CN102962547B - 一种钛合金结构件电弧增材制造方法 - Google Patents

一种钛合金结构件电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其采用电弧送丝增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由若干层环形件叠加形成钛合金结构件。本发明焊接成形件的晶粒尺寸细小均匀，机械性能好，能够达到或超过同成分铸件的水平，产品研制周期短、加工效率高。

Description

一种钛合金结构件电弧增材制造方法
技术领域
本发明属于快速成形技术领域，具体涉及一种钛合金结构件的电弧增材制造方法。
背景技术
目前对于钛合金结构件主要采用铸造技术和机械加工方法，传统方法虽然能满足产品加工精度的要求，但存在机械加工难度大、工序繁多复杂、材料利用率低、生产成本高、生产周期长等缺点。同时，由于铸造零件中存在较多宏观缺陷以及成分偏析，直接影响到机加、焊接等后续加工工序。现有的制造工艺组合难以满足新型产品快速研制以及批量生产的进度要求。
电弧送丝增材制造技术（Wire+Arc Additive Manufacture-WAAM）是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔化，在计算机的控制下直接制造全密度三维金属零件的工艺方法，十分适合钛合金结构件的快速成形。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金结构件的电弧增材制造方法，其不需专用工、模具，效率高。
实现本发明目的的技术方案：一种钛合金结构件电弧增材制造方法，所述的钛合金结构件的截面为环形，该钛合金结构件由若干层环形件堆焊形成；采用电弧送丝增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由若干层环形件叠加形成钛合金结构件；焊接时相邻环形焊道采用相反的施焊方向，上层环形件的焊接起弧点为下层环形件的焊接起弧点旋转30~90°后所得。
如上所述的一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其所述的焊接电流为250~350A，送丝速度为4~6mm/s，焊丝为φ1~φ3mm的Ti6Al4V或Ti5A12.5Sn，焊缝宽度为1.5~3mm。
如上所述的一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其包括如下步骤：
（1）在基材上选取起弧点，开始第一层第一道圆环的焊接；
（2）完成第一层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1~2mm，开始第一层第二道圆环的焊接，第一层第二道圆环的焊接方向与第一层第一道圆环的焊接方向相反，焊缝间搭接0.4~0.8mm；
（3）完成第一层第二道圆环焊接后，重复步骤（2），再完成若干道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由这些道圆环组成第一层环形件，然后进行收弧；
（4）将焊枪的高度升高1~2mm，焊枪运动30~90°，在第一层环形件上选取起弧点，开始第二层第一道圆环的焊接，第二层第一道圆环的焊接方向与下面第一层环形件相应道圆环的焊接方向相反；
（5）完成第二层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1~2mm，开始第二层第二道圆环的焊接，第二层第二道圆环的焊接方向与第二层第一道圆环的焊接方向相反，焊缝间搭接0.4~0.8mm；
（6）完成第二层第二道圆环焊接后，重复步骤（5），再完成若干道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由这些道圆环组成第二层环形件，然后进行收弧；
（7）重复步骤（4）至步骤（6），再完成若干层环形件焊接，最终由若干层环形件组成钛合金结构件；
上述步骤（1）至步骤（7）所述的焊接均为堆焊，电弧送丝增材制造，送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，电流为250~350A，送丝速度为4~6mm/s，焊丝为φ1~φ3mm的Ti6Al4V或Ti5Al2.5Sn，焊缝宽度为1.5~3mm。
如上所述的一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其由100~300若干层环形件组成钛合金结构件。
如上所述的一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其所述的基材为Q235碳钢。
本发明的效果在于：本发明采用电弧增材制造方法对钛合金结构件进行成形，可以取得良好的成形质量，具有下列优点：
（1）焊接成形结构件的化学成分均匀，纯度高，而且几乎无各向异性；
（2）焊接成形件的晶粒尺寸细小均匀，机械性能好，能够达到或超过同成分铸件的水平；
（3）焊接丝材利用率高，接近100%；
（4）可以实现零件制造的数字化、智能化和并行化；
（5）相比传统加工技术工序显著减少，同时省去了设计、加工模具的时间和费用，使产品研制周期短、加工效率高。
附图说明
图1为本发明所述的钛合金结构件焊接扫描路径示意图；
图2为本发明所述的电弧增材制造钛合金结构件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种钛合金结构件电弧增材制造方法作进一步描述。
实施例1
如图2所示，钛合金结构件高度为200mm，壁厚20mm，由200层环形件堆焊形成，每层环形件的高度为1mm。其采用本发明所述的钛合金结构件电弧增材方法制造。具体为：
采用电弧增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由200层环形件叠加形成钛合金结构件。
