CN110091035A - 一种高熵合金增材制造装置及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高熵合金增材技术领域，具体公开一种高熵合金增材制造装置及增材制造方法。所述高熵合金增材制造装置，包括：焊丝夹具，用于固定两根焊丝，两根所述焊丝在同一平面，且两根所述焊丝的轴线相交；交流电源，设有两个输出端，且两个所述输出端分别与一根所述焊丝的导电嘴连接；两个送丝机，分别与一根所述焊丝相接，且位于所述焊丝上靠近所述导电嘴的一端，用于使焊丝沿轴向送进。本发明改变了传统高熵合金增材制造模式，可以制造出结构复杂的高熵合金；制备过程中利用了交流双丝间接电弧焊，实现了传热、传质的解耦控制，在提高了熔敷率的同时热输入也被控制在一定的范围内，更加高效节能。

Description

一种高熵合金增材制造装置及增材制造方法

技术领域

本发明涉及高熵合金增材技术领域，尤其涉及一种高熵合金增材制造装置及增材制造方法。

背景技术

高熵合金是一种高混合熵单相固溶体合金，由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金，高熵合金的抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好，由于高熵合金具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上相当受到重视。传统高熵合金的制造方法大多是由真空熔铸或冶金烧结制成，但这些方法工艺复杂，不仅需要好几道工艺步骤，而且由于传统制造工艺的限制，能制备试样的几何形状十分简单，在生产小批量形状复杂的工件时成本较大。

在现代加工制造业和工业生产过程中，焊接技术已经成为一种重要的加工工艺，随着焊接技术的发展，新型的焊接技术更加高效、优质、低耗，足以制造一些以前电弧增材不适合制造的合金。近年来推出了大量的新型焊接工艺，例如：Tandem焊、CMT焊、多丝并联焊、Cold arc焊等等，虽然焊接热输入和焊接效率得到了提高，但是依旧没有从根本上改变传统的电弧模式：电弧的能量一部分用来熔化焊丝形成熔滴过渡到工件上，一部分在工件上产生很多热量，但工件产热量远大于用于熔化焊丝的热量，工件的产热就成为一种能量的浪费，这种能量增加了材料性能的变化，而且此方法的热输入一点都不低于传统的堆焊方式，这就会导致最后堆焊出来成品的力学性能受损甚至产生热变形。且传统的高熵合金制造成型后会对合金进行大量减材而满足使用要求，部分材料去除率达到80％以上，造成材料去除率高，成型率低的缺陷。

发明内容

针对现有高熵合金增材制造方法复杂、材料去除率高、成型率低，焊接过程不能改变传统的电弧模式造成的能量浪费及材料性能改变等问题，本发明提供一种高熵合金增材制造装置及增材制造方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种高熵合金增材制造装置，包括：

焊丝夹具，用于固定两根焊丝，两根所述焊丝在同一平面，且两根所述焊丝的轴线相交；

交流电源，设有两个输出端，且两个所述输出端分别与一根所述焊丝的导电嘴连接；

两个送丝机，分别与一根所述焊丝相接，且位于所述焊丝上靠近所述导电嘴的一端，用于使焊丝沿轴向送进。相对于现有技术，本发明提供的高熵合金增材制造装置改变了传统的电弧制造模式，其结构和使用方法简单，利用交流电的极性转换作用，在两根焊丝之间形成间接电弧，使焊丝交替熔滴过渡，增材制造成型率高，可实现高熵合金复杂零部件的大批量增材制造，且制造成本低，节约材料，从根本上解决了传质传热耦合的问题，使得高熵合金在增材制造的过程中，即使堆焊效率大幅增加但合金的热输入却几乎没有增加，这样在合金就不会出现热应力和热变形也提高了能量的利用率。

