Internal Combustion Engine &Parts
0引言增材制造（俗称3D 打印）技术是第三次工业革命的重要标志[1]。增材制造技术快速的改变着传统生产与生活方式，市场接收度变得越来越高。作为战略性新兴产业，欧美等国外发达国家高度重视并积极研发、推广该技术。随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM 技术以及机械工程技术的发展，金属零件激光增材制造技术在激光熔覆和快速原型技术基础上应运而生，迅速成为3D 打印领域内最有发展前途的制造技术之一。 本文重点介绍了一种兼具增、减材功能的复合加工中心[2]，可进一步深化激光增减材制造技术在材料、工艺和装备等方面的基础性研究，对于支撑激光增减材制造技术的进一步快速发展和大规模应用具有重要作用。彻底改变了传统金属零件的设计与加工思想，尤其是高性能难加工、构型复杂等金属零件的设计和加工模式，成为当前材料制备学科和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一。 1总体布局与组成
本复合加工中心主要由五轴数控加工中心和激光增材成型设备两大部分构成，如图1所示。
图1整机主要部件布局示意图
机床部分由床身（俗称人造大理石）、滑鞍、滑枕、高性
能铣削主轴、工作台（可实现转动和摆动）、内藏旋转式大容量刀库、液压系统、润滑系统、电气系统、有效的切屑和冷却液管理装置、刀具及加工监测反馈系统等部件组成，数控系统采用Heidenhain 的iTNC 530，可实现高效的自动换刀和复杂曲面加工。
激光增材成型设备主要为激光熔覆快速成形光内同轴送粉喷头、激光发生器、冷水机组、送粉器、惰性气体，各
数据及图像采集设备和反馈系统，及各种限压阀、水、粉、
气管道、管道分支接头若干、扎带若干等部分组成。
2主要部件概述2.1机床概述
①采用Heidenhain 的iTNC 530系统控制，能够实现X 、Y 、Z 、A 、B 的五轴联动，具有高效的自动换刀系统，刀具及加工监测反馈系统。
②床身采用优质人造大理石，一体化成型构造，具有刚性好、吸震性能好，导热系数低等特点。内藏旋转式刀库，并配有刀具检测装置。
③工作台可实现整体的X 轴向运动，工作台面的A 、B 轴均为电机带动一整套蜗轮蜗杆副驱动，可实现a 轴n×
360°的任意角度旋转和-115°/+30°的任意角度摆动，具有结构紧凑、较小的占地面积。
图2工作台部分示意图
④主轴滑枕和滑鞍采用优质灰铸铁HT300铸造，可
实现前后（Y 轴）、上下（Z 轴）的运动，主轴为高性能进口电主轴，可实现速度到20000r/min 的高速切削。
⑤X 、Y 、Z 三个轴采用日本NSK 导轨（LA45）及丝杠，由电机经皮带降速带动滚珠丝杠驱动各轴直线运动。各轴均配有海德汉光栅尺，实现全闭环的位置监控。承载能力大，各向负载均衡性好，保证刚性和定位精度。
2.2激光熔覆增材概述2.2.1激光喷头交换系统
图3为激光喷头的交换系统示意图，可实现激光金属粉末喷头与切削刀具的自动切换。主要由一套气动系统（由气源、电磁阀、管路、气缸接头、感应开关等组成）和直线导轨及相关机械手臂组成。导轨为上银HGH25的导轨，
多功能高速高效五轴金属增减材复合智能装备研制
张宇①；吴天明②；唐鸿雁①；万齐访①；刘涛①；张玉冰①
（①上海新力机器厂，上海201100；②上海航天工业（集团）有限公司，上海200232）
摘要：金属增材技术以金属粉末等为原料通过CAD 模型预分层处理，采用高功率激光束熔覆堆积生长，完成高性能构件的“近终
成形”。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高、专门用于加工复杂曲面的机床，特别在解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、发动机曲轴、模具行业等方面具有独特优势。本论文研究了在五轴加工中心的基础上，实现二次开发，将增材与减材合二为一，在制造金属薄壁件等方面取得重大突破。
关键词：金属增材技术；五轴联动数控机床；二次开发；增材与减材
