本发明属于3d打印配套技术领域，尤其涉及一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法及装置。
背景技术：
选区激光熔化技术是当前应用最广的增材制造技术，也是实现点阵结构、仿生结构等轻量化结构制造的有效方法。但受限于增材制造设备真空舱体尺寸限制，选区激光熔化增材技术无法制造大尺寸构件，限制了该技术在大型轻质结构领域的应用。目前的解决方法有两个，即开发大尺寸增材制造设备或采用多块增材制造构件拼接的方法。其中，大尺寸增材制造设备昂贵，如选区激光熔化大尺寸典型设备conceptlaser2000r售价高达2000万元且增材制造的质量控制难度大，尤其是增材过程中的形变控制难度极大，技术风险高，给零件制造带来极大的困难以及风险，提高了零件制作成本。而增材制造和增材后拼接的复合制造技术，可行性高，成本低，兼顾了增材制造轻质结构等优异特点和连接技术的便捷性。同时，连接技术也可用于3d打印轻量化结构的排粉口连接、减重板连接。排粉口是为了完成内部粉末的排除，设计的工艺孔，成形后需要连接。如图1所示，减重板式为了减少支撑、排粉设计的上表面开口，需成形后连接。因此，连接技术是3d打印大尺寸轻量化结构的重要辅助技术。
采用传统的焊接技术虽然可以实现增材制造金属结构的连接，但会导致空心轻质结构连接时出现塌陷等影响整体结构，且造成增材制造构件与焊缝之间的明显组织性能差异。传统的焊接技术主要问题如下：
钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊：不适用于复杂结构；
弧焊：精度差，小于2mm，3d打印的精度是0.1mm；
电子束焊：空间受限，复杂结构的柔性差，有塌陷；
激光焊：有塌陷，同时组织一致性差。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法及装置。
实现本发明目的的技术方案为：一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法，该方法基于连接装置实现，所述装置包括送粉装置、送粉喷嘴、激光器、振镜和基台；工件设置在基台上，在工件连接部位，采用选区激光熔化方法打印；选区激光熔化方法为：送粉装置通过送粉喷嘴将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台的工件上，激光器通过振镜发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，最终将两工件完全连接在一起。
一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接装置，包括送粉装置、送粉喷嘴、激光器、振镜、基台；工件设置在基台上，送粉装置与送粉喷嘴连接，激光器与振镜连接；送粉装置通过送粉喷嘴将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台的工件上，激光器通过振镜发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，将两工件完全连接在一起。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明有利于大尺寸选区激光熔化结构件的推广和使用，并且在使用激光熔化沉积进行封闭内腔连接时，可以有效减少或防止激光熔化沉积粉末进入封闭内腔，连接的同时保证封闭内腔中没有粉末进入。
附图说明
图1为激光熔化沉积装置示意图。
图2(a)～图2(d)为不同的坡口设计形式图。
具体实施方式
激光熔化沉积技术作为熔覆和修复的主要手段之一，也可以在增材制造构件时，预留拼焊区域，采用惰性气体保护的激光熔化沉积技术将多个增材制造构件拼接在一起，拼接区域与母体组织性能高度一致，且可以通过拼接接头的优化设计，增强连接强度，确保整个构件制造的整体一致性。针对增材制造过程可以实现复杂结构制造的特征，可实现辅助结构的设计，一可实现自支撑，二可实现锁粉功能，三可隔绝点阵结构。
本发明针对封闭内腔结构，通过设计一定的坡口形式，采用激光熔化沉积技术，利用激光发生器发生激光束，通过激光束对送粉口送出的粉末进行加热熔化，最终将两块需要连接在一起的封闭内腔连接在一起，且内部不会受到残余粉末的影响。
下面具体说明本发明的连接方法及装置。
一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法，该方法基于连接装置实现，如图1所示，所述装置包括送粉装置1、送粉喷嘴2、激光器3、振镜4和基台5；工件6设置在基台5上，在工件6连接部位，采用选区激光熔化方法打印；选区激光熔化方法为：送粉装置1通过送粉喷嘴2将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台5的工件6上，激光器3通过振镜4发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，最终将两工件完全连接在一起。
对于锁粉结构，选择y型坡口，其他结构选择y型、l型以及交替型的加工坡口形式之一。采用机械加工坡口，加工完采用打磨机打磨，并用酒精或丙酮擦拭坡口油渍及多余物。
其中锁粉结构是指针对选区激光熔化方式内部空腔的一种结构，用于后续排粉使用。
根据坡口尺寸大小每部分在连接处设置加工余量0.5-1mm。