优选的，所述焊丝夹具包括直线滑轨和两个可沿所述直线滑轨移动的滑块，所述滑块通过与所述滑块固定连接的焊枪来固定所述焊丝。

本发明的焊丝夹具采用直线滑轨加可固定焊枪的改装滑块，使得焊丝距离和角度调节方式简单、调节范围大、安装位置灵活，且直线滑轨可以很好的保证两根焊丝在移动后始终一个平面上，改装后的滑块可以使焊丝角度在0～180°之间任意调节。

优选地，所述交流电源为变极性焊接电源；所述交流电源输出电流为正的输出端连接的所述焊丝为阳极焊丝，所述交流电源输出电流为负的输出端连接的所述焊丝为阴极焊丝。

优选地，两根所述焊丝的轴线夹角为5-90°，且两根所述焊丝在同一平面内对称设置。

如果焊丝的夹角过小会导致焊接时出现短路的情况，电弧不仅在焊丝尖端形成而且也会在两焊丝的上部行成，不利于电弧的稳定；如果焊丝夹角过大电弧电流波动会增大，导致熔滴过渡不稳定，工件的成型质量不好，而5-90°的焊丝夹角范围可在焊丝间形成稳定的电弧，保证熔滴过渡的稳定性；另一方面，在不改变送丝速度的情况下，可以通过调整两根焊丝的夹角大小来调整焊接速度，操作简单，施工方便。

优选地，两根所述焊丝轴线的相交点位于被焊高熵合金基材的上方。

优选地，两根所述焊丝中的一根为多元高铬铸铁合金药芯焊丝，直径为1.8mm，焊丝干伸长为18mm，使用的保护气体为Ar，气体流量为15～20L/min，焊丝中各成分的含量如下表：

成分

高碳铬铁

碳化金属铬

电解铬粉

高碳锰铁

钛铁

其他

含量

30～80％

15～45％

5～10％

2～8％

2～10％

0～20％

另一根为多元硼化物药芯焊丝，直径为1.6mm，焊丝干伸长为18mm，使用的保护气体为Ar，气体流量为15～20L/min，焊丝中各成分的含量如下表：

成分

高碳铬铁

氮化钛

氮化硼

硼化钛

碳化硼

其他

含量

6～45％

3～20％

3～20％

3～20％

3～20％

0～20％

优选地，所述送丝机上设有与焊丝接触的U型凹槽。

其中，送丝机上的U型凹槽最大限度的保证其与焊丝的接触面积，可有效保证焊丝对送丝速度响应及时。

本发明还提供所述高熵合金增材制造装置的增材制造方法。该制造方法，至少包括以下步骤：

a、打开交流电源，在两根焊丝之间形成间接电弧，检测阳极焊丝的熔化速度Va和阴极焊丝的熔化速度Vc，设置送丝机的焊丝送进速度V＝(Va+Vc)/2；

b、当阳极焊丝到达两根焊丝交点时，电流电极交换，两根焊丝极性转换，阴极焊丝变为阳极焊丝，沿送丝方向送进，阳极焊丝变为阴极焊丝，沿送丝方向抽回；将待焊接高熵合金基材放置在两根所述焊丝交点的正下方，并按照设定的焊接轨迹进行移动，移动速度v与焊接电流I的关系为：

其中，Q为线输入，适用范围为800J/cm～2000J/cm；η为焊接热效率值；U为焊接电压；

c、通过焊丝熔滴过渡对高熵合金基材增材至设定形状时，完成高熵合金的增材制造过程；

其中，所述阳极焊丝为所述交流电源输出电流为正的输出端连接的所述焊丝，所述阴极焊丝为所述交流电源输出电流为负的输出端连接的所述焊丝。

相对于现有技术，本发明提供的高熵合金增材制造方法，将相同的两根焊丝以一定的夹角由两台送丝机分别送进，并在两根焊丝之间建立间接电弧，利用间接电弧的能量熔化送进的焊丝，设置两根焊丝同速送进，且送丝速度介于阴极焊丝熔化速度和阳极焊丝熔化速度之间，由于阳极焊丝熔化速度Va小于阴极焊丝熔化速度Vc，作为阳极焊丝会送进，作为阴极焊丝会回抽，当阳极焊丝到达两根焊丝交点时，电流电极交换，两根焊丝极性转换，阴极焊丝变为阳极，沿送丝方向送进，而阳极焊丝变为阴极，沿送丝方向抽回，最终呈现的状态为，两根焊丝交替过渡，交替形式的熔滴过渡有利于焊缝的成型性，使得精度得到提高，减少了后期精加工的难度。