整个机械手连带喷头由位于两条导轨间的气缸驱动，气缸上附加有位置感应开关，通过一个三位五通电磁阀控制进气、排气方向，实现气缸杆的伸出、缩回动作，进而实现激光喷头与切削刀具的交换。
图3
激光喷头交换系统示意图
2.2.2激光熔覆快速成型
激光熔覆快速成型过程是一个涉及光、粉、气和水冷等的复杂过程，要获得高质量的零件就要求在成形过程中做到送粉准确、均匀、稳定和可控且光、粉耦合性好。图4为光内同轴激光熔覆的原理示意图，通过特殊的光学系统将传统的圆锥形聚焦激光束变换为锥形的中空聚焦激光束，送粉管居中放置，粉束外围是保护气体，环形保护气体外围是同轴的环形激光。
图4
同轴光内送粉技术示意图
2.2.3前期工作设备各线、管路的连接及前期准备工作：
①从激光发生器引出的光纤接入增材喷头的直角准直镜筒。
②惰性气体（氮气）接出的气管分两路，一路接入送粉器（内储存金属粉末）作为送粉载气、一路接入喷头作为保护气体。
③从送粉器接出一路送粉管路接入喷头。熔覆材料可选用75μm~106μm 的Fe 313合金粉，其成分（质量分数，%）如表1所示。
表1Fe 313铁基合金粉末成分表
成分
C
B
Si
Ni
Cr
Fe
含量（质量分数，%）0.2~0.60.7~1.5 2.5~3.5 2.0~3.017.0~20.0余量
④各水、气、粉管路均接有减压阀，方便控制各管路的压力及流量。
⑤熔覆基体选用304#不锈钢，尺寸为100mm ×100mm×10mm ，增材熔覆前首先粗砂纸打磨基体表面，再用丙酮以及酒精清洗基体表面，以清除表面的锈蚀及油污。
3连杆机械手概述
图5为集成激光喷头的机械手示意图，通过一套旋转
摆臂机械手（简称机械手，位于整机左侧、工作台上方），可实现激光金属粉末喷头与切削刀具的自动切换。当需要使用激光喷头增材时，机械手的气缸杆收缩，带动连杆臂旋
转摆动，将手臂端上的喷头装置运动到指定换头位置，主轴Z 轴向下运动，通过HSK-A63的锥柄连接，主轴拉刀抓取喷头；机械手油缸杆伸出，连杆臂旋转摆动回原始状态。当需要进行减材切削时，主轴带动喷头运动到指定位置，机械手油缸收缩，摆出连杆手臂至指定位置，主轴松刀，将喷头落至连杆手臂上，主轴抬起，机械手油缸杆伸出，连杆臂和其上喷头一并旋转摆动回原始状态，主轴从刀库再次换取切削刀具进行减材切削加工。
图5集成激光喷头的机械手示意图
4增减材加工控制
4.1喷头抓取换位基本运动控制与编程在增材熔覆基体清理好后，由提前编制好的机械手运动控制程序发出指令，换向阀打开，改变油液回路，油缸杆回缩，带动连杆机构旋转运动，将载有激光喷头的机械手运动到设定好的指定位置，主轴向下运动，通过激光头上的锥柄，抓取激光喷头并做向上的运动10mm 左右；此时程序下达指令，换向阀关闭，油液回路改变，油缸杆伸出，带动连杆机构旋转运动到起始位置。此时喷头抓取动作完成，主轴即可带动喷头按增材加工程序设定进行增材熔覆堆积成形。
4.2增材加工运动控制
目前没有将CAD 模型转化为增材加工路径的通用软件。短期可针对典型零件，采用直接编写零件堆积路径程序的方法，对所需堆积加工的零件进行分层熔覆堆积。堆积过程中采用机器视觉系统和红外彩像系统实时测量激光光头与加工熔池的距离和熔池温度变化等参数，把测量的参数值实时反馈给控制系统，控制模块根据所获取信息，经过实时处理输出反馈指令：
①实时调整喷头提升量ΔZ （即Z 轴）大小保证离焦量不变；
②改变工作台的旋转摆动姿态确保激光喷头与熔池间的距离恒定，保证离焦量不变；
③实时调整输出激光的功率大小，确保熔池温度处于稳定状态。
4.3减材加工运动控制
根据所需加工零件的特征，确定在增材加工运动全部
Internal Combustion Engine&Parts
0引言
随着现代化科学技术的快速发展，我国的焊接加工技术也在不断发展进步，现代化焊接加工技术具有 比较明显的技术优势，能够提高钢结构焊接的精细化水平。在钢结构加工中，焊接作为应用比较普遍的操作技术，在钢结构加工中应用焊接技术，能够加快操作速度，使钢结构加工更加便捷，节约大量的钢材。然而在钢结构焊接加工中，容易产生焊接残余应力，这也将对钢结构的形态产生不利影响。通常来看，在钢结构焊接中出现残余应力，主要是因为焊件的受热和冷却条件不均匀，所以导致钢结构出现热胀冷缩的反应，最终出现变形问题，这也将对钢结构的应用性能产生不利影响。所以在钢结构焊接加工中，必须严格控制残余应力，制定完善的解决策略。 1钢结构焊接残余应力的概述
