CN107096979A - 一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及堆焊修复工艺技术领域，特别是涉及一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法。该方法包括：弧焊增材再制造路径采用直线形弧焊再制造路径、单螺旋线弧焊再制造路径或双螺旋线弧焊再制造路径，通过变位机和弧焊机器人控制来实现；气体保护装置外形结构为圆弧型或圆筒型；弧焊再制造轴类件、焊枪位姿：轴类件在变位机夹持下轴向保持水平，径向平面内，焊枪与轴件的夹角为85°～95°，焊枪沿轴面水平运动；堆积率在4mm2≤P堆积≤30mm2时，直线形弧焊再制造路径、单螺旋线弧焊再制造路径或双螺旋线弧焊再制造路径下的变位机、焊枪以预设运动速度进行动作。

Description

一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法
技术领域
本发明涉及堆焊修复工艺技术领域，特别是涉及一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法。
背景技术
钛合金材料具有密度低、耐蚀性强、比强度高等优点，同时其在无磁性、超导性和储氢量等方面所表现出的优异性能，使得其在航空航天、舰船航母、深海探测、国防军工等尖端科技和关键技术领域得到了越来越广泛的应用。可用于钛及钛合金材料的连接技术主要有激光焊、电子束焊、激光－电弧复合焊接、搅拌摩擦焊、胶结、活性钎焊和软钎焊等。其中MIG焊接工艺因熔敷速度快、经济性好、易于自动化而成为重要的钛合金连接技术之一。白永红采用激光焊接工艺实现了鱼唇型薄壁蒙皮零件的焊接，并申报了发明专利“一种钛合金鱼唇型薄壁蒙皮零件的激光焊接方法和装置”(申请号：201410193405.1)。郑欣提出了采用电子束焊接的方法来实现钛合金转子组件的焊接，申报了发明专利“一种钛合金转子组件的真空电子束焊接方法(申请号：201410276152.4)，在该发明中提出了5道焊缝的焊接顺序为：先进行Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ的顺序，再进行Ⅱ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅲ→Ⅴ的顺序进行，但对搭接量未做进一步说明。除激光焊和电子束焊接之外，弧焊也是一种重要的钛合金连接技术，该技术具有熔敷速度快、经济性好、易于自动化等特点，国内外相关单位也开展了研究。美国M.W技术公司和Creare公司等对钛合金熔化极气体保护焊技术进行了研究，设计制作了气体分布管线系统来对喷嘴区域和背面保护，对弧焊工艺参数进行了优化，以120 iLT机器人、Power Wave 455R弧焊电源和Wave Designer焊接控制软件为主要组成，构建了钛合金脉冲熔化极气体保护焊实时机器人控制系统，并将该技术成果用于钛合金战斗车辆和M240机枪钛合金机匣的焊接制造。中国船舶重工集团公司第七二五研究所针对钛及钛合金大型结构件，特别是焊缝数量多、分布空间位置和复杂的薄壁板筋件焊接，开发出了钛及钛合金手工熔化极惰性气体保护焊工艺，并申报了专利《一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术》(公开号：CN101462194A)。张学军等人申请了“采用氩弧焊修复飞机钛合金滑轨凹坑的工艺方法”专利(申请号：201410192852.5)，提出通过钨极氩弧焊与喷丸强化相结合来实现对滑轨凹坑的修复。上述研究主要是围绕新品制造和点状损伤开展的。
