基于薄片叠层连接的金属零件三维成型方法与流程

本发明涉及基于薄片叠层连接的金属零件三维成型方法。

背景技术：

随着信息科技与工业化水平的高速发展，金属3d打印技术进入百花齐放的繁荣期。按照不同的成形方法和特点，金属成形的技术主要有：选择性激光熔融技术(selectivelasermelting，slm)，选择性激光烧结技术(selectivelasersintering，sls)，分层实体制造(laminatedobjectmanufac-turing，lom)，三维打印技术(3dprinting，3dp)，其中分层实体制造技术(laminatedobjectmanu-facturing，lom)又称薄型材料选择性切割，是几种最成熟的快速成型制造技术之一。传统的分层实体制造技术是以厚度为0.05～0.1mm的纸质材料为原材料，通过线切割等加工工艺形成单层的二维图形，再利用热熔胶及添加剂等进行粘合成型，适用于结构简单的模具和零件的制造，制造周期较长，无法直接形成具有复杂内腔的金属零件。针对这个问题，近年来出现了利用细薄金属片先进行传统机加工切割成一系列二维图形后通过多种形式如压力热扩散焊、激光点焊的焊接方式进行叠片叠层连接，从而形成造型精度较高、形状更加复杂的金属零件。相较于其他金属快速成型工艺而言，lom具有使用材料范围广泛，成型尺寸选择范围大，无需设计构件支撑结构，前期加工与后期处理简便，原材料相对便宜，可短时间内制作模型，成型速度较快等优点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题，就是提出一种基于薄片叠层连接的金属零件三维成型方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于薄片叠层连接的金属零件三维成型方法，具体包括如下步骤：

s1、将0.1mm304不锈钢薄片进行激光切割，形成与计算机生成虚拟层轮廓一致的薄片实体层，将加工后的多层金属薄片进行砂纸打磨清除表面的杂质，同时保证表面平整，去除油污；接着，通过超声波清洗使表面光洁度到达实验要求标准；

s2、将薄片用定位销固定通过激光逐层焊接从而得到零件模型；

s3、将薄片用定位销及自制夹具固定之后置入高温热扩散炉中进行长时间的压力真空扩散焊接。

作为优选地，所述步骤s1中，由切片软件将设计好的三维模型按照0.1mm的厚度进行切片分层而获得二维的薄片轮廓信息，通过激光切割将二维轮廓切割完成，得到叠层模型。

作为优选地，所述步骤s2中，激光逐层焊接的操作步骤为：将金属薄片按顺序排列，用两个定位销定位，先通过激光点焊在四个侧面上进行非连续性焊接得到四条焊缝，使不锈钢薄片固定形成零件初步的模型，将零件四个激光点焊过的侧面用砂轮机进行打磨，磨去点焊焊缝造成的凹坑，使表层光滑并露有层叠状外貌；将初步零件模型用磁铁夹具固定位置于激光扫描焊接机上，设置激光扫描焊接机的工艺参数为频率25hz，光斑直径为0.2mm，脉冲宽度为0.2ms，沿层片表面进行连续性激光焊接，形成多条长条状焊缝覆盖四个侧面，使薄片逐层连接，形成完整零件。将所得零件表面进行打磨抛光，得到最终所需零件模型。

作为优选地，所述步骤s3中，真空扩散焊接的具体步骤为：将金属薄片按顺序排列，用两个定位销定位，通过定制夹具对整体金属薄片进行压紧固定，把固定好的零件置于真空度为1.0μpa的真空玻璃管中，将整体置入热扩散炉中，在1000℃的温度下保温10h，随后进行去应力退火，消除零件内应力；将进行过热扩散焊接的试样进行抛光打磨之后，用硝酸铁酒精溶液进行短时间腐蚀，观察零件的整体成型精度。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

(1)本发明通过研究激光扫描焊接工艺与真空热扩散焊接工艺对零件外型及成型精度的影响，探索了不同金属薄片叠层连接工艺制造复杂零件的可行性。

(2)通过激光加工切割金属薄片形成多层二维结构。在频率25hz，脉冲宽度0.2ms的条件下，进行激光扫描焊接形成零件；在热扩散温为1000℃，保温时间10h条件下，利用真空扩散焊接连接多层金属薄片形成零件。