本发明还提供一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接装置，包括送粉装置1、送粉喷嘴2、激光器3、振镜4、基台5；工件6设置在基台5上，送粉装置1与送粉喷嘴2连接，激光器3与振镜4连接；送粉装置1通过送粉喷嘴2将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台5的工件6上，激光器3通过振镜4发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，将两工件完全连接在一起。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
为了实现封闭内腔的激光熔化沉积连接，且防止激光熔化沉积用粉末进入封闭内腔中，设计几种坡口形式，可在激光熔化沉积过程中不仅实现有效连接，还可以避免粉末进入封闭内腔从而带来的影响，从而提高结构的稳定性。主要的要求如下：
适用范围：铝合金、不锈钢、钛合金、高温合金等金属结构；
适用结构：大尺寸结构，需后处理连接的结构；
激光器种类：光斑直径和焊接不同；
功率：1000w-4000w；
光斑直径：200μm；
材料添加方式：送粉；
粉末粒径：15-100μm；
接头形式：对接接头结构；
余量要求：3mm以上。
1.选区激光熔化打印
首先针对大型选区激光熔化打印件不能一次成型的，将其切割成两份或多份零件，尽量选取具有实体连接的部位，为后续开坡口预留尺寸空间。
2.接头结构设计
本发明共提出四种坡口形式进行结构连接，分别是y型坡口、l型坡口、y型坡口以及交替型坡口。针对锁粉结构选择y型坡口，其他实体结构y型坡口、l型坡口以及交替型坡口均可。在坡口加工前针对尺寸结构需预留0.5-1.0mm的预留加工余量。在进行选区激光熔化沉积连接之前，采用本发明设计的几种坡口形式预先对需要连接的位置进行加工，通过加工到指定的坡口形式。
本发明提出在工件上的待连接部位加工并装配成的一定几何形状的坡口进行结构连接，四种坡口基于坡口形状命名。类似“y”字母，在板材底部留有i字形区域的为y型坡口；类似“l”字母，在板材底部留有类似回形打底的为l型坡口；类似“y”字母，在板材底部是具有一定倾斜角度板材打底的为y型坡口；在板材底部区域各凸出一部分用于交替连接的为交替型坡口。
其中，y型坡口是指连接处两端，一端为单斜坡的坡口面，另一端分为上部分斜坡，下部分内收拐角，两端拼接后形成“y”型，如图2(c)。对于内部空腔结构，y型坡口可防止粉末进入空腔内部。
y型坡口是指两端均包括坡口面和竖直的钝边，是本领域常见的一种坡口，如图2(a)。
l型坡口是指板材一端底部为凸台结构，另一端对应位置为内凹结构，两端拼接线为l型，如图2(b)。
交替型坡口如图2(d)，一端底部区域包括坡口面和坡口面下方伸出凸台，另一端底部区域包括坡口面和坡口面下方内凹的缺口结构，两端拼接后凸台伸入缺口结构中。
3.选区激光熔化沉积
采用激光熔化沉积技术，使用送粉嘴先行送粉，激光发生器随后发出激光，激光熔化粉末和母材，随着激光头和送粉器移动，逐渐将将两零件连接在一起。
本发明在选区激光熔化成型后针对之前预留的坡口加工处，选择合适的加工坡口形式采用机械加工的方式将坡口加工成型，成型后在激光熔化沉积技术连接前，采用打磨机将表面氧化膜或其他参与杂质清理干净，采用酒精或丙酮对坡口处进行擦拭。
利用激光熔化沉积技术，送粉装置1通过送粉喷嘴2将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台5的工件6上，激光器3通过振镜4发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，最终将两工件完全连接在一起。主要通过改变工件的坡口形式控制送粉喷嘴2送出的粉末防止其漏到基台5上，在连接类似圆形筒体或封闭球腔时避免粉末进入筒体或者腔体内部。
1.一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法，其特征在于，该方法基于连接装置实现，所述装置包括送粉装置(1)、送粉喷嘴(2)、激光器(3)、振镜(4)和基台(5)；工件(6)设置在基台(5)上，在工件(6)连接部位，采用选区激光熔化方法打印；选区激光熔化方法为：送粉装置(1)通过送粉喷嘴(2)将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台(5)的工件(6)上，激光器(3)通过振镜(4)发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，最终将两工件完全连接在一起。
2.根据权利要求1所述的用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法，其特征在于，对于锁粉结构，选择y型坡口，其他结构选择y型、l型以及交替型的加工坡口形式之一。
3.根据权利要求2所述的用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法，其特征在于，采用机械加工坡口，加工完采用打磨机打磨，并用酒精或丙酮擦拭坡口。
4.根据权利要求1或2所述的用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接方法，其特征在于，根据坡口尺寸大小每部分在连接处设置加工余量0.5-1mm。
5.一种用于大尺寸轻量化3d打印金属结构的连接装置，其特征在于，包括送粉装置(1)、送粉喷嘴(2)、激光器(3)、振镜(4)、基台(5)；工件(6)设置在基台(5)上，送粉装置(1)与送粉喷嘴(2)连接，激光器(3)与振镜(4)连接；送粉装置(1)通过送粉喷嘴(2)将激光熔化沉积用粉末预先铺在基台(5)的工件(6)上，激光器(3)通过振镜(4)发出激光束打在粉末上，将粉末和工件连接处熔化，等待凝固后工件连在一起，随着送粉喷嘴和激光束的不断移动，将两工件完全连接在一起。
技术总结