用于由冷金属过渡焊接淀积制造旋转物品的方法及制造的旋转物品.pdf

一种用于制造旋转物品的方法包括：提供包括焊炬的冷金属过渡焊接设备；提供旋转衬底；提供具有至少一个内部流道的旋转物品的数字表示；基于数字表示在旋转衬底上限定焊接路径；在使填充金属一层一层地淀积在旋转衬底的焊接路径上的同时使旋转衬底旋转，以形成旋转物品；以及使旋转衬底与旋转物品分开。

1.   一种用于制造旋转物品的方法，包括：
提供包括焊炬的冷金属过渡焊接设备；
提供旋转衬底；
提供具有至少一个内部流道的所述旋转物品的数字表示；
基于所述数字表示在所述旋转衬底上限定焊接路径；
在使填充金属一层一层地淀积在所述旋转衬底的所述焊接路径上的同时使所述旋转衬底旋转，以形成所述旋转物品；以及
使所述旋转衬底与所述旋转物品分开。

2.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，淀积各个层包括：
在使所述旋转衬底旋转的同时使圆形或近圆形结构淀积在所述旋转衬底上；以及
在使所述旋转衬底保持不旋转的同时，通过使所述焊炬相对于所述衬底沿着与所述圆形或近圆形结构相交的方向移动来淀积叶片结构。

3.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，淀积各个层包括：
(i)在使所述衬底旋转的同时淀积圆形或近圆形结构；
(ii)使所述焊炬和/或所述衬底沿着或平行于所述衬底的轴向方向移动；
(iii)在使所述衬底旋转的同时淀积另一个圆形或近圆形结构；
(iv)在使所述旋转衬底保持不旋转的同时，通过使所述焊炬沿着或平行于所述衬底的轴向方向移动以横跨所述衬底追踪所述焊接线材，来淀积叶片结构；
(v)使所述衬底旋转；以及
(vi)重复步骤(iv)和(v)，直到所有所述叶片结构的所述层都淀积为止。

4.   根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(v)中，所述衬底旋转一角度，以便将下一个叶片结构淀积成邻近前面的叶片结构。

5.   根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(v)中，所述衬底旋转一角度，以便将叶片结构淀积成与前面的叶片结构相对或几乎相对。

6.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，淀积各个层包括：
在使所述旋转衬底旋转的同时，使圆形或近圆形结构淀积在所述旋转衬底上；以及
在使所述旋转衬底旋转的同时，通过使所述焊炬相对于所述衬底沿着与所述圆形或近圆形结构相交的方向移动来淀积叶片结构。

7.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括由电火花加工对所述旋转物品抛光。

8.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过使冷却流体穿过所述旋转衬底中的孔来冷却所述旋转衬底和其上的淀积物。

9.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充金属选自下者组成的组：碳钢、合金钢、镍合金、钛合金和它们的组合。

10.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述淀积期间，所述填充金属以范围为大约3米/分钟至大约10米/分钟的速率馈送。

11.   一种用于制造旋转物品的方法，包括：
提供包括焊炬的冷金属过渡焊接设备；
提供旋转衬底；
在旋转或移动所述旋转衬底和/或移动所述焊炬的同时，通过使用所述焊炬来将填充金属淀积在所述旋转衬底上，来产生所述旋转物品；以及
使所述旋转衬底与所述旋转物品分开。

12.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括由电火花加工对所述旋转物品抛光。

13.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过使冷却流体穿过所述旋转衬底中的孔来冷却所述旋转衬底和其上的淀积物。

14.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述填充金属选自下者组成的组：碳钢、合金钢、镍合金、钛合金和它们的组合。

15.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述淀积期间，所述填充金属以范围为大约3米/分钟至大约10米/分钟的速率馈送。

16.   一种具有至少一个内部流道的旋转物品，其中，通过经由冷金属过渡焊接一层一层地淀积填充金属来制造所述旋转物品。

17.   根据权利要求16所述的旋转物品，其特征在于，所述旋转物品进一步包括两个端板和在所述两个端板之间的多个叶片，其中，所述至少一个内部流道限定在相邻叶片之间。