焊接时相邻环形焊道采用相反的施焊方向，上层环形件的焊接起弧点为下层环形件的焊接起弧点旋转90°后所得。焊接电流为300A，送丝速度为5mm/s，焊丝为φ1.5mm的Ti6Al4V，焊缝宽度为2mm。
实施例2
如图2所示，钛合金结构件高度为200mm，壁厚20mm，由200层环形件堆焊形成，每层环形件的高度为1mm。其采用本发明所述的钛合金结构件电弧增材方法制造，如图1所示，具体步骤为：
（1）在Q235碳钢基材上选取起弧点，开始第一层第一道圆环的顺时针焊接；
（2）完成第一层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1.4mm，开始第一层第二道圆环的逆时针焊接，焊缝间搭接0.6mm；
（3）完成第一层第二道圆环焊接后，重复步骤（2），再完成另外13道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由共15道圆环组成第一层环形件，然后进行收弧；
（4）将焊枪的高度升高1mm，焊枪运动90°，在第一层环形件上选取起弧点，开始第二层第一道圆环的逆时针焊接；
（5）完成第二层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1.4mm，开始第二层第二道圆环的顺时针焊接，焊缝间搭接0.6mm；
（6）完成第二层第二道圆环焊接后，重复步骤（5），再完成另外13道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由15道圆环组成第二层环形件，然后进行收弧；
（7）重复步骤（4）至步骤（6），再完成其余层环形件焊接，最终形成钛合金结构件。
上述步骤（1）至步骤（7）所述的焊接均为堆焊，电弧送丝增材制造，送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，电流为300A，送丝速度为5mm/s，焊丝为φ1.5mm Ti5Al2.5Sn，焊缝宽度为2mm。
焊接平台：MOTOMAN HP20焊接机器人及旋转控制台；电极高度：10mm，电极角度：55°；保护气体：采用高纯氩气作为保护气体，保护气流量为10L/min；焊接电源:采用FroniusTPS4000型焊接电源，预通气时间为5秒。
实施例3
钛合金结构件高度为100mm，壁厚15mm，由50层环形件堆焊形成，每层环形件的高度为2mm。其采用本发明所述的钛合金结构件电弧增材方法制造，如图1所示，具体步骤为：
（1）在Q235碳钢基材上选取起弧点，开始第一层第一道圆环的逆时针焊接；
（2）完成第一层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1mm，开始第一层第二道圆环的顺时针焊接，焊缝间搭接0.5mm；
（3）完成第一层第二道圆环焊接后，重复步骤（2），再完成另外13道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由共15道圆环组成第一层环形件，然后进行收弧；
（4）将焊枪的高度升高2mm，焊枪运动60°，在第一层环形件上选取起弧点，开始第二层第一道圆环的顺时针焊接；
（5）完成第二层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1mm，开始第二层第二道圆环的逆时针焊接，焊缝间搭接0.5mm；
（6）完成第二层第二道圆环焊接后，重复步骤（5），再完成另外13道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由15道圆环组成第二层环形件，然后进行收弧；
（7）重复步骤（4）至步骤（6），再完成其余层环形件焊接，最终形成钛合金结构件。
上述步骤（1）至步骤（7）所述的焊接均为堆焊，电弧送丝增材，送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，电流为250A，送丝速度为4mm/s，焊丝为φ1mm的Ti6Al4V，焊缝宽度为1.5mm。
实施例4
钛合金结构件高度为300mm，壁厚25mm，由150层环形件堆焊形成，每层环形件的高度为2mm。其采用本发明所述的钛合金结构件电弧增材方法制造，如图1所示，具体步骤为：
（1）在Q235碳钢基材上选取起弧点，开始第一层第一道圆环的焊接；
（2）完成第一层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动2mm，开始第一层第二道圆环的焊接，第一层第二道圆环的焊接方向与第一层第一道圆环的焊接方向相反，焊缝间搭接1mm；
（3）完成第一层第二道圆环焊接后，重复步骤（2），再完成另外11道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由这些道圆环组成第一层环形件，然后进行收弧；
（4）将焊枪的高度升高2mm，焊枪运动30°，在第一层环形件上选取起弧点，开始第二层第一道圆环的焊接，第二层第一道圆环的焊接方向与下面的第一层环形件的相应道圆环的焊接方向相反；
（5）完成第二层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动2mm，开始第二层第二道圆环的焊接，第二层第二道圆环的焊接方向与第二层第一道圆环的焊接方向相反，焊缝间搭接1mm；
（6）完成第二层第二道圆环焊接后，重复步骤（5），再完成另外11道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由13道圆环组成第二层环形件，然后进行收弧；
（7）重复步骤（4）至步骤（6），再完成其余层环形件焊接，最终形成钛合金结构件。
上述步骤（1）至步骤（7）所述的焊接均为堆焊，电弧送丝增材，送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，电流为350A，送丝速度为6mm/s，焊丝为φ3mm的Ti5Al2.5Sn，焊缝宽度为3mm。