本发明的增材制造形成第一层高熵合金后，下一层在成型时电弧会对上一层的合金进行加热，这相当于一个热处理的过程，这样在适当的在参数下，所形成的高熵合金是无需再进行热处理的，实现了传热、传质的解耦控制，在提高了熔敷率的同时热输入也被控制在一定的范围内。同时该方法使电弧的大部分热量用于熔化焊丝而不是基材，降低能量耗费，其成型效率相比传统方法提高一倍以上，且传统的高熵合金制造成型后会对合金进行大量减材而满足使用要求，部分材料去除率可达到80％以上，而本制造方法几乎是净成型，材料去除率低于5％，具有节能、高效、制作成本低的特点。

优选地，所述电流为方波波形，电流幅值为100-200A。

其中，输出的电流为方波波形，可保证两根焊丝的在电流的半个周期内，熔滴过程匀速进行，方便设置焊丝的送丝速度，保证焊接质量；电流幅值设置为100-200A，该电流大小可保证焊丝熔滴过程不会过快或者过慢，最大限度提高高熵合金增材制造的效率。

附图说明

图1是本发明实施例高熵合金增材制造装置的结构示意图；

图2是本发明实施例高熵合金增材制造装置中焊丝夹具的结构示意图；

图3是本发明实施例高熵合金增材制造装置中电流周期与两根焊丝对应位置的关系图；

图4是本发明实施例高熵合金增材制造装置中非对称熔滴过渡的电流周期与两根焊丝对应位置的关系图；

其中，1、交流电源，2、焊丝，3、送丝机，4、焊丝夹具，4-1、直线滑轨，4-2、滑块，5、高熵合金基材。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，一种高熵合金增材制造装置，包括：

焊丝夹具4，用于固定两根焊丝2，两根所述焊丝2在同一平面，且两根所述焊丝2的轴线相交；

交流电源1，设有两个输出端，且两个所述输出端分别与一根所述焊丝2的导电嘴连接；

两个送丝机3，分别与一根所述焊丝2相接，且位于所述焊丝2上靠近所述导电嘴的一端，用于使焊丝2沿轴向送进。

如图2所示，作为本发明的一个具体实施例，所述焊丝夹具4包括直线滑轨4-1和两个可沿所述直线滑轨4-1移动的滑块4-2，所述滑块4-2通过与所述滑块4-2固定连接的焊枪来固定焊丝2。

采用直线滑轨4-1加可固定焊枪的改装滑块4-2，使得焊丝2的距离和角度调节方式简单、调节范围大、安装位置灵活，且直线滑轨4-1可以很好的保证两根焊丝2在移动后始终一个平面上，改装后的滑块4-2可以使两根焊丝2的角度在0～180°之间任意调节。

作为本发明的一个具体实施例，交流电源1使用变极性焊接电源，电源输出电流为正的输出端连接的焊丝2为阳极焊丝，电源输出电流为负的输出端连接的焊丝2为阴极焊丝，因采用的电源为交流电源1，所以两根焊丝2的极性在不断交替改变；两根焊丝2在同一平面内对称设置，且两根焊丝2之间的轴线夹角为5-90°。