18.   根据权利要求16所述的旋转物品，其特征在于，所述旋转物品进一步包括用于接收可旋转驱动轴的膛孔。

19.   根据权利要求16所述的旋转物品，其特征在于，所述填充金属选自下者组成的组：碳钢、合金钢、镍合金、钛合金和它们的组合。

用于由冷金属过渡焊接淀积制造旋转物品的方法及制造的旋转物品
技术领域
本发明大体涉及用于制造旋转物品的方法，并且更特别地，涉及用于由冷金属过渡焊接淀积制造旋转物品(诸如推进器)的方法，以及制造的旋转物品。
背景技术
由诸如铸造或锻造的传统制造技术制造具有内部通道的旋转物品(诸如具有多个内部流道的推进器)是不容易的。推进器在诸如泵、压缩机和燃气涡轮发动机的装备的管子或导管内部广泛地用来提高或降低压力和流体流。例如，推进器可在离心泵中用来传输来自马达的能量，该能量通过使流体从旋转中心向外加速来将泵驱动成泵送流体。当流体的向外移动被泵外壳限制时，由推进器实现的速度转变成压力。典型的推进器包括用以接收由马达或其它驱动机构旋转的驱动轴的膛孔以及导叶，该导叶具有在其内部中形成的中空空间，以沿径向推动流体，并且由于推进器的复杂结构，故难以由传统制造技术制造推进器。
用于制造推进器的常规方法是分开推进器，并且将其模制成若干部件，并且接着由焊接或其它此类连结方法将单独模制的部件连结在一起。然而，与一体成形的推进器相比，通过连结推进器的单独模制的部分来制造的推进器具有相对弱的机械属性。
目前，存在一种由包括预磨、电火花加工(EDM)粗磨和EDM抛光的过程制造推进器的方法。但该过程的循环时间通常超过5周。此外，研磨中心和EDM机器所需的装置和装备(P&E)投资高。这即不高效也不经济，因为循环时间长且P&E投资要求高。
因此，期望提供一种用于在高效且经济的基础上制造旋转物品(诸如推进器)的新颖方法。
发明内容
本公开涉及一种用于制造旋转物品的方法。该方法包括：提供包括焊炬的冷金属过渡焊接设备；提供旋转衬底；提供具有至少一个内部流道的旋转物品的数字表示；基于数字表示在旋转衬底上限定焊接路径；在使填充金属一层一层地淀积在旋转衬底的焊接路径上的同时使旋转衬底旋转，以形成旋转物品；以及使旋转衬底与旋转物品分开。
本公开还涉及一种用于制造旋转物品的方法，其包括：提供包括焊炬的冷金属过渡焊接设备；提供旋转衬底；在旋转或移动旋转衬底和/或移动焊炬的同时，通过使用冷金属过渡焊接设备来使填充金属淀积在旋转衬底上，来产生旋转物品；以及使旋转衬底与旋转物品分开。
本公开进一步涉及一种具有至少一个内部流道的旋转物品，通过经由冷金属过渡焊接一层一层地淀积填充金属来制造该旋转物品。
附图说明
按照结合附图得到的随后的详细描述，本公开的实施例的以上和其它方面与特征将变得更加显而易见，其中：
图1是显示典型的冷金属过渡焊接(CMT)过程中的线材运动的示意图。
图2显示适于制造旋转物品的示例性CMT系统。
图3是显示CMT设备的焊炬的示意图。
图4显示用于制造单件推进器的示例性CMT淀积方案。
图5A是待制造的示例性推进器的透视图。
图5B是显示基于图5A中显示的推进器的数字表示的、由CMT附加淀积制造物品的照片。
图5C是显示基于图5A中显示的推进器的数字表示的CMT附加淀积的产品的照片。
具体实施方式
将参照附图来描述本公开的实施例。在随后的描述中，不详细描述众所周知的功能或结构，以避免多余的细节使本公开模糊不清。
遍及说明书和权利要求在本文使用的近似用语可用来修饰任何数量表示，其可以可允许地变化，而不导致改变与其有关的基本功能。因此，由诸如“大约”的用语或多个用语修饰的值不限于所规定的确切值。在某些实施例中，用语“大约”表示+或－百分之十(10%)的值。例如，“大约100”将表示90和110之间的任何数字。另外，当使用“大约第一值-第二值”的表达时，大约意于修饰这两个值。在一些情况下，近似用语可对应于用于测量值或多个值的仪器的精度。
本文叙述的任何数值以一个单位增量的形式包括从上限值到下限值的所有值，只要在任何下限值和任何上限值之间存在至少2个单位的分开。作为示例，如果声明一定量的组分或过程变量的值(诸如例如，温度、压力、时间等)例如为1至90，优选20至80，更优选30至70，则意于的是在该说明书中明确地列举了诸如15至85、22至68、43至51、30至32等的值。对于小于一的值，认为一个单位为0.0001、0.001、0.01或0.1是合适的。这些仅是特别意指的示例，认为在本申请中以类似的方式明确地陈述了在所列举的最低值和最高值之间的数字值的所有可能组合。