Claims (2)

1.一种钛合金结构件电弧增材制造方法，所述的钛合金结构件的截面为环形，其特征在于：该钛合金结构件由100～300层环形件堆焊形成；
采用电弧送丝增材制造方法进行每层环形件焊接，即送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，由内至外的环形焊道间依次搭接形成一层环形件；然后焊枪提高一个层厚，重复上述焊接方式再形成另一层环形件，如此往复，最终由若干层环形件叠加形成钛合金结构件；
焊接时相邻环形焊道采用相反的施焊方向，上层环形件的焊接起弧点为下层环形件的焊接起弧点旋转30～90°后所得；
该方法具体包括如下步骤：
(1)在基材上选取起弧点，开始第一层第一道圆环的焊接；
(2)完成第一层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1～2mm，开始第一层第二道圆环的焊接，第一层第二道圆环的焊接方向与第一层第一道圆环的焊接方向相反，焊缝间搭接0.4～0.8mm；
(3)完成第一层第二道圆环焊接后，重复步骤(2)，再完成若干道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由这些道圆环组成第一层环形件，然后进行收弧；
(4)将焊枪的高度升高1～2mm，焊枪运动30～90°，在第一层环形件上选取起弧点，开始第二层第一道圆环的焊接，第二层第一道圆环的焊接方向与下面的第一层环形件的相应道圆环的焊接方向相反；
(5)完成第二层第一道圆环焊接后，焊枪向圆环外侧移动1～2mm，开始第二层第二道圆环的焊接，第二层第二道圆环的焊接方向与第二层第一道圆环的焊接方向相反，焊缝间搭接0.4～0.8mm；
(6)完成第二层第二道圆环焊接后，重复步骤(5)，再完成若干道圆环焊接，同层相邻道圆环焊接采用相反方向；由这些道圆环组成第二层环形件，然后进行收弧；
(7)重复步骤(4)至步骤(6)，再完成若干层环形件焊接，最终由若干层环形件组成钛合金结构件；
上述步骤(1)至步骤(7)所述的焊接均为堆焊，电弧送丝增材制造，送丝装置送焊丝，焊枪熔化焊丝进行焊接，电流为250～350A，送丝速度为4～6mm/s，焊丝为Ф1～Ф3mm的Ti6Al4V或Ti5Al2.5Sn，焊缝宽度为1.5～3mm。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其特征在于：所述的基材为Q235碳钢。
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