CN106392270B - 用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法 - Google Patents

用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，其包括以下步骤：采用铝合金金属丝材作为成形材料，以焊接电弧作为热源将铝合金金属丝材熔化；焊接装置在驱动器驱动下按预定成形路径运动同时在基板上堆积成形一层单道的闭合层片，之后焊接装置抬高预定高度进行下一层堆积，重复此动作，形成铝合金多层单道闭合结构件，其中，所述预定成形路径为一闭合回路，所述闭合回路上设置有至少2个起弧点；每层堆积和下一层堆积的起弧点不同，且方向相反。本发明设备简单、材料利用率可达到100％，降低生产成本、缩短生产周期；其成形零件由全焊缝金属组成，致密度高，冶金结合性能好，化学成分均匀，力学性能可达到或超过同成分铸件水平。

Description

用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法
技术领域
本发明属于快速成型领域。更具体地说，本发明涉及一种用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法。
背景技术
随着航空航天和国防军工等关键技术领域对致密金属零件的性能、精度、制造成本和制造周期的要求日趋苛刻，采用增材制造技术直接成形金属零件成为研究热点。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。目前对于铝合金产品主要采用铸造技术和机械加工方法，传统方法虽然能满足加工精度的要求，但存在机械加工难度大、工序繁琐复杂、材料利用率低、生产成本高、生产周期长等缺点。实际研制生产中有时需要对产品进行反复设计验证，产品尺寸、结构等随时需要更改，利用传统的加工方法不仅成本大幅增加，生产周期必然会严重延长。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。现有的制造组合很难满足新型产品快改形的研制生产和进度。
在快速成型领域，以电弧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、生产成本低、生产周期短、冶金结合性能好、化学成分均匀等优点，十分适合航空航天领域小批量快改形的产品研制生产。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
采用本发明提供的方法可实现薄壁舱段类铝合金产品的快速成型，可大幅降低生产成本、缩短成产周期，获得冶金结合性能好、化学成分均匀的铝合金结构件。
本发明提供一种用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，其包括以下步骤：
采用铝合金金属丝材作为成形材料，以焊接电弧作为热源将铝合金金属丝材熔化；
焊接装置在驱动器驱动下按预定成形路径运动同时在基板上堆积成形一层单道的闭合层片，之后焊接装置抬高预定高度进行下一层堆积，重复此动作，形成铝合金多层单道闭合结构件，其中，
所述预定成形路径为一闭合回路，所述闭合回路上设置有至少2个起弧点；
每层堆积和下一层堆积的起弧点不同，且方向相反。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述预定成形路径为梯形。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述驱动器的驱动方式为直线驱动或者摆动驱动。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述焊接装置的参数包括：送丝速度为6～8m/min；焊接电流为95～120A；增材速度为7～10mm/s；焊丝为的5B06铝合金焊丝；直线堆积层宽为6～8mm，摆动堆积层宽为10～12mm；单层高度为1.3～1.8mm。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述驱动器的摆动频率为3～7Hz，振幅为3～5mm，波峰停留时间为0.1～0.3s，波谷停留时间为0.1～0.3s。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气体流量为18～20L/min。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述基板为厚度为22mm的5A06铝合金板材；堆积前将所述基板进行酸洗，并将表面打磨平整并用丙酮擦拭干净。
优选的是，所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，靠近所述基板的三层堆积采用脉冲模式(以下简称C+P模式)堆积打底，其余部分选用变极性脉冲模式(以下简称C+P+A模式)堆积。
本发明提供一种用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，其包括以下步骤：采用铝合金金属丝材作为成形材料，以焊接电弧作为热源将铝合金金属丝材熔化；焊接装置在驱动器驱动下按预定成形路径运动同时在基板上堆积成形一层单道的闭合层片，之后焊接装置抬高预定高度进行下一层堆积，重复此动作，形成铝合金多层单道闭合结构件，其中，所述预定成形路径为一闭合回路，所述闭合回路上设置有至少2个起弧点；每层堆积和下一层堆积的起弧点不同，且方向相反。本发明设备简单、材料利用率可达到100％，降低生产成本、缩短生产周期；其成形零件由全焊缝金属组成，致密度高，冶金结合性能好，化学成分均匀，力学性能可达到或超过同成分铸件水平。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明提供的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法的一个实施例中的预定成形路径的示意图；
图2为本发明提供的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法的一个实施例的铝合金多层单道闭合结构件的纵向剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供一种用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，其包括以下步骤：