轴类件的磨损失效是钛合金零部件磨损失效的重要形式。轴类件的常见损伤主要有线形磨损和面状磨损，其中线形磨损又可分为直线、曲线磨损，直线磨损主要沿轴向分布，曲线磨损主要沿径向分布，面状磨损可分为弧型和圆周型曲面磨损。与板类钛合金零件的磨损修复相比，钛合金轴类件的磨损成形再制造对气体保护装置、保护气体控制、弧焊再制造路径规划、搭接量等要求更为特殊和苛刻，而现有的MIG弧焊技术难以满足需要。存在的主要问题是：(1)针对钛合金轴类件MIG弧焊再制造，缺乏合理、高效的气体保护装置；(2)弧焊过程中保护气体如何调控尚未解决；(3)针对不同类型的轴面损伤如何进行弧焊再制造路径规划；(4)如何在不同成形再制造路径规划下快速确定焊枪运动速度、变位机角速度。
发明内容
本发明针对钛合金轴类件的磨损修复问题，提供了一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，其目的是能够针对轴类钛合金件的线形、曲面磨损，快速确定焊枪运动速度、变位机旋转角速度、气体保护装置类型和保护气供送时间，解决了轴类钛合金磨损件弧焊增材再制造过程中的再制造路径规划、焊枪和变位机速度确定、气体保护等难题，增强了轴类钛合金件MIG弧焊增材再制造的气体保护效果，提高了几何尺寸精度控制和组织均匀性，缩短了再制造周期，节约了修复材料，实现了钛合金轴类件磨损的高效增材再制造。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，包括：
弧焊增材再制造路径采用直线形弧焊再制造路径、单螺旋线弧焊再制造路径或双螺旋线弧焊再制造路径，通过变位机和弧焊机器人控制来实现；
气体保护装置外形结构为圆弧型或圆筒型；
弧焊再制造轴类件、焊枪位姿：轴类件在变位机夹持下轴向保持水平，径向平面内，焊枪与轴件的夹角为85°～95°，焊枪沿轴面水平运动；
圆弧型气体保护双微区下的保护气体供送方式：提前5s～10s开始供送气体，尔后再进行起弧；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，气体继续供送15s～35s；
圆筒型气体保护双微区下的保护气体供送方式：提前30s～45s开始供送气体，尔后再进行起弧；熄弧后变位机、焊枪保持位姿不变情况下，气体继续供送10s～20s；
堆积率在4mm2≤P堆积≤30mm2时，直线形弧焊再制造路径、单螺旋线弧焊再制造路径或双螺旋线弧焊再制造路径下的变位机、焊枪以预设运动速度进行动作。
优选的，所述直线形弧焊再制造路径适用于直线型磨损，所述单螺旋线弧焊再制造路径、所述双螺旋线弧焊再制造路径适用于曲线型、曲面磨损和圆周面磨损。
优选的，所述的圆弧型气体保护双微区结构适用于直线型磨损和劣弧型曲线、曲面磨损，所述的圆筒型气体保护双微区结构适用于优弧型曲线、曲面和圆周面磨损。
优选的，堆积率在4mm2≤P堆积≤30mm2范围内，对于直线型磨损，保持变位机不动，焊枪沿轴向运动速度为8mm/s～15mm/s；对于曲线形磨损，弧焊再制造运动合速度为8mm/s～15mm/s；对于优弧型曲面、圆周面磨损，采用单螺旋线再制造路径时，变位机旋转角速度ω取值范围为(0.14～1)，焊枪平移速度为(0.95～1.05)(0.33ω+r2V丝 2/100ωR2)mm/s；采用双螺旋再制造路径时，变位机旋转角速度ω取值范围为(0.14～1)，焊枪平移速度为(0.95～1.05)(0.66ω+r2V丝 2/50ωR2)mm/s。
本发明针对轴类钛合金件表面的磨损失效问题而提供了一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，本发明的益处在于：(1)简单、快捷、可操作性强，在给定工艺范围内，只需根据零件直径、焊丝直径、送丝速度等参数，就可快速确定变位机回转速度、焊枪平移速度和保护气体供送时间等修复工艺；(2)能够缩短成形再制造时间，节约修复材料，减小热堆积，提高再制造成形精度和轴类件的机械性能。
