2显示了一种用来生产回转件的示例性冷金属过渡焊接系统；
[0012]图3为一种冷金属过渡焊接装置中的焊枪的示意图；
[0013]图4显示了一种冷金属过渡焊接堆积制造一体式叶轮的示例性方案流程；
[0014]图5a是一种示例性的目标叶轮的立体图；
[0015]图5b中的照片显示了基于图5a所示叶轮的数字表示用冷金属过渡焊接堆积成型技术制造叶轮的过程中的处于加工状态的工件；
[0016]图5c中的照片显示了基于图5a所示叶轮的数字表示用冷金属过渡焊接堆积成型技术制造而成的叶轮产品。
【具体实施方式】
[0017]以下将对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。
[0018]本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十(10%)的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。
[0019]本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从I到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于I的数值，0.0001,0.001，0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。
[0020]除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。
[0021]本发明的实施例涉及一种用冷金属过渡焊接堆积技术制造具有至少一个内部流体通道的回转件的方法、以及用该方法获得的回转件。由于所述方法特别适合用来制造叶轮，本说明书主要针对叶轮的制造进行描述，但本发明实施例涉及的方法也可用来制造其他回转件。
[0022]冷金属过渡焊接技术(cold metal transfer welding),通常被简称为CMT,是一种改进的短路过渡气体保护电弧焊接(short-circuiting gas metal arc welding)工艺，其特征在于电弧状态和短路状态的循环交替。在冷金属过渡焊接过程中，送丝系统与数字控制系统同步，可对应所述循环交替的过程改变焊丝的运动方向。在燃弧状态时，焊丝朝工件/基体的方向移动，直至接触工件/基体，焊接电流和(或)电压的控制使得所述焊丝在高电流下迅速熔化形成金属液滴。一旦形成短路，所述数字控制系统感应到电压的下降，将电流降低到很低的水平，同时使得焊丝的运动反向，朝远离工件/基体的方向移动，直至所述短路状态断开。
[0023]因此，冷金属过渡焊接技术将焊接电流控制与焊丝运动相结合，以一定的频率和模式从熔池中抽回焊丝。如图1所示，一种典型的冷金属过渡焊接工艺可包括以下步骤:(I)将焊丝朝工件/基体上的熔池移动；(2)在将焊丝伸入熔池，同时降低电流；(3)抽回焊丝；(4)重复步骤(I)至(3)。
[0024]由于只有在电弧放电的极短时间内对工件/基体有热量输入，这样一种系统性地中断电弧的循环交替过程可大大地降低对工件/基体的热输入。与传统的短路过渡气体保护电弧焊接工艺相比，在冷金属过渡焊接过程中的工件/基体和熔池保持在一个相对较“冷”的状态。由于降低了热输入，使得通过冷金属过渡焊接技术堆积成型大体积工件成为可能。此外，热输入的降低也带来了其它优势，如变形量少，加工精度高等，这些都有利于用冷金属过渡焊接技术堆积成型工件。
[0025]在以冷金属过渡焊接逐层堆积成型工艺来制造回转件的方法中，可提供一个回转基体和一个包括焊枪的冷金属过渡焊机，用来沿基体上预定的焊接路径逐层堆积填充金属(焊丝)，以形成所需的回转件。
[0026]在本文中，所述填充金属可以是各种具有熔点且能在冷金属过渡焊接堆积成型过程中被熔化的金属或合金。可适用的金属或合金的非限制性的例子包括碳钢、合金钢、镍合金、钛合金以及它们的组合。所述回转基体可具有一个外周面，用来让熔化的填充金属沉积其上形成所需回转件，且在沉积过程中所述回转基体可绕一个中心轴线旋转。在一些实施例中，所述回转基体可能设有一个用来在冷金属过渡焊接堆积成型过程中让冷却液从其中通过的孔，这样可将基体及其上的堆积物控制在一个相对较低的温度。在一个具体的实施例中，所述回转件是一个空心圆筒，其具有一个沿轴向延伸的中心孔，该中心孔可用作冷却通道，用来输送冷却液，如水等。
[0027]在一些实施例中，如图2所示，一种示例性的用来以冷金属过渡焊接堆积成型工艺制造回转件的系统200包括焊枪202、用来驱动焊枪使其沿预定的焊接路径移动的焊接机器人204、用来为焊枪202提供电力的焊接电源208、用来向焊枪202输送焊丝的送丝机209、用来装持并移动基体及其上的堆焊物的两轴转台210、以及用来控制所述焊接机器人204和两轴转台210的机器人控制器206。在一些实施例中，如图3所示，一种示例性的焊枪300包括用来收容焊丝304的导电嘴302，焊丝在该导电嘴中的装填方式为焊丝从导电嘴的前端伸出一定长度。该焊枪300还包括围绕所述导电嘴302设置的喷嘴保护罩306，其提供了一个环绕所述导电嘴302的环形通道308，用来让保护气体从其中通过。
