一种提高铝合金电弧增材冶金强度的方法与流程

本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种提高铝合金电弧增材冶金强度的方法。

背景技术：

在增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成型路径在基板上堆积层片，层层堆积直至金属零件成型。因此，电弧增材技术是低成本金属零件直接制造的重要研究方向。其中铝合金材料已广泛应用于航空航天产品制造，可有效减轻产品重量，提高产品飞行性能。

但电弧增材制造过程是以层层堆积实现，随着层数的增加，堆积零件热积累严重、层与层之间散热条件差、熔池过热，此问题直接影响零件的冶金结合强度。同时铝合金电弧增材过程中由于氢在液态的铝中溶解度很大，而在固态铝中的溶解度几乎为零，当熔池冷却到凝固温度时氢的溶解度极具下降，析出大量的氢来不及逸出，会在铝合金中形成大量的氢气孔，导致零件力学性能下降。由此可见提高铝合金电弧增材冶金强度是铝合金增材制造技术的主要瓶颈之一。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足之处，给出了一种提高铝合金电弧增材冶金强度的方法。

本发明的技术解决方案是：

一种提高铝合金电弧增材冶金强度的方法，包括以下步骤：

采用铝合金焊丝，利用冷金属过渡焊机实施铝合金构件的电弧增材制造过程；

其中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，依据所述铝合金构件的形状预先规划增材路径，所述冷金属过渡焊机的焊枪沿着所述增材路径连续行进，从而使所述铝合金焊丝在基板上形成一层堆积层；所述焊枪以所述增材路径为轴，在与所述基板平行的平面上进行摆动，摆动轨迹由多个重复单元依次首尾衔接而成，所述重复单元由分布在所述轴两侧的两个等腰梯形轨迹首尾衔接而成，所述等腰梯形轨迹由两个腰和一个较短底边构成，两个等腰梯形轨迹相对于衔接点呈中心对称；所述摆动轨迹的振幅为2～5mm，所述焊枪在所述重复单元的两个最大振幅位置行进的时间均为0.1～0.2s，所述焊枪形成每个重复单元所使用的时间为0.3～0.6s。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，所述铝合金焊丝为5B06铝合金焊丝。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，所述铝合金焊丝的直径为1.2mm。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，所述铝合金焊丝伸出所述焊枪的导丝嘴的长度为12～15mm，送丝速度为7m/min～9m/min。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，焊枪的行进速度为8mm/s～11mm/s。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，所述冷金属过渡焊机采用冷金属过渡工艺和脉冲过渡的混合过渡方式工作。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，采用99.999％高纯氩进行正面保护，流量为18～20L/min。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，所述基板由厚度为20mm的5A06铝合金板材制成；进行电弧增材制造之前，先对所述基板进行酸洗，然后将表面打磨平整并用丙酮擦拭干净。

优选的是，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的之前，先在所述基板上制造打底层，制造打底层时，焊接电流比所述增材电流大20-50A，所述冷金属过渡焊机采用冷金属过渡工艺和脉冲过渡的混合过渡方式工作，所述打底层的宽度比在其上形成的上层堆积层的宽度大，所述打底层的表面平整。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用冷金属过渡焊机进行电弧增材制造过程，在对铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，焊枪以增材路径为轴，在与基板平行的平面上进行摆动，从而形成特定的摆动轨迹。本发明所制造成形的铝合金构件由全焊缝组织组成，熔池中的气体受到焊丝摆动的作用更容易被搅动析出，熔深增加，使金属致密度高，冶金结合性能好，铝合金构件的强度可以提高至母材的90％以上。本发明设备投资少，材料利用率高(接近于100％)，降低了生产成本，缩短了生产周期。

附图说明

图1为在一个实施例中焊枪摆动轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供了一种提高铝合金电弧增材冶金强度的方法，包括以下步骤：采用铝合金焊丝，利用冷金属过渡焊机实施铝合金构件的电弧增材制造过程；其中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，依据所述铝合金构件的形状预先规划增材路径，所述冷金属过渡焊机的焊枪沿着所述增材路径连续行进，从而使所述铝合金焊丝在基板上形成一层堆积层；所述焊枪以所述增材路径为轴，在与所述基板平行的平面上进行摆动，摆动轨迹由多个重复单元依次首尾衔接而成，所述重复单元由分布在所述轴两侧的两个等腰梯形轨迹首尾衔接而成，所述等腰梯形轨迹由两个腰和一个较短底边构成，两个等腰梯形轨迹相对于衔接点呈中心对称；所述摆动轨迹的振幅为2～5mm，所述焊枪在所述重复单元的两个最大振幅位置行进的时间均为0.1～0.2s，所述焊枪形成每个重复单元所使用的时间为0.3～0.6s(摆动轨迹如图1所示)。