附图说明
图1是圆弧型气体保护双微区结构示意图；
图2是圆筒型气体保护双微区结构前视图；
图3是圆筒型气体保护双微区结构府视图；
图4是圆筒型气体保护双微区结构左视图；
图5是焊枪与焊缝夹角示意图；
图6是单螺旋线弧焊再制造路径示意图；
图7是双螺旋线弧焊再制造路径示意图。
具体实施方式
本发明的一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，包括：弧焊增材再制造路径采用直线、单螺旋线或双螺旋线轨迹，通过变位机和弧焊机器人控制来实现，具体而言，直线轨迹适用于直线型磨损，单螺旋线、双螺旋线适用于曲线型、弧型曲面磨损和圆周面磨损；
气体保护双微区外形结构为圆弧型或圆筒型。请参看图1，图1是圆弧型气体保护双微区结构示意图。
圆弧型双微区气体保护结构的用途是及时将焊接区域与外界空气隔离，并保证整个焊接过程中熔池和焊缝区域都能够进行有效密闭，由熔池微区和焊缝微区组成，熔池微区由流经焊枪12的保护气体构成，焊缝微区由流经刚性本体10的保护气体构成，圆弧型气体保护双微区结构外形为圆弧型腔状，圆弧型腔内径略大于待修复轴面半径，焊枪12置于圆弧型腔背面一侧，圆弧型腔外表面设有保护气进气口14，内表面设置有5～7列直径1.mm～3.0mm的小孔，圆弧型腔结构由刚性本体10和柔性副体11组成，中间部分为刚性本体10，采用不锈钢或铝、铜等金属材料制成，刚性本体10为中空结构，内层均匀布设由分为内外两层，内层布设有均匀排列的气孔13，伸出部分为柔性副体，采用耐高温的柔性材料制成，柔性材料有利于实现其与轴类磨损件表面的紧密贴合，有效防止外界气体进入，进而实现气体保护。
请参看图2‐图4，图2‐‐图4分别为圆筒型气体保护双微区结构的前视图、俯视和左视示意图。
圆筒型气体保护双微区结构前视图的用途是及时将焊接区域与外界空气隔离，并保证整个焊接过程中熔池和焊缝区域都能够进行有效密闭，其外形为圆筒型腔状，圆筒型腔内径略大于待修复轴面半径，焊枪置于圆筒型腔背面一侧，圆筒型腔外表面设有保护气输入口22，内表面均匀设置有直径1mm～3mm小孔，圆筒型腔结构由刚性本体20和柔性副体21组成，圆筒为中空结构，刚性本体20包括本体内层201和本体外层202，本体内层201设有均匀排列的气孔23，圆筒首尾两端为柔性副体20，圆筒型气体保护双微区结构所用材料与圆弧型气体保护双微区结构相同。
气体保护双微区外形结构为圆弧型或圆筒型；圆弧型气体保护双微区结构适用于直线形磨损和劣弧型曲线、曲面磨损，圆筒型气体保护双微区结构适用于优弧型曲线、曲面和圆周面磨损；圆弧型气体保护双微区结构适用于直线型磨损和磨损曲线或曲面所对应的轴心角相对较小的劣弧型曲线、曲面磨损，该型保护结构对轴类件直径要求较小，具有较宽的适用范围；圆筒型气体保护双微区结构府视图适用于磨损曲线或曲面所对应的轴心角较大的优弧型曲线、曲面和圆周面磨损，此时圆弧型保护结构无法保障焊缝冷却过程中得到有效保护，极易受到空气“污染”，因此采用圆筒型保护结构。
弧焊再制造轴类件、焊枪位姿：轴类件25在变位机夹持下轴向保持水平，径向平面内，焊枪与轴件的夹角为85°～95°，焊枪24沿轴面水平运动；轴类件25轴向保持水平和径向平面内焊枪24与轴类件25的夹角控制在85°～95°，能够有效避免熔滴流淌，有利于控制熔滴凝固时形态，图5为焊枪与焊缝夹角示意图。
圆弧型气体保护双微区结构下的保护气体供送方式：提前5s～10s开始供送气体，尔后再进行起弧；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，继续供送气体15s～35s；提前5s～10s开始气体供送，是为了排出圆弧型气体保护微区内的原有空气，并将保护气体充盈在保护微区内，对焊接过程起到保护；熄弧后继续供送气体15s～35s，保证了焊缝在冷却过程中能得到保护，避免被外界气体“污染”。
