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CN113210808A - 一种镁合金的电弧增材制造方法 - Google Patents

一种镁合金的电弧增材制造方法 Download PDF

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CN113210808A CN202010055609.4A CN202010055609A CN113210808A CN 113210808 A CN113210808 A CN 113210808A CN 202010055609 A CN202010055609 A CN 202010055609A CN 113210808 A CN113210808 A CN 113210808A
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申俊琦
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甄亚辉
胡绳荪
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Abstract

本发明公开一种镁合金的电弧增材制造方法，以冷金属过渡焊作为焊接设备，使用冷金属过渡焊焊枪为增材制造过程提供热源，焊枪与工件表面保持垂直，外加摆动形式采用三角摆动。依照本发明技术方案CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造厚壁墙表面很平整，两侧成形精度较高，并未发现明显的裂纹和气孔，拉伸件断口形貌，可以看出断口以韧窝为主，表明其断裂形式都是韧性断裂。

Description

一种镁合金的电弧增材制造方法
技术领域
本发明属于镁合金增材制造技术领域，更加具体地说，涉及一种镁合金的电弧增材制造方法，属于一种CMT焊接工艺外加摆动的焊接方法。
背景技术
镁合金作为目前最轻的商业化金属结构材料，具有密度低、比强度比刚度高、阻尼减振性能好、易于加工成型和可再生利用等优点，被认为是最具发展前景的轻量化材料之一，已被广泛应用于汽车、3C、航空航天、国防军工等领域。
镁合金晶体结构为密排六方，常温下塑性加工性能不佳，但其液态成型性较好。目前工程应用中的镁合金主要是以压铸件为主(占90％以上)，镁合金压铸件的质量和产量的稳定性较差、废品率较高，致使镁合金产品价格较高，从而制约了镁合金产品的推广应用和新产品的开发。
电弧增材制造技术可以加工传统工艺难以实现的形状结构，同时该技术可以制备高致密度成型件，从一定程度上解决了传统铸造工艺技术造成的铸造缺陷，这为镁合金制造工艺的发展提供了一条可行之路，使其进入高性能结构领域成为可能。
冷金属过渡(Cold metal transfer，CMT)焊接技术是Fronius公司开发出的一种焊接工艺，具有高熔敷率、低热输入、弧长控制精确和无飞溅的特点。CMT焊接技术主要采用外加机械回抽力促进熔滴发生短路过渡，同时改进了电压和电流的波形，短路过渡时电流几乎为零，极大地限制了焊接热输入。针对镁合金在焊接过程中粗晶、氧化蒸发、热裂纹、热应力等一系列焊接性问题，焊接过程中的热输入控制就显得尤为关键。CMT更低、更精确的热输入控制有助于抑制镁合金在焊接过程出现的上述问题，而焊丝的机械回抽控制也有利于形成稳定的、无飞溅的焊接过程。因此CMT技术在镁合金电弧增材制造方面具有良好的应用前景。目前有关于镁合金电弧增材制造的研究主要是采用的MIG和TIG焊接工艺，目前未检索到有关于CMT镁合金增材制造的文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种镁合金的电弧增材制造方法，属于一种CMT焊接工艺外加摆动的方法，本发明提供的方法能够获得质量优异的镁合金厚壁墙构件。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种镁合金的电弧增材制造方法，使用冷金属过渡焊焊枪为增材制造过程提供热源，焊枪与工件表面保持垂直，垂直方向为增材制造的沉积方向，以CMT自左向右进行一层的增材制造，到达右侧截止处后，再由右向左进行下一层的增材制造，到达左侧截止处后，再由左向右进行下一层增材制造，以实现整个增材制造；在每一层增材制造中，CMT焊枪自起始位置开始，以这一层增材制造的中央线为对称轴进行外摆，以偏离增材制造中央线的一定角度运行到振幅顶点，再运行到增材制造中央线的位置，以形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，再以相同角度向相反方向进行外摆，运行到振幅顶点后，再运行到增材制造的中央线位置，以再形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，如此反复，以到达这一层增材制造的终点位置，以完成本层的增材制造，再进行下一层的增材制造。
而且，偏离增材制造中央线的一定角度为30—60度，优选45度。
而且，焊枪干伸长为10-18mm，优选12—15mm，送丝速度为8-14m/min，优选10-13m/min，焊枪行走速度为10-90cm/min，优选30-70cm/min，冷金属过渡焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用12-25L/min，优选15-20L/min。
而且，进行外摆时采用三角摆动，频率选用1-5Hz，振幅选用1-15mm，优选6-8mm；CMT在振幅顶点位置停留时间为0.1—0.5s，优选0.2—0.3s；CMT在运行轨迹和增材制造中央线的交点位置停留时间为0.1—0.5s，优选0.2—0.3s。
本发明的镁合金的电弧增材制造方法，以冷金属过渡焊作为焊接设备，使用冷金属过渡焊焊枪为增材制造过程提供热源，焊枪与工件表面保持垂直，外加摆动形式采用三角摆动。依照本发明技术方案CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造厚壁墙表面很平整，两侧成形精度较高，并未发现明显的裂纹和气孔，拉伸件断口形貌，可以看出断口以韧窝为主，表明其断裂形式都是韧性断裂。
附图说明
图1是本发明CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造厚壁墙成形照片(1)。
图2是本发明CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造厚壁墙成形照片(2)。
图3是本发明CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造厚壁墙成形构件横截面照片。
图4是本发明CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造厚壁墙成形构件的拉伸件断口形貌照片。
图5是本发明CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造工艺的示意图(1)。