本发明采用CMT焊机(CMT，cold metal transfer，冷金属过渡)提供热源进行电弧增材制造。在数据处理系统上预先将铝合金构件分层，并规划每层的增材路径，焊接时焊枪根据所规划的增材路径行进(焊丝装设在焊枪的枪头上，焊枪的移动实际意味着焊丝的移动)，每当焊枪从一层的增材路径的一端移动至另一端，铝合金焊丝就在基板上形成一层堆积层。焊枪完成一层的电弧增材制造，须向上移动一定距离，继续上一层的电弧增材制造，从而逐层完成对铝合金构件的电弧增材制造过程。

其中，在对每一层进行电弧增材制造过程中，焊枪围绕增材路径做出摆动动作。焊枪在以增材路径为轴，在与基板平行的平面上进行摆动，其摆动轨迹由多个重复单元依次首尾衔接而成。即，前一个重复单元的尾端与后一个重复单元的首端连接。重复单元由两个等腰梯形轨迹首尾衔接而成，等腰梯形轨迹由两个腰和一个较短底边构成(等腰梯形轨迹没有较长底边)，而且两个等腰梯形轨迹相对于二者之间的衔接点呈中心对称分布。重复单元可以大致理解成正弦曲线的形式，只是正弦曲线由两个波浪形曲线段构成，而本发明的重复单元由两个等腰梯形轨迹构成。摆动轨迹的振幅为2～5mm，也就是，重复单元的等腰梯形轨迹的较短底边到达增材路径的距离为2～5mm。焊枪在重复单元的两个最大振幅位置行进的时间均为0.1～0.2s，即，焊枪在摆动到最大振幅位置(等腰梯形轨迹的较短底边)的起始位置后，在该位置向前行进，行进时间为0.1～0.2s，因此，焊枪在最大振幅位置的行进距离也就是等腰梯形轨迹的较短底边的长度，可以由行进时间乘以焊枪的行进速度计算得出。焊枪形成每个重复单元所使用的时间为0.3～0.6s，则焊枪在重复单元的四个腰的位置行进的时间合计为0.1～0.2s，由于四个腰是相同的，焊枪在每个腰行进的时间为0.025～0.05s。利用焊枪行进速度和行进时间，则可以计算出每个腰的长度。

本发明为焊枪设计了特定的摆动动作，从而使焊枪形成特定的摆动轨迹。由于在冷金属过渡焊接时，焊丝以一定频率进行伸出和回抽的动作，电弧反复地燃烧和熄灭，在电弧燃烧时电弧就随着焊枪而产生摆动动作，从而对熔池进行搅动，促使熔池内的气体析出，起到细化晶粒，均匀组织和减少气孔的目的，提高层间结合强度。焊枪以摆动的形式前进，熔滴在离心力作用下迅速脱落，促进熔滴过渡。最大振幅位置对应着熔池的两端，焊枪在摆动至最大振幅位置后，在最大振幅位置继续向前行进0.1～0.2s，也可以理解成焊枪在最大振幅位置进行短暂地维持，可以使熔池两端热输入量增大，熔深增加。在0.1～0.2s范围内，时间越长，熔深越深，性能越好；时间越短，表面成形越好。0.1～0.2s范围之外，则可能影响焊接过程的稳定度。摆动幅度(振幅)在2～5mm时，表面成形良好。在2～5mm范围内，摆动幅度增加，熔宽增加，熔深减小,熔高增加，性能越好。

本发明所制造成形的铝合金构件由全焊缝组织组成，熔池中的气体受到焊丝摆动的作用更容易被搅动析出，熔深增加，使金属致密度高，冶金结合性能好，铝合金构件的强度可以提高至母材的90％以上。

此外，本发明设备投资少，材料利用率高(接近于100％)，还降低了生产成本，缩短了生产周期。

焊枪安装在Funac六轴机械臂上，由机械臂带动实现焊枪的移动。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，所述铝合金焊丝为5B06铝合金焊丝。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，所述铝合金焊丝的直径为1.2mm。

本发明所制造出的铝合金构件由全焊缝组织形成，厚度取决于铝合金焊丝。本发明在制造厚度很薄的铝合金构件时，构件仍然具有良好的强度性能。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，所述铝合金焊丝伸出所述焊枪的导丝嘴的长度为12～15mm，送丝速度为7m/min～9m/min。

送丝速度在7m/min～9m/min时，表面成形最好，送丝速度增大，熔宽、熔深及熔池高度都增加。增材电流会随着送丝速度的变化而自动改变，增材电流的变化使熔化速度改变。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，焊枪的行进速度为8mm/s～11mm/s。

焊枪的行进速度在8mm/s～11mm/s时，表面成形平整美观，熔宽和熔高随着焊枪的行进速度的增加而减小。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，所述冷金属过渡焊机采用冷金属过渡工艺和脉冲过渡的混合过渡方式工作。

焊接过程中，首先将电弧引燃，熔滴向熔池过渡，熔滴进入熔池后电弧熄灭，电流减小直到短路。短路信号被DSP处理器检测到并被反馈给送丝机，送丝机回抽丝材，这样丝材与熔滴分离，使熔滴在无电流状态下过渡。随后丝材运动方向改变，又重新起弧进行堆敷，如此循环，最终完成增材制造过程。

