CN110369830A - 冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法及其在提升钛合金硬度中的应用 - Google Patents

冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法及其在提升钛合金硬度中的应用 Download PDF

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    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons

Abstract

本发明公开冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法及其在提升钛合金硬度中的应用，在每一道钛合金焊接结束后，旋即使用超声冲击进行处理，使内部晶粒在凝固过程中破碎，可起到细化晶粒的目的，提高了钛合金增材构件的维氏硬度。

Description

冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法及其在提升钛 合金硬度中的应用
技术领域
本发明属于加工制备技术领域，更加具体地说，涉及利用冷金属过渡(cold metaltransfer,CMT)焊接复合(+)全方位超声冲击处理(ultrasonic peening treatment,UPT)的方法进行钛合金的增材制造，从而提高钛合金沉积零件的维氏硬度。
背景技术
钛合金在航空航天、武器装备、船舶制造和汽车工业有广泛的应用前景。但是对于复杂的TC4钛合金结构零件，采用传统的加工技术存在工艺复杂、材料利用率低、成本高等缺点，而增材制造技术可以实现难加工材料和复杂零件的快速成形制造。增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术属于一种自下而上的制造方法，通过计算机辅助设计(computer aided design,CAD)的数据利用材料逐层累积的方法制造实体零件。冷金属过渡焊接技术(Cold metal transfer,CMT)是一种无飞溅的新型焊接工艺技术。采用CMT 进行钛合金电弧增材制造的同时引入超声冲击处理(ultrasonic peening treatment,UPT)工艺改善钛合金综合性能，研究其组织和性能，具有重要的实际意义。硬度是评价材料机械性能的重要因素之一。提高钛合金的硬度，可以使其在航空航天等领域具有更广阔的应用前景。因此，有必要提高钛合金的硬度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法及其在提升钛合金硬度中的应用，采用全方位UPT的方法，在实现钛合金构件CMT电弧增材制造的同时，提供一种提高钛合金维氏硬度的增材制造方法。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，使用冷金属过渡焊对钛合金进行增材制备(即钛合金堆焊)，在每一道焊缝焊接后旋即在焊缝凝固成型之前对焊缝进行超声冲击处理，超声冲击设备的输出端始终垂直于焊缝表面(即UPT设备的输出端位于焊缝表面的法线方向)，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧(即从焊缝的横截面来看，超声冲击的位置在焊缝的顶端和两侧)，如附图2所示，即一个垂直向下方向和两个水平方向。
在上述技术方案中，对每一道焊缝的超声冲击采用焊缝的顶端和两侧同时进行超声冲击的方式。
在上述技术方案中，对每一道焊缝的超声冲击采用先对焊缝顶端进行超声冲击，再先后对焊缝两侧进行超声冲击。
在上述技术方案中，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧，选择适当超声冲击设备的输出端，以对已成形的焊缝表面(即增材制备形成的钛合金构件表面)完全进行冲击。
在上述技术方案中，超声冲击处理时，频率为10—30kHz，输出功率为1000—1500W，输出振幅为100±5μm，优选频率为20—30kHz，输出功率为1200—1500W，输出振幅为100±5μm。
在上述技术方案中，超声冲击在每一道焊缝焊接后旋即在焊缝凝固成型之前进行，无论是分步还是同时进行超声冲击，超声冲击施加全过程在收弧后2min内完成，控制速度为300mm-700mm/min。
在上述技术方案中，在焊缝顶端垂直施加超声冲击时，使超声冲击设备在自重作用下对焊缝表面进行冲击处理，在焊缝两侧水平施加超声冲击时，使用超声冲击设备对焊缝表面施加作用力，作用力与在焊缝顶端垂直施加超声冲击时作用力相同(即超声冲击设备的自重)。
在上述技术方案中，选择钛合金进行增材制造或者堆焊，钛合金基板和钛合金焊丝均为钛合金TC4。
在上述技术方案中，冷金属过渡焊采用钛合金程序，峰值电流为130—150A，平均电流为70—80A，平均电压为13—18V，送丝速度为5—7m/min，焊枪总体行走速度为 0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
按照上述的方法完成UPT焊后处理后，将钛合金CMT增材制造的试样和钛合金 CMT+UPT增材制造的试样通过线切割将其切下，进行对比。通过打磨抛光和腐蚀后，在SEM下观看试件组织形貌并用Nano Measurer软件统计晶粒的尺寸，由于UPT作用，试件内部晶粒被打碎，晶粒变得均匀且细小。同时施加UPT后，试样的维氏硬度得到提高。
对CMT钛合金增材制造后的钛合金沉积零件(即钛合金堆焊构件)，采用UPT进行焊后处理，由于超声冲击处理时，焊缝(即钛合金堆焊构件)内部尚未完全凝固，UPT 部分作用能量传导至CMT焊接的液态熔池中，可以减少残余应力，细化晶粒，钛合金堆焊构件表面无明显塑性变形。钛合金在逐层累加的过程中，内部晶粒会沿着散热方向生长，容易形成柱状晶。在本发明的增材制造过程中，在每一道焊后(即每一层增材制造护着堆焊后)均施加超声冲击，利用超声波冲击金属构件表面，使内部晶粒在凝固过程中破碎，可起到细化晶粒的目的，提高了钛合金增材构件的维氏硬度，即本发明的增材制造方法在提高了钛合金增材构件的维氏硬度中的应用。
附图说明
图1为本发明使用的LM-30型超声设备实物图。
图2为本发明的CMT施加UPT的增材制造过程示意图。
