CN106735802A - 一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法。该方法采用焊机提供热源，机械臂与变位机配合规划路径的方式，整个过程均在保护室内进行。底部三层采用较成形电流大20A～60A左右的焊接电流打底；上部采用成形电流堆积实体。每层所有道次的起弧点相位差为0°，相邻层的起弧点相位差为90°，每四层为一个单元，相邻单元的变位机旋转方向相反，如此往复，最终成形得到钛合金筒形结构件，通过参数调整可成形各种壁厚钛合金筒形结构件，以满足具体的尺寸需求。本发明所提出的等离子弧增材制造钛合金筒形结构件力学性能良好，表面粗糙度小，生产周期短，解决了传统加工方法的长周期问题，也有效地降低了生产成本。

Description

一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法。
背景技术
钛合金有着比强度高、抗蚀性能优异、可工作温度区间大等优点，所以广泛应用于航空航天等领域。
传统的钛合金结构件加工方法主要有铸造、模锻和机械加工等。由于钛合金有着较高的化学活性，在铸造过程中容易产生气孔等缺陷；高的比强度则需要大型水压机进行模锻，同时模具的设计周期长，整体设备投资和运行成本巨大，无疑提高了生产成本，也无法满足现代工业快速制造的需求；钛合金低的热导率给大加工量的机械加工带来了难题，同时，对于价格昂贵的钛合金材料而言，材料利用率过低也成为一大问题。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、结构等也随时需要更改，传统的加工方法不仅有着较长的生产周期，成本也大幅增加。现有的制造技术很难满足短周期低成本的生产需求。
随着航空航天、轨道交通等重要领域对金属结构件的性能、精度、生产周期和生产成本的要求日趋苛刻，采用增材制造技术直接成形金属零件成为研究热点。
在增材制造领域，以电弧热为热源、丝材为原材料的的电弧增材制造技术具有设备投资少、材料利用率高、生产成本低、生产周期短、冶金结合性能好、综合性能优异等优点，十分适合航空航天等领域小批量、多品种产品的快速、低成本研制生产。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，采用本方法可实现各种壁厚钛合金筒形结构件的快速近净成型，成形结构件力学性能优良，远超铸件并可达锻件水平，且大幅地降低了生产成本、缩短了生产周期。
本发明的技术方案为：一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，所述钛合金筒形结构件由等离子弧增材制造系统3D打印形成；步骤如下：
1)选择成形特定结构件所需要的焊丝，确定成形特定结构件所需要的工作参数，包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、焊枪偏移量、单道焊缝宽度和焊缝高度；
2)将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
3)将需要的工具及配件放在平台上，搭建气体保护室并充入氩气直至氧浓度降至要求的范围内再进行结构件的增材，具体过程为：根据步骤1)确定的参数，底部三层采用比成形电流大20～60A的焊接电流打底；上部采用成形电流堆积结构件实体，每层所有道次的起弧点相位差为0°，相邻层的起弧点相位差为90°，每四层为一个单元，相邻单元的变位机旋转方向相反，通过控制焊枪偏移量，实现各道次之间良好搭接与圆滑过渡，保证道间熔合和整体成形良好；如此往复直至达到高度方向尺寸要求，最终成形得到钛合金筒形结构件。
所述基板选用厚度为20-50mm的TA15钛合金板材。
所述焊丝采用直径为0.8mm或1.2mm或1.6mm的TA15钛合金焊丝；所述的送丝速度为(1～3)m/min；焊接电流为(70～300)A；焊接速度为(1～4)mm/s；单道焊缝的宽度(5～10)mm，高度(0.8～1.5)mm。
步骤3)中氧浓度应降至0.3％以下。
做完每层的一道后，焊枪偏移一定的偏移量再完成外道的堆积以实现道间的良好搭接，焊枪偏移量选取为单道焊缝的宽度减去2～5mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明所提出的钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，与铸造和机加等传统方法相比，其优点在于：设备投资少、材料利用率高(接近于100％)，降低生产成本、缩短生产周期；整个过程保护良好，成形零件由全焊缝组织组成，致密度高，冶金结合性能好，化学成分均匀，力学性能超过铸件，与锻件水平相当。
附图说明
图1为本发明所述钛合金筒形结构件剖面示意图；
图2为本发明所述等离子弧增材过程示意图；其中2a为第一单元示意图，2b为第二单元示意图。
具体实施方式
下文通过实例对本发明的具体方法进行阐述：
实例：15mm厚TA15钛合金筒形结构件等离子弧增材制造
具体实施方法为：如图1所示，要求制造的钛合金筒形结构件壁厚15mm，内径290mm，考虑采用双道成形。采用的原材料为ф1.2mm TA15钛合金焊丝，先通过试验摸索得到一组合适的成形工艺参数：焊接电流170A、送丝速度1.8m/min、焊接速度2mm/s，此组工艺参数下，单道焊缝宽度8mm，高度0.9mm，焊枪偏移量为5mm，能够保证道间熔合和整体成形良好；将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；将需要的工具及配件放在平台上合适的位置，试运行程序无误后，搭建保护室并充入氩气直至氧浓度降至要求的范围内再进行结构件的增材；底部三层采用较成形电流大(20～60)A左右的焊接电流打底；打底完成后，上部采用成形电流堆积结构件实体，如图2a、2b所示，每层所有道次的起弧点相位差为0°，每四层为一个单元，相邻层的起弧点相位差为90°，相邻单元的变位机旋转方向相反，第1-4层变位机顺时针旋转，第5-8层变位机逆时针旋转，如此往复直至达到高度方向尺寸要求，最终成形得到钛合金筒形结构件。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，所述钛合金筒形结构件由等离子弧增材制造系统3D打印形成；其特征在于步骤如下：
1)选择成形特定结构件所需要的焊丝，确定成形特定结构件所需要的工作参数，包括送丝速度、焊接电流、焊接速度、焊枪偏移量、单道焊缝宽度和焊缝高度；
2)将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
3)将需要的工具及配件放在平台上，搭建气体保护室并充入氩气直至氧浓度降至要求的范围内再进行结构件的增材，具体过程为：根据步骤1)确定的参数，底部三层采用比成形电流大20～60A的焊接电流打底；上部采用成形电流堆积结构件实体，每层所有道次的起弧点相位差为0°，相邻层的起弧点相位差为90°，每四层为一个单元，相邻单元的变位机旋转方向相反，通过控制焊枪偏移量，实现各道次之间良好搭接与圆滑过渡，保证道间熔合和整体成形良好；如此往复直至达到高度方向尺寸要求，最终成形得到钛合金筒形结构件。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述基板选用厚度为20-50mm的TA15钛合金板材。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述焊丝采用直径为0.8mm或1.2mm或1.6mm的TA15钛合金焊丝；所述的送丝速度为(1～3)m/min；焊接电流为(70～300)A；焊接速度为(1～4)mm/s；单道焊缝的宽度(5～10)mm，高度(0.8～1.5)mm。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，其特征在于：步骤3)中氧浓度应降至0.3％以下。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金筒形结构件等离子弧增材制造方法，其特征在于：做完每层的一道后，焊枪偏移一定的偏移量再完成外道的堆积以实现道间的良好搭接，焊枪偏移量选取为单道焊缝的宽度减去2～5mm。
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