CN110480125A - 一种cmt—超声振动复合增材制造方法 - Google Patents

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胡绳荪
田银宝
申俊琦
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Abstract

本发明公开一种CMT—超声振动复合增材制造方法，在CMT电弧增材制造的同时在基板上进行超声振动。施加超声振动后，可获得具有细小均匀的非枝晶组织的构件。由于超声振动的空化作用和声流效应，凝固前对熔池施加超声，产生大量微泡核心，这些微泡核心保留下来而成为形核核心，使凝固组织得到细化；凝固过程中，由于超声作用，枝晶出现断裂，导致了细小均匀组织的形成，从而有效提高构件的力学性能。

Description

一种CMT—超声振动复合增材制造方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造领域，更加具体地说，尤其涉及一种CMT-超声振动复合增材制造的方法。
背景技术
冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)技术是奥地利福尼斯公司在钢与铝焊接、无飞溅引弧技术以及微连接技术基础之上开发成功的一种低热输入量焊接工艺。CMT技术的创新之处在于将熔滴过渡与送丝过程相结合，实现了焊接过程无飞溅；由于对熔滴过渡过程的有效控制，在降低焊接热输入的同时可以实现金属构件电弧增材制造的成形控制。增材制造(additive manufacturing,AM)技术是通过采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的切削加工技术，是一种自下而上材料累加的制造方法。但是，利用CMT焊接技术进行金属构件电弧增材制造时，构件的组织一般较为疏松，特别是铝/镁合金成形构件中还会形成较多的气孔，不仅会降低成形构件的有效承载面积，同时也易引起应力集中，从而降低金属增材制造构件的使用性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种CMT-超声振动复合增材制造的方法，使用CMT与超声振动复合加工的方法，在实现金属构件电弧增材制造的同时，构件组织被细化，同时减少CMT电弧增材制造过程中构件的气孔数量，改善构件组织粗大及疏松程度，从而提高增材制造构件的致密度。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种CMT—超声振动复合增材制造方法，在CMT增材制造过程中，在基板上进行超声振动(即超声冲击)，以确保增材制造过程中，均有超声振动作用于基板。
而且，基板为铝合金6061、镁合金AZ31或者钛合金TA15。
而且，CMT焊丝为ER4043，焊丝选用采用直流冷金属过渡技术(cold metaltransfer,CMT)进行铝合金电弧增材制造。
而且，利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，CMT冷金属过渡焊采用铝合金程序，平均电流为80—90A，平均电压为20—25V，送丝速度为4—6m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
而且，超声振动作用于基板的位置，距离CMT增材制造的构件80—100mm，将超声频率调为20—40kHz，振幅为20—35μm，在堆焊(即增材制造)前超声振动开启，堆焊结束后关闭超声振动，确保堆焊过程中，均有超声振动作用于基板。
而且，将超声冲击枪随着CMT焊枪一起运动且位于CMT焊枪之后(即超声冲击随焊CMT且位于CMT焊枪之后)，随焊过程中超声冲击始终作用于基板，产生对CMT增材制造的超声作用。
而且，超声冲击枪采用多排多针冲击头进行超声振动。
而且，超声冲击和CMT复合增材制造在提高增材制造构件力学性能中的应用(如硬度)。
本发明CMT-超声振动复合增材制造的方法，即在CMT电弧增材制造的同时在基板上进行超声振动。施加超声振动后，可获得具有细小均匀的非枝晶组织的构件。由于超声振动的空化作用和声流效应，凝固前对熔池施加超声，产生大量微泡核心，这些微泡核心保留下来而成为形核核心，使凝固组织得到细化；凝固过程中，由于超声作用，枝晶出现断裂，导致了细小均匀组织的形成，从而有效提高构件的力学性能。
附图说明
图1为本发明CMT-超声振动复合增材制造示意图。
图2为利用本发明技术方案增材制造的构件照片。
图3为利用本发明技术方案增材制造的构件和单纯CMT增材制造的构件的金相组织照片，其中(a)未超声振动；(b)超声振动形貌。
图4为利用本发明技术方案增材制造的构件和单纯CMT增材制造的构件的硬度测试曲线图。
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试验基板为铝合金6061，基板尺寸为300×150×4mm，焊丝选用ER4043。采用直流冷金属过渡技术(cold metal transfer,CMT)进行铝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。
表1材料成分表
试验前用钢丝刷将铝合金基板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊范围内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；设定焊接参数，平均电流为85A，平均电压为20V，送丝速度为4.5m/min，焊枪总体行走速度为30cm/s，气体流量为20L/min，利用CMT铝合金一元化程序(AlSi5)进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配。
选择天津天东恒科技发展有限公司生产的超声冲击机(枪，详见中国专利2013102016550或者200610014768X)提供超声冲击(即超声振动)，如附图1所示，超声振动作用于基板的位置，距离CMT增材制造的构件80mm，将超声频率调为20kHz，振幅为30μm，在堆焊(即增材制造)前超声振动开启，堆焊结束后关闭超声振动，确保堆焊过程中，均有超声振动作用于基板；同时采用上述CMT参数进行增材制备。按照上述的方法完成CMT-超声振动复合增材制造后，将单独CMT电弧增材制造的试样和CMT+超声振动复合增材制造的试样通过线切割将其切下，进行对比。通过打磨抛光后，在扫描电镜下观看试件横截面的组织，通过硬度计测量构件硬度分布。
将单独CMT电弧增材制造的试样和CMT+超声振动复合增材制造的试样通过线切割将其切下，对已CMT+超声振动复合增材制造与完全没有超声振动的CMT电弧增材制造的显微组织以及硬度进行对比，如附图3和4所示，由于超声振动的空化作用和声流效应，凝固前对熔池施加超声，产生大量微泡核心，这些微泡核心保留下来而成为形核核心，使凝固组织得到细化；凝固过程中，由于超声作用，枝晶出现断裂，导致了细小均匀组织的形成，从而有效提高构件的力学性能(即硬度)。
采用相同的CMT工艺参数，将超声冲击枪随着CMT焊枪一起运动且位于CMT焊枪之后(即超声冲击随焊CMT且位于CMT焊枪之后)，由于随焊过程中超声冲击始终作用于基板，产生对CMT增材制造的超声作用，导致细小均匀组织的形成，有效提高增材制造构件的力学性能。
采用相同的CMT工艺参数，将超声冲击枪随着CMT焊枪一起运动(即超声冲击随焊CMT)，更换超声冲击枪为多排多针冲击头进行超声振动，由于随焊过程中超声冲击始终作用于基板，产生对CMT增材制造的超声作用，导致细小均匀组织的形成，有效提高增材制造构件的力学性能。
更换镁合金AZ31和钛合金TA15作为金属电弧增材制造实验基板，采用与上述铝合金相同的试验尺寸、参数和设备进行实验，得到结果与上述实验结果基本相同，即超声冲击和CMT复合增材制造在提高增材制造构件力学性能中的应用(如硬度)。
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)