圆筒型气体保护双微区结构下的保护气体供送方式：提前30s～45s开始供送气体，尔后再进行起弧；熄弧后变位机、焊枪保持位姿不变情况下，继续供送气体10s～20s；提前30s～45s开始供送气体，尔后再进行起弧，是为了将圆筒内的空气排出，并将保护气体充盈在圆筒内，对焊接过程起到保护；熄弧后继续供送气体10s～20s，保证了焊缝在冷却过程中能得到保护，避免被外界气体“污染”。
本发明的一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，堆积率在4mm2≤P堆积≤30mm2范围内，对于直线型磨损，保持变位机不动，焊枪沿轴向运动速度(V焊)为8mm/s～15mm/s；对于曲线形磨损，弧焊再制造运动合速度为8mm/s～15mm/s；对于优弧型曲面、圆周面磨损，采用单螺旋线修复路径时，变位机旋转角速度(ω)取值范围为(0.14～1)，焊枪平移速度为(0.95～1.05)[0.33ω+r2V丝 2/(100ωR2)]mm/s，图6是单螺旋线弧焊再制造路径示意图，A为单螺旋线；采用双螺旋修复路径时，变位机旋转角速度(ω)取值范围为(0.14～1)，焊枪平移速度(V焊)为(0.95～1.05)[0.66ω+r2V丝 2/(50ωR2)]mm/s，图7是双螺旋线弧焊再制造路径示意图，B为第一螺旋线，C为第二螺旋线。进行焊接修复时，所需的焊丝材料为钛及钛合金，焊丝半径(r)为0.4mm～0.6mm，送丝速度(V丝)为108mm/s～200mm/s，适用的轴类件半径(R)为20mm～80mm，变位机回转角速度(ω)为0.14～1.0，采用脉冲式一体化调节，焊接操作采用焊接工业机器人，单位时间、单位长度上的焊接修复堆积量(mm2)采用堆积率(P堆积)来表示，对于其计算如下：
P堆积＝V堆积/V焊＝πr2V送丝/V焊
直线型、劣弧型曲面磨损：P堆积＝V堆积/V焊＝πr2V送丝/V焊
优弧型曲线、曲面、圆周型磨损：P堆积＝V堆积/V焊＝πr2V送丝/V焊＝πr2V送丝/(ωR)
其中：
P堆积――单位时间、单位长度上的焊接修复堆积量(mm2)；
V堆积――单位时间内的焊接修复堆积量(mm3/s)；
r――焊丝半径(mm)；
V送丝――送丝速度(mm/s)；
V焊――焊接速度(mm/s)。
ω――变位机回转速度；
R――轴类件半径。
通过采取以上的技术方案，本发明具有的有益效果是：
本发明正是针对轴类钛合金件表面的磨损失效问题而提供了一种轴类钛合金件的弧焊增材再制造方法，本发明的益处在于：(1)简单、快捷、可操作性强，在给定工艺范围内，只需根据零件直径、焊丝直径、送丝速度等参数，就可快速确定变位机回转速度、焊枪平移速度和保护气体供送时间等修复工艺；(2)能够缩短成形再制造时间，节约修复材料，减小热堆积，提高再制造成形精度和轴类件的机械性能。
实施例1
使用发明的钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，进行轴类钛合金件磨损(轴件半径30mm、直线型磨损沿轴向长度35mm，磨损宽度1.5mm～2.3mm、磨损深度0.8mm～1.3mm)的修复，弧焊机器人采用IRB2400弧焊机器人，最大载荷16kg，采用圆弧型气体保护结构，轴件在变位机夹持下保持轴向水平，焊枪沿轴向运动速度为8mm/s；焊枪在弧焊机器人控制下与轴件夹角成85°，焊丝采用TC4焊丝，直径0.8mm，选择送丝速度108mm/s，此时堆积率为6.78mm2，弧焊修复保护气体供送控制：起弧前5s时开始气体供送；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，保护气体继续供送15s。
