CN110484843B - 一种改善增材制造晶粒尺寸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，在CMT增材制造中进行超声振动，并对已经成形的构件表面进行超声冲击处理，以使构件表面发生塑性变形，构件表层晶粒被细化。本发明采用CMT和超声振动的复合增材制造，并在制造后进行超声冲击处理，构件的晶粒尺寸减小，从而提高增材制造构件的致密度以及力学性能。

Description

一种改善增材制造晶粒尺寸的方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造领域，更加具体地说，尤其涉及一种改善增材制造晶粒尺寸的方法。
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，真正实现了无飞溅焊接；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，成形的大量柱状晶，对构件力学性能有一定影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，在CMT增材制造中使用超声冲击处理基板并逐层超声冲击的方法，构件的晶粒尺寸减小，从而提高增材制造构件的致密度以及力学性能。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，在CMT增材制造过程中，在基板上进行超声振动(即针对基板的超声冲击)，以确保增材制造过程中，均有超声振动作用于基板；在每一层CMT增材制造后(即堆焊一层焊缝后)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(即超声冲击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)，即一个垂直向下方向和两个水平方向。
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，针对基板的超声振动或者针对CMT增材制造层的超声冲击采用多排多针冲击头进行超声振动。
而且，对每一CMT增材制造层(即每一道焊缝)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。
而且，对每一CMT增材制造层(即每一道焊缝)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。
而且，对每一CMT增材制造层(即每一道焊缝)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(即增材制备形成的构件表面)完全进行冲击。
而且，对每一CMT增材制造层的超声冲击处理，参数如下：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。
而且，超声冲击在每一CMT增材制造层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。
而且，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)。
上述改善增材制造晶粒尺寸的方法，采用针对基板的超声振动和针对焊缝的超声冲击相结合的CMT复合增材制造方法，在超声振动CMT电弧堆焊后，对已成形的构件表面进行超声冲击处理，构件表面发生塑性变形，构件表层晶粒被细化，之后，继续在已经超声冲击的表面层进行下一层超声振动堆焊，堆焊过程反复进行，堆焊可达50层，得到晶粒被细化的构件，由于超声冲击作用，试件表面发生塑性变形，同时通过超声冲击，构件表面发生明显的塑性变形，近表层微观组织被击碎，从而构件表面的晶粒得到细化，由于CMT焊热输入小，堆焊时，熔深较浅，被冲击细化的晶粒并没有被完全熔化，因此，逐层超声冲击具有细化晶粒的效果。
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；采用超声冲击进行焊后处理，由于超声冲击处理时，焊缝(即堆焊构件)内部尚未完全凝固，超声冲击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，堆焊构件(CMT增材制造层)表面无明显塑性变形，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，提高了增材构件的力学性能。
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为本发明超声冲击和CMT复合增材制造示意图。
图3为本发明对CMT增材制造构件表面进行超声冲击的示意图(1)。
图4为本发明对CMT增材制造构件表面进行超声冲击的示意图(2)。
图5为本发明实施例中增材制造构件的金相显微组织照片，其中(a)未处理；(b)超声振动-超声冲击。
图6为本发明实施例中增材制造构件的显微硬度测试曲线图。
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
Figure BDA0001661276990000041
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，用酒精将堆焊处表面各约30-40mm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—4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；在CMT焊接完一道焊缝后(即完成一层CMT增材制造后)，立即用LM-30超声设备(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 220V 50HZ，冷却方式：风冷，可最大连续工作时间：18h-24h)对已成形的CMT焊缝进行超声冲击(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，沉积构件的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；在完成针对这一道焊缝的超声冲击之后，再进行下一道CMT增材制造。在本实施例中始终保持超声冲击枪对基板的超声振动，选择在距离基板表面1—2mm和4—5mm处的CMT增材制造层进行超声冲击(即超声振动-超声冲击)，同时选择相同参数的单纯CMT增材制造构件为对比例进行对照—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。
如附图5—6所示，采用超声振动-超声冲击复合处理后，增材制造构件中金相显示为等轴晶和纳米晶的混合相；采用超声振动-超声冲击处理后，显微硬度明显提高，尤其在超声冲击的区域，硬度高达110HV。
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)，每一道CMT焊缝后进行垂直和两个水平方向的超声冲击，同样能够提升增材制造构件的力学性能(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(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，每一道CMT焊缝后进行垂直和两个水平方向的超声冲击，同样能够提升增材制造构件的力学性能(即硬度)。
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，即超声振动、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 (8)

1.一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，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；在每一层CMT增材制造后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，即一个垂直向下方向和两个水平方向；
基板为铝合金6061、镁合金AZ31或者钛合金TA15；CMT焊丝为ER4043；
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；
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或者将超声冲击枪随着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。
2.根据权利要求1所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，针对基板的超声振动或者针对CMT增材制造层的超声冲击采用多排多针冲击头进行超声振动。
3.根据权利要求1所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，对每一CMT增材制造层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或者对每一CMT增材制造层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3所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，对每一CMT增材制造层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3所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，对每一CMT增材制造层的超声冲击处理，参数如下：频率为10—30kHz，输出功率为1000—1500W，输出振幅为100±5μm。
6.根据权利要求5所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，对每一CMT增材制造层的超声冲击处理，参数如下：频率为20—30kHz，输出功率为1200—1500W，输出振幅为100±5μm。
7.根据权利要求3所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，超声冲击在每一CMT增材制造层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。
8.根据权利要求3所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，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。
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