(3)真空热扩散焊接连接金属零件的工艺更适应于内腔复杂，并且对零件内腔精度要求较高的零件或模具制造。

附图说明

图1为激光扫描焊接示意图；

图2为真空热扩散焊接示意图；

图3为真空扩散焊接过程中的原子扩散示意图。

具体实施方式

为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将结合附图，对本发明作进一步的说明。

1.1实验原理：

基于薄片叠层连接的金属零件三维成型方法的基本原理为：

基于薄片叠层连接的金属零件三维成型技术的基本工艺过程包括：(1)利用激光切割机对100μm304不锈钢片进行切割以获得所需的二维结构；(2)将薄片用定位销固定通过激光逐层焊接从而得到零件模型；(3)将薄片用定位销及自制夹具固定之后置入高温热扩散炉中进行长时间的真空扩散焊接；

由切片软件将设计好的三维模型按照0.1mm的厚度进行切片分层而获得二维的薄片轮廓信息，通过激光切割将二维轮廓切割完成，得到叠层模型。激光扫描焊接：将薄片叠层用夹具固定之后进行连续性焊接，从而实现不锈钢薄片的连接获得零件；真空扩散焊接：夹具固定实验所需的金属薄片，置入真空炉中进行扩散连接获得零件。

1.2实验材料

表1为304不锈钢材料化学组成成分。

表1：304不锈钢材料化学组成成分(质量百分数)

1.3试验过程：

首先，将0.1mm304不锈钢薄片进行激光切割，形成与计算机生成虚拟层轮廓一致的薄片实体层，将加工后的多层金属薄片进行砂纸打磨清除表面的杂质，同时保证表面平整，去除油污。接着，通过超声波清洗使表面光洁度到达实验要求标准。

激光扫描焊接：将金属薄片按顺序排列，用两个定位销定位，先通过激光点焊在四个侧面上进行非连续性焊接得到四条焊缝，使不锈钢薄片固定形成零件初步的模型，将零件四个激光点焊过的侧面用砂轮机进行打磨，磨去点焊焊缝造成的凹坑，使表层光滑并露有层叠状外貌。

将初步零件模型用磁铁夹具固定位置于激光扫描焊接机上，设置激光扫描焊接机的工艺参数为频率25hz，光斑直径为0.2mm，脉冲宽度为0.2ms，沿层片表面进行连续性激光焊接，形成多条长条状焊缝覆盖四个侧面，使薄片逐层连接，形成完整零件。将所得零件表面进行打磨抛光，得到最终所需零件模型，激光扫描焊接示意图如图1所示。

真空扩散焊接的具体步骤为：将金属薄片按顺序排列，用两个定位销定位，通过定制夹具对整体金属薄片进行压紧固定，把固定好的零件置于真空度为1.0μpa的真空玻璃管中，将整体置入热扩散炉中，在1000℃的温度下保温10h，随后进行去应力退火，消除零件内应力；将进行过热扩散焊接的试样进行抛光打磨之后，用硝酸铁酒精溶液进行短时间腐蚀，观察零件的整体成型精度，真空热扩散焊接示意图如图2所示。

1.4实验结果及分析：

激光切割对零件表面精度的影响：

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束扫描工件表面，在极短时间内将材料局部加热，使被照射的材料迅速气化、熔化、烧蚀或达到熔点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，实现将工件割开，达到切割目的。金属零件是由各层不锈钢薄片叠层连接而形成的，因此每一层金属薄片经过激光切割之后的切割质量和变形程度很大程度上决定了零件的表面精度和整体成型质量。与线切割等机加工工艺相比较，激光加工对0.1mm的不锈钢薄板进行切割成型时具有速度更快、质量更高的特点。不锈钢片经激光加工之后整体变形量小，基本上没有出现曲翘变形，切割表面未出现明显毛刺，光洁度良好，每一片层的切缝尺寸较小，切缝上未出现锯齿状，连续性良好。