与传统焊接修复相比，热输入量低，焊接修复成形性好，修复表面较为平整、差值不大于0.4mm，组织致密、夹杂少、缺陷少，堆积余量小，所需后加工时间短。
实施例2
使用发明的钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，进行轴类钛合金件磨损的修复，轴件半径40mm、曲线型磨损沿轴面长度280mm，磨损宽度1.7mm～2.5mm、磨损深度1.1mm～1.4mm，此磨损属于优弧型曲线磨损，弧焊机器人采用IRB2400弧焊机器人，最大载荷16kg，采用圆筒型气体保护结构，焊丝采用TC4焊丝，直径1.0mm，选择送丝速度150mm/s，根据磨损曲线特点选择再制造成形速度10mm/s，此时堆积率为11.78mm2，焊枪在弧焊机器人控制下与轴件夹角成90°，弧焊修复保护气体供送控制：起弧前15s时开始气体供送；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，保护气体继续供送35s。
大部分修复焊缝呈亮白色、无暗灰色，无驼峰、咬边出现，热影响区窄，焊缝熔宽变化小于0.5mm，余高变化小于0.2mm。
实施例3
使用发明的钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，进行轴类钛合金件磨损的修复，轴件半径50mm、磨损曲面尺寸：100mm(轴向长度)×230mm(轴面宽度)，磨损深度0.7mm～1.2mm，此磨损属于优弧型曲面磨损，弧焊机器人采用IRB2400弧焊机器人，最大载荷16kg，采用圆筒型气体保护结构，焊丝采用TC4焊丝，直径1.2mm，选择送丝速度180mm/s，变位机旋转角速度选择0.5，此时堆积率为8.14mm2，采用单螺旋线修复路径时，焊枪平移速度根据(0.95～1.05)[0.33ω+r2V丝2/(100ωR2)]mm/s计算，得出0.26mm/s～0.28mm/s，选择0.27mm/s，焊枪在弧焊机器人控制下与轴件夹角成90°，弧焊修复保护气体供送控制：起弧前45s时开始气体供送；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，保护气体继续供送15s。
无需试焊即可快速确定焊枪平移速度，简单、高效，修复表面呈银白色，表面凹凸变化小，不大于0.5mm，修复层组织为网篮状组织，修复轴面表面光滑，后续加工量小。
实施例4
使用发明的钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，进行轴类钛合金件磨损的修复，轴件半径50mm、磨损曲面尺寸：100mm(轴向长度)×230mm(轴面宽度)，磨损深度0.7mm～1.2mm，此磨损属于优弧型曲面磨损，弧焊机器人采用IRB2400弧焊机器人，最大载荷16kg，采用圆筒型气体保护结构，焊丝采用TC4焊丝，直径0.8mm，选择送丝速度120mm/s，变位机旋转角速度ω选择0.25，此时堆积率为4.82mm2，采用双螺旋线修复路径时，焊枪平移速度根据(0.95～1.05)[0.66ω+r2V丝 2/(50ωR2)]mm/s计算得出0.23mm/s～0.25mm/s，选择0.24mm/s，焊枪在弧焊机器人控制下与轴件夹角成95°，弧焊修复保护气体供送控制：起弧前40s时开始气体供送；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，保护气体继续供送10s。
无需试焊即可快速确定焊枪平移速度，快捷、方便、可操作性强，修复表面主体呈银白色、个别位置呈瓦蓝色，表面凹凸变化不大于0.4mm，微观组织致密，无气孔、夹渣，修复层组织为网篮状组织，近似仿形修复，后续加工量小。
实施例5