采用铝合金金属丝材作为成形材料，以焊接电弧作为热源将铝合金金属丝材熔化；
焊接装置在驱动器驱动下按预定成形路径运动同时在基板上堆积成形一层单道的闭合层片，之后焊接装置抬高预定高度进行下一层堆积，重复此动作，形成铝合金多层单道闭合结构件，其中，
所述预定成形路径为一闭合回路，所述闭合回路上设置有至少2个起弧点；
每层堆积和下一层堆积的起弧点不同，且方向相反。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述预定成形路径为梯形。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述驱动器的驱动方式为直线驱动或者摆动驱动。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述焊接装置的参数包括：送丝速度为6～8m/min；焊接电流为95～120A；增材速度为7～10mm/s；焊丝为的5B06铝合金焊丝；直线堆积层宽为6～8mm，摆动堆积层宽为10～12mm；单层高度为1.3～1.8mm。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述驱动器的摆动频率为3～7Hz，振幅为3～5mm，波峰停留时间为0.1～0.3s，波谷停留时间为0.1～0.3s。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气体流量为18～20L/min。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，所述基板为厚度为22mm的5A06铝合金板材；堆积前将所述基板进行酸洗，并将表面打磨平整并用丙酮擦拭干净。
所述的用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法中，靠近所述基板的三层堆积采用C+P模式堆积打底，其余部分选用C+P+A模式堆积。
如图1所示，在预定成形路径上设置4个起弧点，分别为梯形四条边的中点，其中箭头方向为堆积的方向，每层堆积完成，改变起弧点并反向运行进行下一层堆积，以此来避免堆积过程中起弧点高度累积造成成形不均匀的情况。
焊接装置为5000i型CMT焊机，驱动器为六轴机械臂，堆焊过程中可通过调整工艺参数来改变壁厚和不同壁厚之间的过度方式。
实施例1：直壁等厚5B06铝合金薄壁结构件电弧增材制造
具体实施方法为：焊接电流95A，送丝速度6m/min，堆积速度8mm/s；焊丝直径为ф1.2mm5B06铝合金；层高1.3mm,层厚1.6mm，由200层矩形件堆积形成；底部三层打底增材选用C+P模式，上部增材过程选用C+P+A模式；增材过程采用99.9％高纯氩气进行正面保护；机械臂运行方式为直线运行；起弧点为矩形四条边的中点，每完成一层增材，焊枪抬高1.3mm，改变起弧点进行下一层堆积，层与层之间的堆积方向相反，如此往复形成高260mm，宽200mm，壁厚8mm的铝合金矩形闭合结构件。
实施例2：直壁不等厚5B06铝合金结构件电弧增材制造
此结构件为上、中、下三个区域三种壁厚、两种不同壁厚过渡方式的梯形直壁结构件。如图2所示，其中底部壁厚12mm，中部壁厚8mm，上部壁厚12mm。
具体步骤为：
将经过酸洗的400mm×400mm×22mm基板打磨平整用丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气体流量为：18～20L/min，预通气时间5s；
进行底部三层的打底堆积。模式为C+P，堆积方式为摆动堆积(频率7Hz，振幅3mm，波峰停留时间0.1s，波谷停留时间0.1s)；焊接电流100A，送丝速度6.5m/min，堆积速度7mm/s。每完成一层堆积，焊枪抬高1.6mm，改变起弧点进行下一层堆积，层与层之间堆积方向相反，以此完成3层打底堆积。
打底完成后采用C+P+A模式进行下部区域增材。此区域堆积方式为摆动堆积(频率7Hz，振幅3mm，波峰停留时间0.1s，波谷停留时间0.1s)；焊接电流100A，送丝速度6.5m/min，堆积速度7mm/s。每完成一层堆积，焊枪抬高1.6mm，改变起弧点进行下一层堆积，层与层之间堆积方向相反。如此往复，完成27层下部区域堆积，高度为48mm。
将焊枪抬高1.3mm同时向内偏移1.5mm采用C+P+A模式开始进行中部区域堆积，堆积方式为直线堆积，焊接电流95A，送丝速度6m/min，堆积速度8mm/s；焊丝直径为1.2mm的5B06铝合金；层高1.3mm,层厚1.6mm；每完成一层堆积，焊枪抬高1.3mm，改变起弧点进行下一层堆积，层与层之间堆积方向相反；如此往复，完成138层中部区域堆积，高度为220.8mm。
将焊枪抬高1.6mm开始进行上部区域堆积，堆积方式与下部相同。总层数20层，高度32mm。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.用电弧增材制造铝合金多层单道闭合结构件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用铝合金金属丝材作为成形材料，以焊接电弧作为热源将铝合金金属丝材熔化；
焊接装置在驱动器驱动下按预定成形路径运动同时在基板上堆积成形一层单道的闭合层片，之后焊接装置抬高预定高度进行下一层堆积，重复此动作，形成铝合金多层单道闭合结构件，其中，
所述预定成形路径为一闭合回路，所述闭合回路上设置有至少2个起弧点；
每层堆积和下一层堆积的起弧点不同，且方向相反；
所述预定成形路径为梯形；
所述驱动器的驱动方式为摆动驱动；
所述焊接装置的参数包括：送丝速度为6～8m/min；焊接电流为95～120A；增材速度为7～10mm/s；焊丝为的5B06铝合金焊丝；摆动堆积层宽为10～12mm；单层高度为1.3～1.8mm；
所述驱动器的摆动频率为3～7Hz，振幅为3～5mm，波峰停留时间为0.1～0.3s，波谷停留时间为0.1～0.3s；
采用99.99％高纯氩气进行正面保护，气体流量为18～20L/min；
所述基板为厚度为22mm的5A06铝合金板材；堆积前将所述基板进行酸洗，并将表面打磨平整并用丙酮擦拭干净；
靠近所述基板的三层堆积采用C+P模式堆积打底，其余部分选用C+P+A模式堆积。
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