1.一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，在CMT增材制造过程中，在基板上进行超声振动，以确保增材制造过程中，均有超声振动作用于基板。
2.根据权利要求1所述的一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，基板为铝合金6061、镁合金AZ31或者钛合金TA15，CMT焊丝为ER4043。
3.根据权利要求1所述的一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造。
4.根据权利要求1或者3所述的一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，CMT冷金属过渡焊采用铝合金程序，平均电流为80—90A，平均电压为20—25V，送丝速度为4—6m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
5.根据权利要求1所述的一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，超声振动作用于基板的位置，距离CMT增材制造的构件80—100mm，将超声频率调为20—40kHz，振幅为20—35μm。
6.根据权利要求1所述的一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，将超声冲击枪随着CMT焊枪一起运动且位于CMT焊枪之后，随焊过程中超声冲击始终作用于基板，产生对CMT增材制造的超声作用，超声频率调为20—40kHz，振幅为20—35μm。
7.根据权利要求1或者5或者6所述的一种CMT—超声振动复合增材制造方法，其特征在于，采用多排多针冲击头进行超声振动。
8.超声冲击和CMT复合增材制造在提高增材制造构件力学性能中的应用。
9.根据权利要求8所述的超声冲击和CMT复合增材制造在提高增材制造构件力学性能中的应用，其特征在于，在CMT电弧增材制造的同时在基板上进行超声振动，施加超声振动后，由于超声振动的空化作用和声流效应，凝固前对熔池施加超声，产生大量微泡核心，这些微泡核心保留下来而成为形核核心，使凝固组织得到细化；凝固过程中，由于超声作用，枝晶出现断裂，导致了细小均匀组织的形成，从而有效提高构件的力学性能。
10.根据权利要求8所述的超声冲击和CMT复合增材制造在提高增材制造构件力学性能中的应用，其特征在于，力学性能为硬度。
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