除非另有限定，本文使用的技术和科学用语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。本文使用的用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来区分一个元件与另一个元件。此外，用语“一”和“一个”不表示数量限制，而是表示存在所引用的项目中的至少一个。
本公开的实施例涉及用于由冷金属过渡焊接淀积制造具有至少一个内部流道的旋转物品的方法，以及制造的旋转物品。由于本公开的方法特别适合制造推进器，故描述涉及推进器，但可用来制造其它旋转物品。
通常被称为CMT的冷金属过渡焊接是经改良的短路气体金属电弧焊接(GMAW)过程，其特征在于电弧相和短路相循环交替。在CMT过程中，线材馈送系统与数字控制系统同步，并且能够响应于循环交替来改变线材的移动方向。在电弧相期间，焊接线材向加工件/衬底移动，直到接触工件/衬底为止，并且以如下方式控制焊接电流和/或焊接电压，使得焊接线材以高传输电弧电流快速熔化，以形成液滴。一旦发生短路，则数字控制系统感测电压降，并且使电流降低到相当低的水平，同时线材传送倒转，并且焊接线材远离工件/衬底移动，直到短路接通为止。
因此CMT结合了焊接电流控制与线材运动，并且以某个速率和型式在物理上从熔池收回焊接线材。参照图1，典型的CMT过程可包括以下步骤：(1)将焊接线材移向工件/衬底上的焊池；(2)在将焊接线材馈送到焊池中的同时降低电流；(3)收回焊接线材；以及(4)重复步骤(1)至(3)。
此类基于电弧的系统不连续性的循环交替能够极大地减少传递到工件/衬底的热输入，因为电弧仅在电弧产生时段期间将热输入到工件/衬底中达非常短的时间。与常规的GMAW过程相比，工件/衬底和焊接区在CMT过程期间仍然“冷得多”。减少的热输入提供了使用CMT制造大规模构件的附加层的可能性。此外，减少的热输入提供了诸如失真少和精度较高的优点，这对附加层制造过程也有好处。
在用于由CMT附加淀积制造旋转物品的方法中，提供旋转衬底，并且使用包括焊炬的CMT设备来使填充金属(焊接线材)一层一层地淀积在旋转衬底的预定焊接路径上，以形成旋转物品。
如本文所用，填充金属可为具有熔点且可在CMT附加淀积期间熔化的各种金属或合金。可适用的金属或合金的一些非限制性示例包括碳钢、合金钢、镍合金、钛合金和它们的组合。旋转衬底可具有供熔化填充金属淀积在其上形成旋转物品的外周表面，并且其可驱动成在淀积过程期间围绕中心轴线旋转。在某些实施例中，旋转衬底可具有其中的孔，用于允许冷却流体在CMT附加淀积期间穿过，使得衬底和其上的淀积可控制成处于相对低的温度。在特定实施例中，旋转衬底是中空圆筒，其沿着其轴向方向具有中心孔，并且中心孔可用作用于传送冷却流体(诸如水)的冷却孔。
在某些实施例中，如图2中显示的，适用于由CMT附加淀积制造旋转物品的示例性系统200包括焊炬202、用于驱动焊炬202沿着预定焊接路径移动的焊接机器人204、用于对焊炬202供应功率的焊接功率供应208、用于将填充线材馈送到焊矩202的线材驱动器209、适于固持和移动待淀积的衬底和衬底上的淀积物的转动-倾斜台210，以及用于控制焊接机器人204和转动-倾斜台210的机器人控制器206。在某些实施例中，如图3中显示的，示例性焊炬300包括接触末端302、喷嘴护罩306，接触末端302用于以如下方式容纳焊接线材304，使得焊接线材304从接触末端302的末端端部伸出，喷嘴护罩306包围接触末端302，并且限定环形通道308，其包围接触末端302，用于保护气体穿过。
在执行附加淀积之前，可提供待制造的旋转物品的数字表示，并且因而可基于该数字表示来预先确定焊接路径。在某些实施例中，焊接路径可由以下过程确定，该过程包括：(1)使CMT淀积过程参数与淀积属性相互关联；(2)部署和识别CMT淀积的最佳过程窗口(范围)；(3)使CMT淀积数据库模块化；以及(4)开发焊接路径产生和部分失真的补偿的算法。
在不断或断断续续地旋转旋转衬底的同时，通过使填充金属沿着预定焊接路径一层一层地淀积在旋转衬底上，能够建造近净形状的旋转物品。
