CN110773837B

CN110773837B - 一种钛合金高精度电弧增材制造工艺

Info

Publication number: CN110773837B
Application number: CN201911093426.5A
Authority: CN
Inventors: 刘长猛; 韦金松
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CN110773837A

Abstract

本发明公开一种钛合金高精度电弧增材制造工艺，涉及钛合金电弧增材制造领域，包括如下步骤：步骤一；根据零件结构在计算机上构建三维实体模型；步骤二；将三维实体模型进行分层计算、截面填充并且进行后置处理生成制造代码；步骤三；装填钛合金丝材，打磨钛合金基板；步骤四；安装基板，调整钨极与钛合金丝材和钛合金基板之间的距离；步骤五；按照工艺参数对焊机进行打印参数的设定，包括对焊机设定热丝电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；步骤六；启动机器开始进行金属熔融沉积，并且实时监测随时进行调整。本发明提供的钛合金高精度电弧增材制造工艺，达到了高精度钛合金电弧增材的目的。

Description

一种钛合金高精度电弧增材制造工艺

技术领域

本发明涉及钛合金电弧增材制造技术领域，特别是涉及一种钛合金高精度电弧增材制造工艺。

背景技术

增材制造技术可以分为金属增材制造与非金属增材制造两大类，针对金属增材制造，可以从原始材料类型与能量源进行分类。根据原始材料类型的不同可以分为铺粉增材制造、送粉增材制造与送丝增材制造，根据能量来源可以分为激光、电子束与电弧三种类型。电弧增材制造(WAAM)采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成型速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成型。该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成型零件全由焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成型环境对成型件尺寸无限制，成型速率可达几kg/h，但电弧增材制造(WAAM)的零件表面波动较大，成型件表面质量较低，成型精度不是特别高。

作为由点向三位方向扩展的运动执行机构，其位移与速度、位置的重复定位精度、运动稳定性等对成型件尺寸精度的影响至关重要，目前的使用较多的成型系统由TIG+数控机床/工作台、TIG+机器人、CMT(MIG)+数控机床、CMT(MIG/MAG)+机器人与PAW+数控机床几种形式。总体而言，电弧增材制造载能束因具有热流密度低、加热半径大、热源强度高等特征，成型过程中往复移动的瞬时点热源与成型环境强烈互相作用，热累积引起的环境变量变化更明显，所以成型的精度往往相比其他热源较低，对于成型件的一些特殊结构成型比较困难。

为了最大限度的发挥电弧增材制造技术的优势，往往已有的成型工艺中材料的沉积速率是非常快的，熔化的速率可以达到1kg/h-4kg/h，虽然很大程度地增加了生产效率，但是使用大效率工艺生产出来的零件在尺寸方面的精度往往很难得到保证，并且零件的表面粗糙度都不如人意，要想在工程中应用必须要进行下一步的机械加工。就电弧增材制造技术目前的发展水平来说，想要在现有基础上进行粗糙度的控制也很难有一个较好的效果，现代电弧增材制造技术中对工艺研究还不够系统，针对各种不同的焊丝的工艺关系、电弧热输入和熔滴形貌关系，送丝速度和成型稳定性之间的关系研究还不够透彻。电弧热输入高了容易出现粗大的柱状晶，降低材料韧性，并且不同的工艺参数会导致在熔滴沉积过程中的速率与发生的连锁反应不同，不好的工艺会使零件中的裂纹气孔现象变得严重甚至不能连续成型。

在已有的工艺参数中，对于零件精度与粗糙度影响很大的一个工艺参数就是送丝速度，在送丝速度确定之后才能对与之匹配的其他参数进行大概基准确定。但是送丝速度在制造过程中往往也是变动的，目的为了与当时熔滴沉积的情况进行匹配，所以不断进行工艺参数的完善，是电弧增材制造在未来发展中必须要解决的问题。在现有的制造工艺中，虽然多数工艺成型效率高，对于大块零件的制造有很高的效益，但是制造对于零件精度有要求但是又不便于后续机械加工的情况时往往比较窘迫，表面粗糙度高，尺寸精度低，通常成型的单熔道道宽都大于5mm，难以制造符合要求的高精度结构件。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金高精度电弧增材制造工艺，以解决上述现有技术存在的问题，使材料成型后力学性能大致不变甚至能够得到加强，而且成型熔道尺寸相比其他工艺都精细，成型熔道宽度约为3.5mm，零件表面较之前工艺粗糙度得到了很大改善，从而达到了高精度钛合金电弧增材的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种钛合金高精度电弧增材制造工艺，包括如下步骤：