使用发明的钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，进行轴类钛合金件磨损的修复，轴件半径30mm、整个圆周面出现磨损，磨损长度80mm、磨损深度0.5mm～1.1mm，此磨损属于圆轴面磨损，弧焊机器人采用IRB2400弧焊机器人，最大载荷16kg，采用圆筒型气体保护结构，焊丝采用TC4焊丝，直径1.0mm，选择送丝速度170mm/s，变位机旋转角速度选择1.0，此时堆积率为4.45mm2，采用单螺旋线修复路径时，焊枪平移速度根据(0.95～1.05)[0.33ω+(r2V丝 2/100ωR2)]mm/s计算，得出0.406mm/s～0.414mm/s，选择0.41mm/s，焊枪在弧焊机器人控制下与轴件夹角成85°，弧焊修复保护气体供送控制：起弧前35s时开始气体供送，熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，保护气体继续供送10s。
无需试焊和焊接经验，通过选择变位机旋转角速度和焊接堆积率，即可得出焊枪平移速度，方便、快捷，整个修复轴面呈光亮银白色，表明焊接、冷却过程无外界气体“污染”，组织致密、均匀性好，整个修复面高度差值小，热影响区窄，缺陷少。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (4)

1.一种钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，其特征在于包括：
弧焊增材再制造路径采用直线形弧焊再制造路径、单螺旋线弧焊再制造路径或双螺旋线弧焊再制造路径，通过变位机和弧焊机器人控制来实现；
气体保护装置外形结构为圆弧型或圆筒型；
弧焊再制造轴类件、焊枪位姿：轴类件在变位机夹持下轴向保持水平，径向平面内，焊枪与轴件的夹角为85°～95°，焊枪沿轴面水平运动；
圆弧型气体保护双微区结构下的保护气体供送方式：提前5s～10s开始供送气体，尔后再进行起弧；熄弧后保持焊枪位姿不变情况下，气体继续供送15s～35s；
圆筒型气体保护双微区结构下的保护气体供送方式：提前30s～45s开始供送气体，尔后再进行起弧；熄弧后变位机、焊枪保持位姿不变情况下，气体继续供送10s～20s；
堆积率在4mm2≤P堆积≤30mm2时，直线形弧焊再制造路径、单螺旋线弧焊再制造路径或双螺旋线弧焊再制造路径下的变位机、焊枪以预设运动速度进行动作。
2.根据权利要求1所述钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，其特征在于：所述直线形弧焊再制造路径适用于直线型磨损，所述单螺旋线弧焊再制造路径、所述双螺旋线弧焊再制造路径适用于曲线型、曲面磨损和圆周面磨损。
3.根据权利要求1所述钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，其特征在于：所述的圆弧型气体保护双微区结构适用于直线型磨损和劣弧型曲线、曲面磨损，所述的圆筒型气体保护双微区结构适用于优弧型曲线、曲面和圆周面磨损。
4.根据权利要求1所述钛合金轴类磨损件的弧焊增材再制造方法，其特征在于：堆积率在4mm2≤P堆积≤30mm2范围内，对于直线型磨损，保持变位机不动，焊枪沿轴向运动速度为8mm/s～15mm/s；对于曲线形磨损，弧焊再制造运动合速度为8mm/s～15mm/s；对于优弧型曲面、圆周面磨损，采用单螺旋线再制造路径时，变位机旋转角速度ω取值范围为(0.14～1)，焊枪平移速度为(0.95～1.05)(0.33ω+r2V丝 2/100ωR2)mm/s；采用双螺旋再制造路径时，变位机旋转角速度ω取值范围为(0.14～1)，焊枪平移速度为(0.95～1.05)(0.66ω+r2V丝 2/50ωR2)mm/s。
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