CN110834133A - 一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，包括步骤：将N个辅助电源的正极与GMA主路电源正极连接，GMA枪与N个辅助枪围合成圆锥，GMA枪、基板与N个辅助枪之间产生耦合电弧，辅助电源用于引出部分熔丝电流，减小堆积层热输入；设置电弧熔丝增材制造过程的工艺参数及总辅助电流I_p与总电流I的比值；重复以上步骤直至完成铝合金构件的成形。本发明通过调控总辅助电流I_p与总电流I的比值，减少铝合金电弧熔丝增材制造中的气孔缺陷，在保持高堆积效率和低设备成本的基础上，有效地降低堆积层的热输入，减少前一堆积层的重熔面积，显著地减少气孔的形核质点，从而有效改善铝合金中的气孔缺陷。

Description

一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法

技术领域

本发明属于金属构件增材制造技术领域，具体涉及一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法。

背景技术

铝合金具有密度低、强度高、塑性好、耐腐蚀性好等优点，因而广泛应用于各个领域。相比于传统的铸造、锻压等需要进一步机加工制备铝合金构件的方法，电弧熔丝增材制造具有材料利用率高、堆积效率高、设备成本低和环境友好等特点。然而，通过电弧熔丝增材制造工艺制备的铝合金中存在严重的气孔缺陷。气孔减小了铝合金构件的承载面积，导致铝合金性能下降。铝合金中气孔缺陷主要是由于氢在液态和固态铝合金中溶解度的巨大差异而导致的。

目前，国内外解决这一问题的主要方法有：1)减小电弧熔丝增材制造工艺的热输入，如减小堆积电流、减小送丝速度与堆积速度比。尽管该方法可以有效地减少气孔，但同时也降低了堆积效率；2)改变电弧模式，采用冷金属过渡(Cold Metal Transition，CMT)工艺制备铝合金，其中变极性复合脉冲CMT由于低热输入的特点可以显著减少气孔含量；3)采用层间处理工艺，如层间轧制，该层间处理工艺有效地降低铝合金结构件的气孔含量，但同时增加机械结构的复杂性和设备成本。

中国专利申请号：201910513494.6名为“一种弧焊增材制造用铝合金粉芯丝”提出了一种弧焊增材制造用铝合金粉芯丝，在铝合金粉芯丝中加入钡、锶或钙中的一种或几种。该铝合金粉芯丝用于电弧熔丝增材制造可以降低铝合金的气孔率，同时避免由氢导致的氢脆，但是该弧焊增材制造用铝合金粉芯丝在不同型号的铝合金熔丝增材制造过程中，需要重新制造，增加了丝材的成本。

中国专利申请号：201811034141.X名为“铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法及工件”提出了一种铝合金激光-双脉冲MIG复合热源电弧增材制造方法，将低功率脉冲激光与双脉冲MIG电弧进行复合，同时具有激光焊与电弧焊两种工艺特点，可以有效地减少甚至消除铝合金试样的气孔缺陷，但是该工艺通过引入激光设备，显著地提高了设备成本。因此，有必要提出一种新方法，在保持高堆积效率和低设备成本的基础上，减少传统铝合金电弧熔丝增材制造气孔缺陷的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，在保持高堆积效率和低设备成本的基础上，减少传统铝合金电弧熔丝增材制造气孔缺陷的问题。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，包括以下步骤：

步骤一：将恒压源的GMA主路电源2的负极输出端与基板6连接，GMA主路电源2的正极与GMA送丝机1连接，N个辅助电源4的正极输出端分别通过N条电缆线与GMA主路电源2的正极连接，N的取值范围是1-4；N个辅助枪5与GMA枪3在空间中围合成一个倒立的圆锥，其中GMA枪3作为圆锥的轴线垂直于基板6，N个辅助枪5沿圆锥的母线均匀分布，N个辅助枪5与GMA枪3的末端沿其延长线方向交于圆锥的顶点；GMA枪3、基板6与N个辅助枪5之间产生耦合电弧，其中GMA枪3与基板6之间产生的电弧作为主路电弧，N个辅助枪5与主路电弧之间产生的电弧作为辅助电弧；所述N个辅助枪5与基板6的夹角均为θ₁，GMA枪3端部与基板6的垂直间距为d₁，N个辅助枪5端部与基板6的垂直间距均为d₂，GMA枪3端部与N个辅助枪5端部的水平间距均为d₃；

N的取值范围设定为1-4是因为最少要保证1个辅助枪5与GMA枪3之间产生耦合电弧，以降低铝合金的气孔率，如果N的取值大于4，则多个辅助枪5与GMA枪3在空间分布上过于密集，空间位置受限。

步骤二：根据铝合金构件的三维模型，沿三维模型高度方向分层切片，确定每个层片的成形路径，设置电弧熔丝增材制造过程工艺参数，工艺参数包括：总电流I、总辅助电流I_p、主路电弧的保护气流量L₁、N个辅助电弧的保护气流量均为L₂、焊接速度v、焊接电压U，总电流I取值为130-190A，总辅助电流I_p＝I_p1+I_p2+···+I_pN，其中I_p1为第一个辅助电源的电流，I_p2为第二个辅助电源的电流，I_pN为第N个辅助电源的电流；总辅助电流I_p与总电流I的比值η的取值范围为0.5-0.7；选择所需填充的铝合金金属丝；