在图4中显示示例性单件推进器淀积方案。如显示的，用于由CMT附加淀积制造推进器的过程包括：(1)提供旋转衬底，可驱动该旋转衬底围绕中心轴线旋转，并且该旋转衬底具有供熔化的焊接线材淀积在其上的外周表面；(2)在断断续续地旋转旋转衬底的同时，使第一层焊接线材材料沿着预定焊接路径淀积在旋转衬底的外周表面上；以及(3)不断地使新层淀积到前面的层上，直到近净形状的推进器完成为止。
在某些实施例中，各个层可包括至少一个圆形或近圆形结构和至少一个叶片结构，该至少一个圆形或近圆形结构沿着或大致平行于旋转衬底的周向方向延伸，像图4中显示的结构402，该至少一个叶片结构与至少一个圆形或近圆形结构相交，像图4中显示的结构404。因此淀积各个层的步骤可包括：至少在使衬底旋转的同时，使圆形或近圆形结构淀积在衬底上的步骤，以及至少在使衬底旋转或不旋转的同时，通过使焊矩相对于衬底沿着与圆形或近圆形结构相交(与周向方向相交)的方向移动来淀积叶片结构的步骤。
在示出的实施例中，待制造的推进器包括两个圆形端板和在两个端板之间且在它们之间限定多个流道的多个叶片。淀积各个层的步骤包括：(i)在使衬底旋转的同时，淀积圆形或近圆形结构；(ii)使焊矩和/或衬底沿着或平行于衬底的轴向方向移动；(iii)在使衬底旋转的同时，淀积另一个圆形或近圆形结构；(iv)在使衬底保持不旋转的同时，通过使焊矩沿着或平行于衬底的轴向方向移动以横跨衬底追踪焊接线材，来淀积叶片结构；(v)使衬底旋转；以及(vi)重复步骤(iv)和(v)，直到所有叶片结构的层都淀积为止。
在步骤(v)中，衬底可旋转一角度，以便淀积邻近前面的叶片结构的叶片结构。在一些其它特定实施例中，在步骤(v)中，衬底可旋转相对较大的角度，以便淀积与前面的叶片结构相对或几乎相对的叶片结构，以便减少在制造物品时可能发生的围带失真。通过优化使不同的叶片结构淀积在旋转物品(特别是旋转对称物品)上的顺序，可极大地减少在制造物品时可能发生的围带失真。
在淀积期间，焊接线材可不断馈送到焊炬。在某些实施例中，线材馈送速率范围为大约3米/分钟至大约10米/分钟，或者优选大约4.5米/分钟至大约10米/分钟。
在物品建造成近净形状之后，可分开旋转衬底与物品，接着对物品进行进一步的处理。从而在旋转物品中形成膛孔，此处之前由旋转衬底占据。膛孔能够接收可旋转驱动轴。在某些实施例中，由EMD抛光对由CMT附加淀积实现的物品进行进一步处理。
本文的实施例提供优于常规制造技术的好处。CMT附加淀积允许具有内部流道的旋转物品建造成近净形状，并且可显著地减少粗磨时间，并且从而提高生产率。更特别地，CMT附加淀积允许物品建造成近净形状，从而减少材料输入、材料浪费和总制造时间。仅应用完成物品所需的材料量节约了原材料，并且极大减少材料移除和抛光需要。例如，与由包括预磨、EDM粗磨和EDM抛光的过程制造推进器相比，由CMT附加淀积将推进器制造成近净形状能够提高生产率大约两倍，并且减少15%的材料使用。此外，当与常规加工方法相比时，CMT附加淀积允许快速地且以较低成本改变或更新推进器的设计的灵活性。
示例
为了展现由CMT附加淀积制造旋转物品的适用性，做实验来制造推进器，如图5A中显示的。在实验期间，使用304不锈钢衬底和CMT系统，该CMT系统包括机器人(Motoman UP50N)、转动-倾斜台(YASKAWA Motopos)和CMT焊接机(Fronius TPS4000 CMT(高达400A))。CMT焊接机的接触末端的末端端部与衬底间隔开范围为大约14 mm至15 mm的距离。使用掺有5体积%的CO₂的氩(Ar)作为保护气体。使用由低合金钢材料ER90S-B3制成且具有大约1.2 mm的直径的焊接线材。在下表中显示ER90S-B3的成分(按重量计)。

详细实验条件和过程参数描述如下。
焊接电流：130 A
焊接电压：14.5V
线材馈送速率：4.5米/分钟
焊接速度：0.3米/分钟
焊炬摆动：5Hz，3 mm幅度
保护气体流：18升/分钟
层厚度：2 mm
参照图5B，通过将旋转衬底附连于转动-倾斜台，以及在使用焊炬将线材材料一层一层地淀积在旋转衬底的焊接路径上的同时使旋转衬底旋转，在第一次试验的1天内产生了无裂纹和无孔的近净形状推进器，如图5C中显示的。在该过程期间，有规律地中断焊接，以允许散热。
虽然已经在典型实施例中示出和描述了本公开，但本公开不意于局限于显示的细节，因为可作出各种修改和替换，而无论如何不偏离本公开的精神。就此而言，本领域技术人员仅使用常规实验就可想到本文公开的本公开的另外的修改和等效方案，并且相信所有此类修改和等效方案都在由随后的权利要求限定的本公开的精神和范围内。