图6是本发明中样品结构示意图。
图7是本发明CMT焊接工艺外加摆动单道多层增材制造工艺的示意图(2)。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明涉及的实验母材为镁合金AZ91D，试件规格为250×150×6mm，选用镁合金AZ91D材质的直径为1.2mm的焊丝。采用直流CMT工艺对6mm板厚的镁合金进行单层多道增材制造试验。通过分别改变CMT工艺参数，行进速度以及摆动参数得到理想的单层多道增材制造成形层。实验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced 4000型焊机。
其主要实现步骤如下：
1)焊前准备
堆焊前，用钢丝刷将镁板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。
2)搭建实验平台
如附图5所示，在工作台上使用夹具进行基板的固定，以垂直基板方向为增材制造的沉积方向，以CMT自左向右进行第一层的增材制造，到达右侧截止处后，再由右向左进行下一层的增材制造，到达左侧截止处后，再由左向右进行下一层增材制造，以实现整个增材制造(即沉积过程)。在进行增材制造后，按照附图6所示的结构和尺寸，在图5所示的位置分别截取垂直拉伸件和水平拉伸件。如附图7所示，CMT焊枪的三角形摆动的示意图，从图5所示的增材制造过程中，自CMT焊枪位置向下观察(即进行俯视观察)，即可得到图7所示的轨迹。具体来说，在图7中，三角图线为CMT焊枪在一层增材制造中的运动轨迹，水平方向为每一层增材制造的中央线，在每一层增材制造中，CMT焊枪自起始位置开始，以这一层增材制造的中央线为对称轴进行外摆，以偏离增材制造的中央线一定角度运行到振幅顶点，再运行到增材制造的中央线位置，以形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，再以相同角度向相反方向进行外摆，运行到振幅顶点后，再运行到增材制造的中央线位置，以再形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，如此反复，以到达这一层增材制造的终点位置，以完成本层的增材制造，再进行下一层的增材制造。在图7中，偏离角度为45度。
3)设定焊接参数。采用直流CMT工艺，设定送丝速度为12m/min，干伸长为15mm，焊枪行走速度为60cm/min，保护气选用99.999％纯氩气，气体流量为15L/min。外加摆动的摆动形式采用三角摆动，频率选用5Hz，振幅选用8mm，左右两侧停留时间为0.2s(即图7中上下两个三角形的顶点位置，振幅顶点位置)，中间停留时间为0.2s(即CMT运行轨迹和增材制造中央线的交点)。层间停留温度为3min，之后调整焊枪高度，使干伸长为15mm，为达到比较平整表面的效果，采用往复焊接的方法，往复焊接共12层，最终所得厚壁墙尺寸为115×22×46mm。
4)通过构件制备一个横截面晶样，并且在横向位置纵向位置分别取三个微小力学拉伸件，依次用600、1000、1500、2000和3000目的砂纸对拉伸件进行打磨，使拉伸件表面没有明显的裂纹等缺陷，然后进行拉伸试验，并观察断口形貌。
5)图1、2为本发明中镁合金材料CMT外加摆动电弧单道多层增材制造成形图，可见厚壁墙成形良好，表面较为平整，图3为上述厚壁墙构件横截面，两侧成形精度较高，并未发现明显的气孔和裂纹。图4为拉伸件断口形貌，可以看出断口以韧窝为主，表明其断裂形式都是韧性断裂。通过微力材料试验机Instron MicroTester 5848进行拉伸实验，拉伸速度为0.3mm/s，通过拉伸试验最终得到厚壁墙构件水平和垂直方向抗拉强度分别为253.0MPa和249.3MPa，并没有明显的各向异性，伸长率为24—27％，说明此种方法可以得到力学性能优异塑性良好的增材制造构件。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现镁合金的增材制造，经测试表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种镁合金的电弧增材制造方法，其特征在于，使用冷金属过渡焊焊枪为增材制造过程提供热源，焊枪与工件表面保持垂直，垂直方向为增材制造的沉积方向，以CMT自左向右进行一层的增材制造，到达右侧截止处后，再由右向左进行下一层的增材制造，到达左侧截止处后，再由左向右进行下一层增材制造，以实现整个增材制造；在每一层增材制造中，CMT焊枪自起始位置开始，以这一层增材制造的中央线为对称轴进行外摆，以偏离增材制造中央线的一定角度运行到振幅顶点，再运行到增材制造中央线的位置，以形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，再以相同角度向相反方向进行外摆，运行到振幅顶点后，再运行到增材制造的中央线位置，以再形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，如此反复，以到达这一层增材制造的终点位置，以完成本层的增材制造，再进行下一层的增材制造，其中：进行外摆时采用三角摆动，偏离增材制造中央线的一定角度为30—60度，频率选用1-5Hz，振幅选用1-15mm；CMT在振幅顶点位置停留时间为0.1—0.5s，CMT在运行轨迹和增材制造中央线的交点位置停留时间为0.1—0.5s；焊枪干伸长为10-18mm，送丝速度为8-14m/min，焊枪行走速度为10-90cm/min，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用12-25L/min。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金的电弧增材制造方法，其特征在于，进行外摆时采用三角摆动，偏离增材制造中央线的一定角度为45度。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金的电弧增材制造方法，其特征在于，进行外摆时采用三角摆动，频率选用1-5Hz，振幅选用6-8mm；CMT在振幅顶点位置停留时间为0.2—0.3s；CMT在运行轨迹和增材制造中央线的交点位置停留时间为0.2—0.3s。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金的电弧增材制造方法，其特征在于，焊枪干伸长为12—15mm，送丝速度为10-13m/min，焊枪行走速度为30-70cm/min，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用15-20L/min。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金的电弧增材制造方法，其特征在于，冷金属过渡焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一。
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