一种铝镁合金结构件增材制造方法与流程

本发明属于电弧熔丝增材制造技术领域，具体涉及一种铝镁合金结构件增材制造方法。

背景技术：

增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积思想，通过CAD设计数据，采用逐层累加的方式加工生成实体零件的技术。它具有成形效率高、成本低、零件致密等优点，世界各国科研机构对其展开了大量的研究，根据增材制造熔覆工艺的不同可以分为激光焊(LAW)、等离子弧焊(PAW)、熔化极气体保护焊(GMAW)、非熔化极气体保护焊(GTAW)、电子束焊(EBW)等，与其他增材制造技术相比，弧焊增材制造技术具有成本低、效率高、可控参数多、力学性能良好、金属材料的适用性好等优点，但是也存在一些需要解决的问题：成型精度与净成型零件有一定的差距、残余应力较大、熔池可控性不好、缺少专用的成型材料以及工作环境差等。在传统焊接技术中，熔化极气体保护焊(MIG焊)具有焊接焊接电流大、焊接效率较高等优点，但电弧不稳定，成形过程中熔池容易外溢和塌陷；非熔化极气体保护焊焊接稳定，但焊接电流小，焊接效率低。

铝合金具有比强度高、热膨胀系数小、耐磨耐蚀性好等特点，是优秀的结构和功能材料，广泛应用于汽车、航空航天、机械电子等领域，目前使用最广的铝合金是铝镁合金。对于复杂的铝镁合金结构件特别是含有内腔的结构件，采用传统的铸造、锻造、机加工等工艺难以制造甚至无法制造。并且采用传统的成形工艺从毛坯到最后的零部件，需要大量模具和多道工序才能完成，这样导致铸造铝镁合金生产周期长、成本高、材料利用率也较低。但随着激光增材制造技术的发展，采用激光增材制造技术为铝合金零部件成形带来了新的机遇，大幅提高了铝镁合金零部件的制造自由度，节约了生产制造时间，扩展了铝镁合金零部件的使用范围。然而，铝镁合金增材制造的主要问题是：由于基材和铝镁合金丝材表面清理不干净，焊接过程中加热和冷却的速度过快，使得熔池中的H+无法完全逸出，易形成氢气孔；此外，铝与氧的化学结合力很强，易在表面形成一层薄薄的氧化膜(Al2O3)，由于氧化膜的熔点很高(2050℃)，使得粘接无法正常进行，阻碍金属之间的良好结合，易产生未焊透缺陷，因而导致采用激光增材制造技术成形的铝镁合金制品存在成形质量差，容易产生球化、气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提供了一种工艺简单、成本低、制备的结构件无组织缺陷、精度高、结构强度好的铝镁合金结构件增材制造方法。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：

(1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为30～50℃下，用酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为50～200μm的棱台型微结构，待用；

(2)铝镁合金丝材的制备：①将一定比例的纯镁锭、铝粉、铁基合金粉末加入到干燥的熔炼炉中，在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、真空退火一系列正常工序加工成直径为1～2mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；

(3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为500～600μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；

(4)将自制的惰性气体保护装置放置在工作台上，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯惰性气体；

(5)开启焊接机器人，调出加工程序，点击运行按钮，机器人手臂按照预定的加工轨迹运行，与此同时，送丝装置将铝镁合金丝材输送到产生的熔池中，形成与基材冶金结合的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪遵循一定的运行轨迹，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。

进一步地，步骤(1)中所述的酸溶液由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1:3组成。

进一步地，步骤(2)中①所述的各成分质量百分比为：纯镁锭5～10％、铝粉60～80％、铁基合金粉末15～30％。

进一步地，所述的铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量。

进一步地，步骤(4)中所述的惰性气体为氩氦混合气体。

进一步地，步骤(4)中所述的惰性的气体的纯度≥99.99％，流量为25～40L·min^-1。

进一步地，步骤(5)中所述电弧熔覆的工艺参数为：输出功率2～20kW，送丝速度为650～1-22mm/min。

进一步地，步骤(5)中所述的单个熔覆层厚度为1-2.5mm。

进一步地，步骤(5)中所述的焊枪头运行轨迹为第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数。

本发明具有的有益效果：

(1)本发明的一种铝镁合金结构件增材制造方法，对基材进行表面微结构加工，形成的棱台型微结构，有助于提高铝镁合金管材与基材的附着力，增强界面的粘结强度。

(2)本发明的一种铝镁合金结构件增材制造方法，焊枪头运行轨迹采用相邻层与层垂直的方式，能够解决单一方向堆积前后起弧收弧位置高低不平的问题，保证多层堆积过程的稳步进行，大大提高结构件的平均抗拉强度。