[0028]在实施冷金属过渡焊接堆积之前，可提供所需加工的回转件的数字表示，并基于该数字表示预先确定焊接路径。在一些实施例中，所述焊接路径可通过一个包括以下步骤地过程进行确定:(1)使冷金属过渡焊接堆积工艺的参数与堆积产物的性能相关联；(2)设计和确定冷金属过渡焊接堆积工艺的优化操作窗口(范围)；(3)使冷金属过渡焊接堆积工艺数据模组化；以及(4)设计产生焊接路径和补偿变形的算法。
[0029]沿着预定的焊接路径逐层将填充金属沉积到回转基体，同时不断地或间断地旋转所述回转基体，可以获得接近最终形状的回转件。[0030]一种示例性的一体式叶轮的沉积方案如图4所示，该用冷金属过渡焊接堆积技术制造叶轮的工艺包括:(I)提供一个回转基体，其可绕一个中心轴线旋转，且其有一个外周面，用来让熔化的焊丝沉积其上；(2)在间断地旋转所述回转基体的同时按照预定的焊接路径往所述回转基体的外周面上堆积第一层焊丝材料；以及(3)不断地往前一层上沉积新的焊丝材料层，直至获得接近最终形状的叶轮。
[0031]在一些实施例中，每一层可包括至少一个沿所述回转基体的周向或平行于该周向延伸的环状圆形或近似环状圆形的结构，类似图4中所示的结构402,还包括至少一个与所述环状圆形或近似环状圆形的结构相交的叶片结构，类似于图4中所示的结构404。因此，堆积每一层的步骤可包括:至少一步来在旋转所述基体的同时堆积所述环状圆形或近似环状圆形的结构、以及至少一步来在旋转或不旋转所述基体的同时沿一个与所述环状圆形或近似环状圆形的结构相交的方向(即与基体的周向相交的方向)相对所述基体移动焊枪堆积所述叶片结构。
[0032]在图示的实施例中，所述待加工的叶轮包括两个圆盘状端部和位于所述端部之间的复数个叶片，在叶片之间开设有复数个流体通道。所述沉积每一层的步骤包括:(i)在转动基体的同时沉积一个环状圆形或近似环状圆形的结构；(ii)沿所述基体的轴向或平行于该轴向的方向移动焊枪和(或)基体；(iii)在转动基体的同时沉积另一个环状圆形或近似环状圆形的结构；(iv)保持基体不转动的同时沿轴向或平行于该轴向的方向移动焊枪扫过所述基体沉积叶片结构；(V)转动所述基体；以及(Vi)重复步骤(iv)和(V)直至完成该层的所有叶片结构的沉积。
[0033]在所述步骤(V)中，所述基体可转过一定角度以沉积邻近前一个叶片结构的叶片结构。在另一些具体实施例中，在所述步骤(V )中，所述基体可转过一个相对较大的角度以沉积与前一个叶片结构相对或大致相对的位置的叶片结构，这样可减少所述加工状态中的工件可能发生的变形。通过优化回转件，尤其是对称的回转件上的不同叶片结构的沉积顺序，可大大地减少加工中的工件上可能发生的变形。
[0034]在所述沉积过程中，可连续地往焊枪中输送焊丝。在一些实施例中，焊丝的输送速度在3米/分钟至10米/分钟,或更进一步地,在4.5米/分钟至10米/分钟之间。
[0035]当获得接近最终形状的工件后，可从所述工件上将所述回转基体上分开，再进一步进行处理，这样在原来回转基体所在的位置处形成一个空腔，该空腔可用来收容可旋转的传动轴。在一些实施例中，可对所述以冷金属过渡焊接堆积技术获得的工件进一步进行电火花精加工。
[0036]本发明实施例的方法相比传统的加工方法具有优势。冷金属过渡焊接堆积成型技术可获得接近最终形状的具有内部流体通道的回转件结构，可大大地减少粗加工的时间，从而提高生产效率。另外，由于冷金属过渡焊接堆积成型技术可将工件加工至接近最终形状的状态，可减少用料量，减少材料浪费，节省总的加工时间。只使用完成工件所需的原材料进行加工不仅可以节省原材料，还可以大大的减少材料去除或修整的步骤。比如，与包括预铣削、电火花粗加工和电火花精加工的叶轮加工工艺相比，通过冷金属过渡焊接堆积成型技术获得接近最终形状的叶轮可将生产效率提高两倍，并减少15%的材料用量。此外，与传统的加工方法相比，冷金属过渡焊接堆积技术可以用更低的成本更加快速灵活地改变或更新叶轮的设计。[0037]实例
[0038]为了证实以冷金属过渡焊接堆积技术成型回转件的可行性，进行了一个试验来制造如图5a所示的叶轮。在试验中，采用了 304不锈钢基体和一个包括机器人(MotomanUP50N)、两轴转台(YASKAWA Motopos)和焊机(Fronius TPS4000CMT (最高 400A))的冷金属过渡焊接系统。焊枪的导电嘴的前端离基体的距离在14毫米到15毫米之间。以混有5%体积百分比的二氧化碳的氩气作为保护气体。使用低合金钢ER90S-B3制成的直径约为1.2毫米的焊丝，其中ER90S-B3的组成如下表所示:
[0039]
ER90S-B3 组成 C Si Mn P S Ci_Mo
(重量百分比％) ()丨0 0.45 0 60 001 001 2.55 1.05
[0040]具体的试验条件和丄艺参数如下:
[0041]焊接电流:130A