金属薄片连接过程对零件成型精度的影响

激光焊接对零件表面及内腔的影响将激光切割成型的金属薄片打磨抛光按顺序叠层之后，先用销钉初步固定位置，激光点焊固定零件整体外型，接着通过连续的激光扫描焊接实现各片层之间的连接，形成最终零件模型，因此激光扫描焊接的焊接质量对金属薄片连接的情况以及零件整体的成型质量产生重大的影响。激光焊接是利用经聚焦的高能量密度激光束作为热源熔化同时连接工件的焊接方法。激光焊接根据光斑作用在零件上功率密度的不同可分为热导焊和热熔焊两种。由于焊接工件为0.1mm的不锈钢薄片，故选择激光热导焊进行逐层焊接，使零件整体变形量更小。同时设置焊接工艺参数为：焊接电流为168a，脉冲宽度为0.2ms，频率为25hz，焊接光斑直径0.2mm。

经过激光扫描焊接之后的零件表面焊点重合位置适当，焊缝连续平整，整体连接效果良好，外部片状现象基本消失，零件整体成型效果较好总体尺寸为29.98mm×29.95m×5.42mm。在激光焊接的过程中存在局部受热不均的现象，部分受热严重从而产生了局部塌陷形成点状凹坑，金属飞溅的情况，在连续焊接过程中，焊接表层中间处出现受热膨胀的现象，产生较大的变形其厚度为5.470mm(50层0.1mm金属薄片叠加)，存在微小孔隙。总的来说，不锈钢零件经激光焊接之后整体效果良好，结构可靠稳定。零件的内腔包括不同大小的通孔结构形成情况良好，相邻两薄板总厚度平均为207.4μm，经过拉伸实验之后，零件结构仍保持较高稳定性，层片间贴合紧密，无出现明显变形，但层片状现象明显，进行复杂内腔零件制造时，易出现明显阶梯状，适用于对内腔精度要求不高的零件制造。

真空热扩散焊接对零件表面及内腔的影响真空热扩散焊接是在高温，近真空的环境下，保温一定的时间，在工件表面施加一定压力使工件接触表面原子间充分地进行扩散，从而实现工件间的可靠连接的一种焊接工艺方法。多数金属和合金的真空扩散焊接工艺的温度一是该材料熔点的0.6～0.8倍，304不锈钢的熔点为1398℃～1454℃，考虑其原子扩散的充分性，故选择热扩散温度为1000℃，保温时间为10h，将扩散焊接后的零件模型后进行去应力退火处理，消除零件的内应力。真空扩散焊接过程中的原子扩散示意图如图3所示，经过真空扩散后的零件总尺寸精度更高，相邻薄片的层间贴合。由实验结果可知，真空热扩散焊接进行薄片叠层连接时，零件层叠连接紧密，零件整体基本没有发生变形，层片间原子扩散充分，缝隙消失，零件在厚度成型尺寸具有较高精度。

零件的内腔层片连接更加紧密，层片状现象消失，无明显变形，尺寸精度理想，经过拉伸实验之后，内腔稳定性良好，结构无发生明显变化；因此，利用真空热扩散焊接的零件制造工艺可用于内腔复杂，精度要求较高的零件制造。

1.5实验结论：

(1)本文通过研究激光扫描焊接工艺与真空热扩散焊接工艺对零件外型及成型精度的影响，探索了不同金属薄片叠层连接工艺制造复杂零件的可行性。

(2)通过激光加工切割金属薄片形成多层二维结构。在频率25hz，脉冲宽度0.2ms的条件下，进行激光扫描焊接形成零件；在热扩散温为1000℃，保温时间10h条件下，利用真空扩散焊接连接多层金属薄片形成零件。

(3)两种工艺制造的金属零件都具有良好的成型效果，层片间连接紧密；真空热扩散焊接后的零件在厚度精度方面显现出更大的优越性，内腔的片层状现象基本消失，具有更优异的内腔使用性能。因而，真空热扩散焊接连接金属零件的工艺更适应于内腔复杂，并且对零件内腔精度要求较高的零件或模具制造。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。