本发明在焊接铝合金构件时，采用CMT过渡和脉冲过渡混合的方式，以进一步改善焊缝的表面成形效果，提高焊接质量。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的过程中，采用99.999％高纯氩进行正面保护，流量为18～20L/min。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，所述基板由厚度为20mm的5A06铝合金板材制成；进行电弧增材制造之前，先对所述基板进行酸洗，然后将表面打磨平整并用丙酮擦拭干净。

在一个优选的实施例中，所述的提高铝合金电弧增材冶金强度的方法中，在对所述铝合金构件的每一层进行电弧增材制造的之前，先在所述基板上制造打底层，制造打底层时，焊接电流比所述增材电流大20～50A，所述冷金属过渡焊机采用冷金属过渡工艺和脉冲过渡的混合过渡方式工作，所述打底层的宽度比在其上形成的上层堆积层的宽度大，所述打底层的表面平整。铝合金构件形成在上述打底层之上。

实施例1

(1)将酸洗后的20mm厚5A06基板表面用绞磨机打磨平整，露出亮白色金属并用丙酮或无水乙醇擦拭干净。

(2)将基板固定在工作台上，保证底板在机器人行程范围内。

(3)采用99.999％高纯氩进行正面保护，流量为18～20L/min。

(4)在基板选取合适位置为起弧点打底三层，模式选用C+P(CMT过渡和脉冲过渡的混合过渡形式)，焊接电流较上层成形电流(即增材电流)大20A～50A左右，打底层的表面成形较宽平，使上层堆积可完全平铺在打底层表面。

(5)打底完后，选取合适的起弧点，起弧点为直线两端，位置在成形工件中心，保证焊枪在运行过程处于安全区域。

原材料为5B06铝合金焊丝，直径1.2mm，焊丝伸出导丝嘴12～15mm。

改用摆动工艺参数进行实体部分(即铝合金构件)堆积。

增材电流100A，送丝速度7.5m/min，焊枪的行进速度8mm/s。

增材过程中使焊枪进行摆动运行，摆动模式见图1，振幅W＝3mm，在一个重复单元内的两个最大振幅位置上向前行进的时间均为0.1s，焊枪在波峰的行进距离L1＝0.1×8＝0.8mm，焊枪在波谷的行进距离L2＝0.1×8＝0.8mm，摆动一个周期的长度L＝0.8+0.8+0.2×8＝3.2mm。

单层熔覆层高度1.2mm，宽度10mm。

增材模式选用C+P模式(冷金属过渡工艺和脉冲混合过渡的方式)。

机械臂运行方式为直线往复运行。如此往复成形，制造出宽100mm，高200mm，壁厚10mm的铝合金直壁板。

采用此方法堆积出的增材样件，抗拉强度≥275MPa，延伸率≥10％。

实施例2

步骤(5)中，增材电流100A，送丝速度7m/min，焊枪的行进速度8mm/s。

增材过程中使焊枪进行摆动运行，摆动模式见图1，振幅W＝2mm，在最大振幅位置上向前行进的时间为0.2s，在最大振幅位置上向前行进的时间为0.2s，焊枪在波峰的行进距离L1＝0.2×8＝1.6mm，焊枪在波谷的行进距离L2＝0.2×8＝1.6mm，摆动一个周期的长度L＝1.6+1.6+0.2×8＝4.8mm。

单层熔覆层高度1.2mm，宽度10mm。

增材模式选用C+P模式(冷金属过渡工艺和脉冲混合过渡的方式)。过渡方式与实例1相同。

机械臂运行方式为直线往复运行。如此往复成形，制造出宽100mm，高200mm，壁厚10mm的铝合金直壁板。

采用此方法堆积出的增材样件，抗拉强度为290MPa左右，延伸率≥10％。

实施例3

步骤(5)中，增材电流100A，送丝速度9m/min，焊枪的行进速度11mm/s。

增材过程中使焊枪进行摆动运行，摆动模式见图1，振幅W＝5mm，在最大振幅位置上向前行进的时间为0.2s，在最大振幅位置上向前行进的时间为0.2s，焊枪在波峰的行进距离L1＝0.2×11＝1.1mm，焊枪在波谷的行进距离L2＝0.2×11＝1.1mm，摆动一个周期的长度L＝1.1+1.1+0.1×11＝3.3mm。

单层熔覆层高度1.2mm，宽度10mm。

增材模式选用C+P模式(冷金属过渡工艺和脉冲混合过渡的方式)。过渡方式与实例1相同。

机械臂运行方式为直线往复运行。如此往复成形，制造出宽100mm，高200mm，壁厚10mm的铝合金直壁板。

采用此方法堆积出的增材样件，抗拉强度为300MPa左右，延伸率≥15％。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。