(3)本发明的一种铝镁合金结构件增材制造方法，工艺简单、可大量节约镁铝合金材料、制造成本低，制备的铝镁合金结构件无组织缺陷、精度高、结构强度好。

附图说明

图1为本发明的铝镁合金结构件增材制造原理图；

图2为本发明的铝镁合金结构件增材制造中激光头运行轨迹示意图。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：

(1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为40℃下，用由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1:3组成的酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为50μm的棱台型微结构，待用；

(2)铝镁合金丝材的制备：①将质量分数为纯镁锭8％、铝粉70％、铁基合金粉末22％加入到干燥的熔炼炉中，其中铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量；在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、真空退火一系列正常工序加工成直径为1mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；

(3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为500μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；

(4)将自制的氮气保护装置放置在工作台上(如附图说明图1所示)，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氮气，纯度≥99.99％，流量为25L·min^-1使腔内氧含量为50μL/L；

(5)开启焊接机器人，调出加工程序，输出功率20kW，点击运行按钮，熔弧按照预定的加工轨迹运行；与此同时，送丝装置以速度为22mm/min将铝镁合金丝材输送到熔弧产生的熔池中，形成与基材冶金结合的厚度为500μm的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪头上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪头遵循第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数一定的运行轨迹(如附图说明中图2所示)，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。

实施例2

一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：

(1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为30℃下，用由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1:3组成的酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为100μm的棱台型微结构，待用；

(2)铝镁合金丝材的制备：①将质量分数为纯镁锭5％、铝粉65％、铁基合金粉末30％加入到干燥的熔炼炉中，其中铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量；在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、真空退火一系列正常工序加工成直径为1.5mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；

(3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为550μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；

(4)将自制的氩气保护装置放置在工作台上(如附图说明图1所示)，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氩气，纯度≥99.99％，流量为30L·min^-1使腔内氧含量为65μL/L；

(5)开启焊接机器人，调出加工程序，输出功率2kW，点击运行按钮，激光束按照预定的加工轨迹运行；与此同时，送丝装置以速度为1mm/min将铝镁合金丝材输送到电弧产生的熔池中，形成与基材冶金结合的厚度为550μm的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪头上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪头遵循第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数一定的运行轨迹(如附图说明中图2所示)，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。

实施例3

一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：

(1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为50℃下，用由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1:3组成的酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为200μm的棱台型微结构，待用；

(2)铝镁合金丝材的制备：①将质量分数为纯镁锭10％、铝粉75％、铁基合金粉末15％加入到干燥的熔炼炉中，其中铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量；在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、真空退火一系列正常工序加工成直径为2mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；

(3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为600μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；

(4)将自制的氩气保护装置放置在工作台上(如附图说明图1所示)，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氩气，纯度≥99.99％，流量为40L·min^-1使腔内氧含量为80μL/L；

(5)开启焊接机器人，调出加工程序，输出功率12kW，，点击运行按钮，激光束按照预定的加工轨迹运行，扫描速度10mm/min；与此同时，送丝装置以速度为1000mm/min将铝镁合金丝材输送到电弧束产生的熔池中，形成与基材冶金结合的厚度为600μm的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪头上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪头遵循第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数一定的运行轨迹(如附图说明中图2所示)，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。

对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)未对基材表面进行微结构加工。

对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(4)未通入惰性气体进行保护。

产品检测：从实施例1-3获得的铝镁合金成形件外表面可看出其表面光洁，颜色呈亮白色，形状规则，无宏观裂纹。将成形件做成截面分析其金相组织和扫描电镜SEM可知，铝合金成形件组织中无气孔和裂纹，组织均匀，层与层之间呈冶金结合。采用维氏硬度计测量硬度分别为808HV_0.5、815HV_0.5、817HV_0.5。而对比例1与实施例1相比，成形件与基材的附着力差，强度低，易破损；对比例2与实施例1相比，铝合金成形件组织中有气孔和裂纹，组织分布不均匀。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。