步骤一；根据零件的结构在计算机上构建三维实体模型；

步骤二；将三维实体模型进行分层计算、截面填充并且进行后置处理生成制造代码；

步骤三；装填钛合金丝材，同时对钛合金基板进行打磨；

步骤四；安装基板，调整钨极与钛合金丝材和钛合金基板之间的距离，钛合金丝材距离钨极的距离为2-4mm，钛合金丝材距离钛合金基板为1mm；

步骤五；按照工艺参数对焊机进行打印参数的设定，主要对焊机设定热丝电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；

步骤六；启动机器开始进行金属沉积，并且实时监测随时进行调整。

可选的，所述步骤五中，峰值电流为200-240A；峰值时间为15％-30％；基值电流为15％-30％；频率为1.5-2HZ；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为100-200cm/min；层高为0.8-1.5mm；热丝电流为80-120A。

可选的，所述钛合金基板安装于工作台上，所述钛合金基板上方设置有焊枪，所述焊枪底部设置有钨极，所述钨极一侧固定安装有固定角度倾斜的送丝嘴，所述送丝嘴连接有热丝机；所述焊枪连接有焊机和氩气瓶；所述送丝嘴上通过送丝机连接有钛合金丝材。

可选的，所述钛合金丝材缠绕于丝材安放装置上，所述丝材安放装置与所述送丝机之间设置有校直器，所述丝材安放装置上的丝材经过校直器后经送丝机输送到送丝嘴处。

可选的，所述工作台上安装有透明的保护罩，所述焊枪、送丝嘴和钛合金基板均设置于所述保护罩内。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明以丝材作为原料，电弧为热输入源，在丝材输入时添加一辅助热源用于丝材的预热，在零件的各项性能得到保证的前提下，完成钛合金的高精度电弧增材制造。在使用直径小于1.2mm的钛合金丝材时，能够使熔池宽度保持在3.5mm左右，并且成型连续，零件表面粗糙度小，化学成分稳定均匀。

本发明在沉积过程中，丝材伸到电弧热影响区域，电弧电流处于基值状态，丝材向前送进的同时被电弧熔化成微小熔滴，未熔化的丝材被预热到相当高的温度，丝材送到钨极正下方时，电弧电流波形停留在峰值电流阶段，突然增大的热输使丝材顶端的熔滴瞬间增大，电弧的吹力使丝材顶端的液态熔滴脱落与熔池粘连，送丝速度和扫描速度相匹配的情况下，熔滴能够与之前过渡的熔滴熔合到一起，形成连续的熔道。在本发明使用的成型工艺中，能在一个电弧脉冲内使熔滴在熔化时保持一个很小的直径，并且在与之前熔道进行融合时控制电弧力的作用时间，使熔滴与已经沉积的金属进行堆积之后不会发生不断外延的现象，在保持晶粒良好生长的同时使熔道宽度比较一致并且细小。在整个成型过程中，两个相邻熔滴在搭接时保持了较好的间距范围，在电弧力的作用下能对熔滴与熔滴之间的凹陷处进行补偿，减小谷峰的高度，由此使零件表面较为平整，保持钛合金的一个高精度的成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例与一些机理研究示意图和成型效果图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钛合金高精度电弧增材制造工艺所用设备的示意图；

其中，1为钛合金基板、2为工作台、3为焊枪、4为钨极、5为送丝嘴、6为热丝机、7为焊机、8为氩气瓶、9为送丝机、10为钛合金丝材、11为丝材安放装置、12为校直器、13为保护罩、14为控制柜；

图2为熔滴之间搭接机理简单示意图；

其中，BC之间的距离d与AD之间的距离d0相等且都为熔滴之间的间距。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钛合金高精度电弧增材制造工艺，以解决上述现有技术存在的问题，使材料成型后力学性能大致不变甚至能够得到加强，而且成型熔道尺寸相比其他工艺都精细，零件表面粗糙度较小，从而达到了高精度钛合金电弧增材制造的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

步骤一；根据零件的结构构建三维实体模型；

步骤三；装填钛合金丝材，同时对钛合金基板进行打磨；

步骤五；按照工艺参数进行焊机调试，设定热丝电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；峰值电流为200-240A；峰值时间为15％-30％；基值电流为15％-30％；频率为1.5-2HZ；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为100-200cm/min；层高为0.8-1.5mm；热丝电流为80-120A。