图3为利用本发明技术方案的CMT+UPT钛合金增材制造零件实物图。
图4为钛合金CMT增材制造零件与CMT+UPT增材制造零件横截面SEM形貌，其中(a)为钛合金CMT增材沉积零件(b)为钛合金CMT+UPT增材沉积零件。
图5为钛合金CMT增材制造零件与CMT+UPT增材制造零件的晶粒尺寸统计，其中(a)为钛合金CMT增材沉积零件晶粒尺寸分布(b)为钛合金CMT+UPT增材沉积零件晶粒尺寸分布。
图6为钛合金CMT增材制造零件与CMT+UPT增材制造零件的维氏硬度分布曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
本发明涉及的金属电弧增材制造实验基板为钛合金TC4，基板尺寸为200×50×4mm3，焊丝选用直径为1.2mm的TC4焊丝。采用钛合金程序，冷金属过渡技术进行钛合金电弧增材制造试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced 4000型焊机。
实验用焊丝(Ti-6Al-4V)和基板(Ti-6Al-4V)具体化学成分如下表所示。
表1焊丝和基板的化学成分(wt％)
其主要实现步骤如下：
1试验前用不锈钢丝刷将钛合金基板上的氧化膜去除，直到露出银白色的金属光泽，用酒精将施焊处表面的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；
2设定焊接参数，送丝速度为7m/min，焊枪总体行走速度为0.3m/min，气体流量为20L/min，峰值电流为130A，平均电流为70A，平均电压为13V；
3在CMT焊接完一道焊缝后，立即用LM-30超声(如附图1所示)设备对已成形的钛合金试件施加UPT，在冲击处理中要掌握处理速度，控制速度为300mm-700mm/min。 UPT的作用位置和施加顺序如附图2所示，采用多排多针冲击头冲击焊缝表面，冲击过程枪头垂直于接头表面，分步进行对焊缝顶端和两侧进行超声冲击。如附图3所示，钛合金沉积了零件层与层之间形成较好的冶金结合，已成形表面被完全冲击，焊道表面无明显塑性变形。UPT生产商：济南利美机电科技有限公司，换能器类型：压电陶瓷，冲击枪重量：3.0Kg，电压：AC 220V50HZ，冷却方式：风冷，可最大连续工作时间：18h-24h。
4为了获得良好的处理效果，对焊缝重复进行上述处理2次。
将钛合金CMT增材制造的试样和钛合金CMT+UPT增材制造的试样(两者的CMT 采用相同工艺)通过线切割将其切下，进行对比，包括：(1)钛合金CMT增材沉积零件和钛合金CMT+UPT增材沉积零件横截面SEM形貌。如附图4所示。(2)钛合金CMT 增材沉积零件和钛合金CMT+UPT增材沉积零件晶粒尺寸对比。如附图5所示，由于UPT 作用，试件晶粒尺寸明显减小。
5.维氏硬度试验
维氏硬度试验在MMU-5G维氏硬度试验机上进行。本实验参数为：500gf载荷，保持时间为15S。如附图6所示，钛合金CMT+UPT增材沉积零件的维氏硬度明显高于钛合金CMT增材沉积零件。
本发明采用同时对焊缝顶端和两侧施加UP的方案，所得到的显微组织、晶粒尺寸和维氏硬度与上述实验结果基本相同。在两种施加超声冲击处理的方案中根据发明内容进行工艺参数的调整，均可实现钛合金的增材制造，且均表现出优于单纯CMT处理的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，使用冷金属过渡焊对钛合金进行增材制备，在每一道焊缝焊接后旋即在焊缝凝固成型之前对焊缝进行超声冲击处理，超声冲击设备的输出端始终垂直于焊缝表面，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧。
2.根据权利要求1所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，对每一道焊缝的超声冲击采用焊缝的顶端和两侧同时进行超声冲击的方式。
3.根据权利要求1所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，对每一道焊缝的超声冲击采用先对焊缝顶端进行超声冲击，再先后对焊缝两侧进行超声冲击。
4.根据权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧，选择适当超声冲击设备的输出端，以对已成形的焊缝表面完全进行冲击。
5.根据权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，超声冲击处理时，频率为10—30kHz，输出功率为1000—1500W，输出振幅为100±5μm，优选频率为20—30kHz，输出功率为1200—1500W，输出振幅为100±5μm。
6.根据权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，超声冲击在每一道焊缝焊接后旋即在焊缝凝固成型之前进行，超声冲击施加全过程在收弧后2min内完成，控制速度为300mm-700mm/min。
7.根据权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，在焊缝顶端垂直施加超声冲击时，使超声冲击设备在自重作用下对焊缝表面进行冲击处理，在焊缝两侧水平施加超声冲击时，使用超声冲击设备对焊缝表面施加作用力，作用力与在焊缝顶端垂直施加超声冲击时作用力相同。
8.根据权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，冷金属过渡焊采用钛合金程序，峰值电流为130—150A，平均电流为70—80A，平均电压为13—18V，送丝速度为5—7m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
9.根据权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法，其特征在于，选择钛合金进行增材制造，钛合金基板和钛合金焊丝均为钛合金TC4。
10.如权利要求1或者2或者3所述的冷金属过渡焊接复合超声冲击的增材制造方法在提高钛合金增材构件的维氏硬度中的应用。
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