1.1焊接残余应力的介绍
在焊接钢结构焊件时，其中产生的热应力、相变应力以及加工应力完全超过屈服极限，将会导致钢结构焊件在冷却之后产生没有及时消除的应力，这也就是焊接残余应力。在钢结构进行焊接的过程，其将会受到不均匀温度场的影响，造成局部塑性变形问题以及比容不同组织，所以产生了严重的焊接应力与变形问题。在钢结构焊接加工中出现残余应力，可能会造成焊接材料产生变形翘曲的问题，甚至在后期导致焊接部位开裂与应力腐蚀等等一系列问题，从而使钢结构焊接件的使用寿命大大降低，使钢结构焊接的可靠性降低。在测量钢结构焊接应力时，可以采用中子衍射、X射线衍射、小孔法、轮廓法、盲孔法等多种方法，进而了解钢结构焊接连接的稳定性和强度。
激光快速成型机
1.2钢结构焊接中残余应力产生的原因
目前，在工业化社会发展进程中，钢结构焊接加工技术在各行各业中得到广泛应用，在钢结构焊接加工中容易产生各种残余应力，这些残余应力出现的主要原因在于受热不均匀，所以会导致钢结构焊接中出现纵向或者横向残余应力。同时，在钢结构焊接加工中出现残余应力，也受到其它多方面因素的影响，主要表现为以下几个方面：
1.2.1钢结构材料性能以及力学性能不达标
在钢结构焊接加工中，由于钢结构材料接受的焊接加热温度不均匀，所以出现了横向或纵向梯度的残余应力，而出现焊接加热温度不均匀的现象主要受到这样几方面因素的影响，首先，不同的金属材料钢结构对于温度感应具有各种不一样的反应，所以会导致比热容出现变化，引发钢结构焊接部位结构产生变化。同时，在钢结构焊接加
或阶段性完成后，进行换刀、减材加工等工序。对于在全部增材完成后不方便加工的地方，需要在增材过程中当增材进行到一定高度后，调取换刀程序，将激光喷头送回机械手托架上，然后主轴再抓取指定的切削刀具进行切削加工，此过程中，落激光头到抓取切削刀具这段时间，待切削的熔覆堆积面即可同时实现一定程度的冷却，以消除后续切削加工的热变形问题。
5总结
①中空激光内送料熔化沉积使LMD技术的金属粉末利用率提高数倍，节材环保，熔层冶金质量、成形精度全面提升、表面粗糙度大大下降。
②先进的中空激光内送料LMD新技术及新喷头器件与成熟的数控减材加工技术实现完美结合，实现低成本、高效率、多功能、智能化、数字化，集约化，全新概念的冷-热加工、堆积成形-切削加工穿插交替进行，光、机、电、液协同，使单一增材加工或传统数控减材机床难以加工和精密成形的高复杂、高精密、多分枝、密排薄壁件、奇异零部件从毛坯制造到精密加工至终形在一台机床上以最合理的增-减材交替方法和顺序完成，催生出的将是全新一代制造理念和工作母机。
参考文献:
[1]刘业胜，韩品连，胡寿丰，柴象海，曹源.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2014（10）：62-67.
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[4]刘玉娟.航空发动机叶片制造技术研究[D].兰州理工大学，2009.
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钢结构焊接残余应力及变形控制分析
王彤
（重庆钢铁集团建设工程有限公司，重庆400080）
摘要：在钢结构行业中，焊接作为至关重要的应用技术，其应用的范围非常广泛，具有许多显著的优势，但是也具有一定的缺陷，钢结构焊接的残余应力和焊接中出现的变形问题。在钢结构焊接作业中，如果出现钢材结构的温度不均匀，就会导致钢材结构出现许多焊接残余应力，从而造成焊接的钢结构产生变形以及开裂问题，影响了钢结构焊接施工质量。本文主要针对钢结构焊接作业中残余应力产生的原因进行了深入分析，并对残余应力的影响展开了探讨，并提出了控制钢结构残余应力和变形的方法。
关键词：钢结构；焊接；残余应力；变形
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