进一步优选的，如图1所示，本发明钛合金高精度电弧增材制造工艺所用设备的钛合金基板1安装于工作台2上，钛合金基板1上方设置有焊枪3，焊枪3底部设置有钨极4，钨极4一侧固定安装有固定角度倾斜的送丝嘴5，送丝嘴5连接有热丝机6；焊枪3连接有焊机7和氩气瓶8；送丝嘴5上通过送丝机9连接有钛合金丝材10。

钛合金丝材10缠绕于丝材安放装置11上，丝材安放装置11与送丝机9之间设置有校直器12，丝材安放装置11上的钛合金丝材10经过校直器12后经送丝机9输送到送丝嘴5处。工作台2上安装有透明的保护罩13，焊枪3、送丝嘴5和钛合金基板1均设置于保护罩13内。

本发明通过对工艺的调整来控制成型过程中的熔池宽度变量，采用控制柜14对设备整体进行调整和控制，使用小热输入与低材料输送速度的方式来使熔池的尺寸精度与零件表面粗糙度达到预想效果，并且在沉积过程中使用了热丝工艺，在钛合金丝材10被电弧熔化之前就使用另外的热源来进行钛合金丝材10的预热，以此减小焊枪的热输入，减小成型过程中柱状晶的数量，使得钛合金丝材10在之后成型过程中获得更好的沉积效果。使用本发明的工艺参数进行金属沉积，在熔滴过渡过程中，两个熔滴的间距能够保持在一个稳定的距离，对熔滴与熔滴之间的凹陷处进行很好的互相进行补偿，如图2所示，形成比较平整的熔道表面，使成型结构件粗糙度保持在一个较小的水平。

在使用电弧作为热输入的同时，加入了热丝电源作为钛合金丝材10的预热电源，热丝电源的原理是使用电阻进行加热。设备主要搭建在一个三轴数控机床上，主轴被焊枪代替，数控控制系统主要控制送丝机和机床主轴，热丝机的热丝电源独立控制。实验开始前手动开关热丝电源，沉积过程中热丝电源持续工作。送丝方式为侧向送丝，送丝嘴与焊枪固连，在沉积过程中无相对运动，不同的扫描路径中，送丝速度的方向和钨极的夹角不变，但是送丝速度和扫描速度方向产生变化。焊机主要控制电弧电流的波形，可以调节电弧电流的峰值电流(电弧电流最大时候的电流)、脉冲频率、峰值时间、基值电流。在沉积开始之前需要丝材校直，钛合金丝材从送丝嘴中伸出时的状态是存在弯曲的，在沉积过程会导致电弧长度的上下抖动，在焊枪正下方时受热不均匀而容易导致飞溅以及其他一些缺陷产生，对于成型精度会有很大影响，无法保证成型的连续性，需要经过校直器进行校直。一般久置的钛合金基板表面会有杂质，高温环境下熔滴滴在上面会影响沉积质量，需要把钛合金基板表面的杂质打磨掉。在进行了单道单层实验之后，熔道的宽度都保持在3.5mm左右。使用本发明的工艺参数进行单道多层的零件沉积之后，能够使熔池宽度较小并且保持连续一致，零件表面粗糙度较小，达到高精度钛合金电弧增材制造水平。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种钛合金高精度电弧增材制造工艺，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一；根据零件的结构在计算机上构建三维实体模型；

步骤三；装填钛合金丝材，同时对钛合金基板进行打磨；

步骤五；按照工艺参数对焊机进行打印参数的设定，包括对焊机设定热丝电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；

步骤六；启动机器开始进行金属熔融沉积，并且实时监测随时进行调整；所述步骤五中，峰值电流为200-240A；峰值时间为15％-30％；基值电流为15％-30％；频率为1.5-2HZ；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为100-200cm/min；层高为0.8-1.5mm；热丝电流为80-120A；所述钛合金基板安装于工作台上，所述钛合金基板上方设置有焊枪，所述焊枪底部设置有钨极，所述钨极一侧固定安装有固定角度倾斜的送丝嘴，所述送丝嘴连接有热丝机；所述焊枪连接有焊机和氩气瓶；所述送丝嘴上通过送丝机连接有钛合金丝材；所述钛合金丝材缠绕于丝材安放装置上，所述丝材安放装置与所述送丝机之间设置有校直器，所述丝材安放装置上的丝材经过校直器后经送丝机输送到送丝嘴处。

2.根据权利要求1所述的钛合金高精度电弧增材制造工艺，其特征在于：所述工作台上安装有透明的耐高温保护罩，所述焊枪、送丝嘴和钛合金基板均设置于所述保护罩内。