[0042]焊接电压:14.5V
[0043]送丝速度:4.5米/分钟
[0044]焊接速度:0.3米/分钟
[0045]焊枪摆动:5Hz，3毫米摆宽
[0046]保护气体流速:18升/分钟
[0047]层厚度:2毫米
[0048]如图5b所示，通过将回转基体装在两轴转台，转动所述回转基体的同时用焊枪沿焊接路线逐层将焊丝材料堆积到所述回转基体上。在所述过程中，可定期中断焊接以散热。在一天之内获得了一个如图5c所示的接近最终形状的无裂纹无气孔的叶轮结构。
[0049]本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种制造回转件的方法，该方法包括: 提供包括焊枪的冷金属过渡焊接装置； 提供回转基体； 提供具有至少一个内部流体通道的回转件的数字表示； 基于所述数字表示在所述回转基体上确定焊接路径； 在转动所述回转基体时沿回转基体上的焊接路径用所述焊枪逐层堆积填充金属，以形成所述回转件；以及 将所述回转基体从所述回转件上分开。
2.如权利要求1所述的方法，其中堆积每一层的步骤包括: 在转动所述回转基体的同时在回转基体上堆积环状圆形或近似环状圆形的结构；以及在保持所述回转基体不转动的情况下，沿一个与所述环状圆形或近似环状圆形的结构相交的方向相对所述回转基体移动焊枪堆积叶片结构。
3.如权利要求1所述的方法，其中堆积每一层的步骤包括: (i)在转动回转基体的同时堆积环状圆形或近似环状圆形的结构； (?)沿回转基体的轴向或平行于该轴向的方向移动焊枪和(或)回转基体； (iii)在转动回转基体的同时堆积另一环状圆形或近似环状圆形的结构； (iv)保持回转基体不转动的同时沿轴向或平行于该轴向的方向移动焊枪扫过所述基体以堆积叶片结构； (V)转动所述基体；以及 (vi)重复步骤(iv)和(V)直至完成该层的所有叶片结构的堆积。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在步骤(V)中，所述基体转过一定角度以堆积邻近前一个叶片结构的叶片结构。
5.如权利要求3所述的方法，其中，在步骤(V)中，所述基体转过一定角度以堆积与前一个叶片结构相对或大致相对的位置的叶片结构。
6.如权利要求3所述的方法，其中堆积每一层的步骤包括: 在转动所述回转基体的同时在回转基体上堆积环状圆形或近似环状圆形的结构；以及在转动所述回转基体的同时沿一个与所述环状圆形或近似环状圆形的结构相交的方向相对所述回转基体移动焊枪堆积叶片结构。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括对所述回转件进行电火花精加工。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括往所述回转基体内的孔中输入冷却液，以冷却所述回转件及其上的堆积物。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述填充金属选自碳钢、合金钢、镍合金、钛合金以及它们的组合。
10.如权利要求1所述的方法，其中在所述堆积过程中以在3米/分钟至10米/分钟范围内的送丝速度输送所述填充金属。
11.一种制造回转件的方法，该方法包括: 提供包括焊枪的冷金属过渡焊接装置； 提供回转基体； 在转动或移动所述回转基体和(或)移动焊枪的同时用焊枪往所述回转基体上堆积填充金属以形成所需回转件；以及 将所述回转基体从所述回转件上分开。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括对所述回转件进行电火花精加工。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括往所述回转基体内的孔中输入冷却液，以冷却所述回转件及其上的堆积物。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述填充金属选自碳钢、合金钢、镍合金、钛合金以及它们的组合。
15.如权利要求11所述的方法，其中在所述堆积过程中以在3米/分钟至10米/分钟范围内的送丝速度输送所述填充金属。
16.一种包括至少一个内部流体通道的回转件，该回转件是通过冷金属过渡焊接技术逐层堆积填充金属而获得的。
17.如权利要求16所述的回转件，进一步包括两个端部和位于端部之间的复数个叶片，其中所述至少一个内部流体通道开设在所述叶片之间。
18.如权利要求16所述的回转件，进一步包括用来收容一个可旋转的传动轴的空腔。
19.如权利要求16所述的回转件，其中所述填充金属选自碳钢、合金钢、镍合金、钛合金以及它们的组合。
【文档编号】B23K9/04GK103801799SQ201210452167
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2012年11月12日
【发明者】谭文, 袁人炜, 李延民, 刘勇, 蔡国双, 彭志学, 沈鸿源, 杨雷 申请人:通用电气公司