I取值为130-190A是因为：I过小，熔滴在基板6上不易铺展，铝合金构件无法成形，I过大，熔池容易流淌，导致铝合金构件成形质量变差，因此本发明中I取值为130-190A。

η设定为0.5-0.7是因为：η过小，堆积层的热输入减少效果不明显，铝合金中气孔率降低效果不显著，η过大，堆积层的热输入减小，气孔形核质点减少，但气孔逃逸距离和液体粘度增加，导致铝合金的气孔率增加，因此本发明中η设定为0.5-0.7

步骤三：将GMA枪3与N个辅助枪5移至路径起始点，预先通保护气体，在GMA枪3与基板6间形成主路电弧，待主路电弧燃烧0.5-1s后，间隔0.5-1s依次对N个辅助枪5进行起弧，沿规划路径完成第一层的堆积；

主路电弧燃烧0.5-1s后依次进行N个辅助枪5的起弧的原因是：若主路电弧燃烧时间小于0.5s进行辅助枪5起弧时，易导致耦合电弧不稳定，铝合金构件成形质量变差，气孔率增加，若主路电弧燃烧时间大于1s进行辅助枪5起弧时，铝合金构件起弧端与其他部位成形高度不一致，铝合金构件成形质量变差。

间隔0.5-1s依次对N个辅助枪5进行起弧的原因是：若间隔时间小于0.5s，则易导致耦合电弧不稳定，铝合金构件成形质量变差，气孔率增加，若间隔时间大于1s，铝合金构件起弧端与其他部位成形高度不一致，铝合金构件成形质量变差。

步骤四：待前一堆积层冷却至40-60℃，将GMA枪3与N个辅助枪5移至下一路径起始点；

步骤五：反复执行步骤三与步骤四，直至完成铝合金构件的成形。

作为优选方式，步骤一中所述N个辅助枪5与基板6的夹角θ₁均为45°-55°。

θ₁设定为45°-55°是因为θ₁过小或过大，GMA枪3、基板6与N个辅助枪5之间产生的耦合电弧稳定性下降，不利于铝合金构件的成形，同时增加了铝合金的气孔率。

作为优选方式，步骤一中所述GMA枪3端部与基板6的垂直间距d₁为8-10mm，N个辅助枪5端部与基板6的垂直间距d₂均为3-4mm，GMA枪3端部与N个辅助枪5端部的水平间距d₃均为4-6mm。

d₁设定为8-10mm是因为d₁过小或过大，易导致铝合金熔丝增材制造过程产生的飞溅过大；d₂设定为3-4mm是因为d₂过小，N个辅助电弧5与主路电弧的作用点降低，N个辅助电弧5对主路电弧的分流作用减弱，d₂过大，N个辅助枪5与主路电弧之间不易产生辅助电弧；d₃设定为4-6mm是因为d₃过小，N个辅助枪5易被烧损，同时降低耦合电弧稳定性，d₃过大，N个辅助电弧5与主路电弧的作用点降低甚至N个辅助电弧5与主路电弧之间无作用点，降低了辅助电弧的分流作用。

作为优选方式，步骤一中所述辅助枪5为恒压源的GMA枪或恒流源的GTA枪。

作为优选方式，步骤三中所述保护气体为氩气，主路电弧的保护气流量L₁为15-25L/min、N个辅助电弧的保护气流量L₂均为5-15L/min。

L₁设定为15-25L/min是因为L₁过小，无法隔绝电弧与外界环境之间的接触，易导致气孔率增加，L₁过大，浪费保护气体，增加试验成本；L₂设定为5-15L/min是因为L₂过小，无法隔绝电弧与外界环境之间的接触，易导致气孔率增加，L₂过大，浪费保护气体，增加试验成本。

作为优选方式，步骤二中所述铝合金金属丝为ER2319和ER2325。

本发明提出的一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法基本原理是：通过N个辅助电源4的正极输出端通过N条电缆线与GMA主路电源2连接，GMA枪3、基板6与N个辅助枪5之间形成耦合电弧，N个辅助枪5用于分离熔丝电流，降低堆积层所受热输入，并减少前一堆积层的重熔面积，显著地降低气孔的形核质点，从而有效改善铝合金中的气孔缺陷。

本发明的有效益果为：本发明提出一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，采用耦合电弧的方法，耦合电弧用于提供总热输入以熔化铝合金金属丝，辅助电弧用于分离熔丝电流，有效地降低堆积层的热输入，同时保证了堆积效率，并对铝合金的气孔缺陷具有明显地改善作用。

附图说明

图1为耦合电弧熔丝增材制造示意图；

图2为GMA枪、GTA枪与基板位置示意图；

图3为实施例1与实施例2的耦合电弧熔丝增材制造所得多层单道铝合金构件气孔分布的金相图片；

1为GMA送丝机、2为GMA主路电源、3为GMA枪、4为辅助电源、5为辅助枪、6为基板。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例