5-90°的焊丝2夹角范围可在焊丝2间形成稳定的电弧，保证熔滴过渡的稳定性；另一方面，在不改变送丝速度的情况下，可以通过调整两根焊丝2的夹角大小来调整焊接速度，操作简单，施工方便。如果焊丝2的夹角过小会导致焊接时出现短路的情况，电弧不仅在焊丝2尖端形成而且也会在两根焊丝2的上部行成，不利于电弧的稳定；如果焊丝2夹角过大电弧电流波动会增大，导致熔滴过渡不稳定，工件的成型质量不好。因此本发明中采用5-90°的焊丝夹角最符合施工要求。

作为本发明的一种具体实施方式，两根焊丝2的其中一根焊丝2为多元高铬铸铁合金药芯焊丝，直径为1.8mm，焊丝2干伸长为18mm，使用的保护气体为Ar，气体流量为15-20L/min，焊丝2中各成分的含量如下表：

成分

高碳铬铁

碳化金属铬

电解铬粉

高碳锰铁

钛铁

其他

含量

50％

30％

8％

6％

5％

1％

另一跟焊丝2为多元硼化物药芯焊丝，直径为1.6mm，焊丝2干伸长为18mm，使用的保护气体为Ar，气体流量为15～20L/min，焊丝2中各成分的含量如下表：

成分

高碳铬铁

氮化钛

氮化硼

硼化钛

碳化硼

其他

含量

6～45％

3～20％

3～20％

3～20％

3～20％

0～20％

作为本发明的一种具体实施方式，所述送丝机3上设有与焊丝2接触的U型凹槽，最大限度的保证其与焊丝2的接触面积，可有效保证焊丝2对送丝速度响应及时。

利用上述高熵合金增材制造装置进行高熵合金增材制造的方法，具体包括以下步骤：

a、装置准备：调节两根焊丝2处于同一平面，两根焊丝2夹角为30-90°，并确定两根焊丝2轴线方向末端相交于一点；

b、熔滴过渡：打开变极性焊接电源，输出的电流为方波波形，电流幅值设置为100-200A，在两根焊丝2之间形成间接电弧，检测阳极焊丝的熔化速度Va和阴极焊丝的熔化速度Vc，设置送丝机3的焊丝2送进速度V＝(Va+Vc)/2，由于阳极焊丝熔化速度Va小于阴极焊丝熔化速度Vc，作为阳极焊丝会送进，作为阴极焊丝会回抽，当阳极焊丝到达两根焊丝2交点时，电流电极交换，两根焊丝2极性转换，阴极焊丝变为阳极，沿送丝方向送进，而阳极焊丝变为阴极，沿送丝方向抽回，最终呈现的状态为，两根焊丝2交替过渡，电源输出的电流周期与两根焊丝2对应位置的具体关系如图3所示；

c、增材制造：当阳极焊丝到达两根焊丝2交点时，电流电极交换，两根焊丝2极性转换，阴极焊丝变为阳极焊丝，沿送丝方向送进，阳极焊丝变为阴极焊丝，沿送丝方向抽回；将待焊接高熵合金基材5放置在两根所述焊丝交点的正下方，并按照设定的焊接轨迹进行移动，移动速度v与焊接电流I的关系为：

其中，Q为线输入，适用范围为800J/cm～2000J/cm；η为焊接热效率值；U为焊接电压；

d、通过焊丝2熔滴过渡对高熵合金基材5增材至设定形状时，完成高熵合金的增材制造过程；

其中，所述阳极焊丝为所述交流电源1输出电流为正的输出端连接的所述焊丝2，所述阴极焊丝为所述交流电源1输出电流为负的输出端连接的所述焊丝2。

作为本发明的一种具体实施方式，若两根焊丝2为非对称熔滴过渡，即两根焊丝2的熔滴速度不同，则需要调节两个送丝机3的送丝速度与焊丝2的熔滴速度对应，如图4所示，取电流的一个周期T进行分析：

设右侧焊丝的熔化长度为n，左侧的熔化长度为m；设其峰值电流Ⅰ₁、Ⅰ₂和前后半个周期的时间T₁、T₂；V_a1、V_a2、V_c1、V_c2表示在Ⅰ₁、Ⅰ₂的电流大小下，阳极和阴极的焊丝标定融化速度；Z为T₂:T₁的值；V_左、V_右表示左侧和右侧焊丝的送丝速度，

V_c＝CV_a…(5)

V_a1＝XV_a2…(6)

联立(1)～(6)可以得到左右两根焊丝2的送丝速度分别为：

这样，在需要调节两根焊丝2的送丝速度来达到高熵合金增材制造过程中的不同的成分要求时就可以根据上面的公式自行设计电流波形以满足实际需要。

利用上述高熵合金的增材制造装置进行的增材制造方法，成型效率相比传统方法提高2.5倍，材料去除率为1.2％，具有节能、高效、成型率高、制作成本低的特点。

利用上述高熵合金的增材制造装置进行的增材制造方法，成型效率相比传统方法提高2.1倍，材料去除率为0.9％，具有节能、高效、成型率高、制作成本低的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高熵合金增材制造装置，其特征在于：包括：

焊丝夹具，用于固定两根焊丝，两根所述焊丝在同一平面，且两根所述焊丝的轴线相交；

交流电源，设有两个输出端，且两个所述输出端分别与一根所述焊丝的导电嘴连接；

两个送丝机，分别与一根所述焊丝相接，且位于所述焊丝上靠近所述导电嘴的一端，用于使焊丝沿轴向送进。

2.如权利要求1所述的高熵合金增材制造装置，其特征在于：所述焊丝夹具包括直线滑轨和两个可沿所述直线滑轨移动的滑块，所述滑块通过与所述滑块固定连接的焊枪来固定所述焊丝。

3.如权利要求1所述的高熵合金增材制造装置，其特征在于：所述交流电源为变极性焊接电源；所述交流电源输出电流为正的输出端连接的所述焊丝为阳极焊丝，所述交流电源输出电流为负的输出端连接的所述焊丝为阴极焊丝。

4.如权利要求1所述的高熵合金增材制造装置，其特征在于：两根所述焊丝的轴线夹角为5-90°，且两根所述焊丝在同一平面内对称设置。

5.如权利要求1所述的高熵合金增材制造装置，其特征在于：两根所述焊丝轴线的相交点位于被焊高熵合金基材的上方。

6.如权利要求1所述的高熵合金增材制造装置，其特征在于：两根所述焊丝中的一根为多元高铬铸铁合金药芯焊丝，直径为1.8mm，焊丝干伸长为18mm；另一根为多元硼化物药芯焊丝，直径为1.6mm，焊丝干伸长为18mm。

7.如权利要求1所述的高熵合金增材制造装置，其特征在于：所述送丝机上设有与焊丝接触的U型凹槽。

8.利用权利要求1-7任一项所述的高熵合金增材制造装置进行增材制造的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、打开交流电源，在两根焊丝之间形成间接电弧，检测阳极焊丝的熔化速度Va和阴极焊丝的熔化速度Vc，设置送丝机的焊丝送进速度V＝(Va+Vc)/2；

b、当阳极焊丝到达两根焊丝交点时，电流电极交换，两根焊丝极性转换，阴极焊丝变为阳极焊丝，沿送丝方向送进，阳极焊丝变为阴极焊丝，沿送丝方向抽回；将待焊接高熵合金基材放置在两根所述焊丝交点的正下方，并按照设定的焊接轨迹进行移动；

c、通过焊丝熔滴过渡对高熵合金基材增材至设定形状时，完成高熵合金的增材制造过程；

其中，所述阳极焊丝为所述交流电源输出电流为正的输出端连接的所述焊丝，所述阴极焊丝为所述交流电源输出电流为负的输出端连接的所述焊丝。

9.如权利要求8所述的高熵合金增材制造方法，其特征在于：所述电流为方波波形，电流幅值为100-200A。