一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，将恒压源的GMA主路电源2的负极输出端与基板6连接，GMA主路电源2的正极与GMA送丝机1连接，N个辅助电源4的正极输出端分别通过N条电缆线与GMA主路电源2的正极连接，N的取值范围是1-4；N个辅助枪5与GMA枪3在空间中围合成一个倒立的圆锥，其中GMA枪3作为圆锥的轴线垂直于基板6，N个辅助枪5沿圆锥的母线均匀分布，N个辅助枪5与GMA枪3的末端沿其延长线方向交于圆锥的顶点；GMA枪3、基板6与N个辅助枪5之间产生耦合电弧，其中GMA枪3与基板6之间产生的电弧作为主路电弧，N个辅助枪5与主路电弧之间产生的电弧作为辅助电弧；所述N个辅助枪5与基板6的夹角均为θ₁，GMA枪3端部与基板6的垂直间距为d₁，N个辅助枪5端部与基板6的垂直间距均为d₂，GMA枪3端部与N个辅助枪5端部的水平间距均为d₃；

步骤二：根据铝合金构件的三维模型，沿三维模型高度方向分层切片，确定每个层片的成形路径，设置电弧熔丝增材制造过程工艺参数，工艺参数包括：总电流I、总辅助电流I_p、主路电弧的保护气流量L₁、N个辅助电弧的保护气流量均为L₂、焊接速度v、焊接电压U，总电流I取值为130-190A，总辅助电流I_p＝I_p1+I_p2+···+I_pN，其中I_p1为第一个辅助电源的电流，I_p2为第二个辅助电源的电流，I_pN为第N个辅助电源的电流；总辅助电流I_p与总电流I的比值η的取值范围为0.5-0.7；选择所需填充的铝合金金属丝；

步骤三：将GMA枪3与N个辅助枪5移至路径起始点，预先通保护气体，在GMA枪3与基板6间形成主路电弧，待主路电弧燃烧0.5-1s后，间隔0.5-1s依次对N个辅助枪5进行起弧，沿规划路径完成第一层的堆积；

步骤四：待前一堆积层冷却至40-60℃，将GMA枪3与N个辅助枪5移至下一路径起始点。

步骤五：反复执行步骤三与步骤四，直至完成铝合金构件的成形。

作为优选方式，步骤一中所述N个辅助枪5与基板6的夹角θ₁均为45°-55°。

作为优选方式，步骤一中所述GMA枪3端部与基板6的垂直间距d₁为8-10mm，N个辅助枪5端部与基板6的垂直间距d₂均为3-4mm，GMA枪3端部与N个辅助枪5端部的水平间距d₃均为4-6mm。

作为优选方式，步骤一中所述辅助枪5为恒压源的GMA枪或恒流源的GTA枪。

作为优选方式，步骤三中所述保护气体为氩气，主路电弧的保护气流量L₁为15-25L/min、N个辅助电弧的保护气流量L₂均为5-15L/min。

作为优选方式，步骤二中所述铝合金金属丝为ER2319和ER2325。

本实施例的试验平台如下：试验系统包含GMA主路电源(Panasonic YD-400GE)、GTA辅助电源(Tig 4300i AC/DC)、工作平台、送丝机及外控设备。外控设备连接GMA主路电源、送丝机及工作平台，控制试样移动及电流、电压等工艺参数的设定；基板为6061铝合金薄板(200mm×150mm×6mm)，金属丝为直径1.2mm的ER2325焊丝。如图2所示，GTA枪5与基板6的夹角θ₁为50°，GMA枪3端部与基板6的垂直间距d₁为9mm，GTA枪5端部与基板6的垂直间距d₂为3mm，GMA枪3端部与GTA枪5端部的水平间距d₃为5mm；主路电弧的保护气流量L₁为20L/min、辅助电弧的保护气流量L₂为10L/min；主路电弧燃烧0.5s后，对GTA枪5进行起弧；前一堆积层冷却至60℃，将GMA枪3与GTA枪5移至下一路径起始点。

各实施例中采用的工艺参数及性能指标请见下表：

表1

从上表可以看出:当总电流I一定时，随着旁路电流比η的增加，气孔的平均直径逐渐减小，气孔的数量和气孔率呈现出先减小后增大的变化趋势。

所述实施例1所得辅助电流与总电流的比值η为0时，铝合金构件的气孔分布如图3中(a)所示；所述实施2所得辅助电流与总电流的比值η为0.5时，铝合金构件的气孔分布如图3中(b)所示，图中黑点所示部分即为气孔。经测试气孔的数量减小50.6％，气孔的平均直径减小9.9％，气孔率降低57.6％。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将恒压源的GMA主路电源(2)的负极输出端与基板(6)连接，GMA主路电源(2)的正极与GMA送丝机(1)连接，N个辅助电源(4)的正极输出端分别通过N条电缆线与GMA主路电源(2)的正极连接，N的取值范围是1-4；N个辅助枪(5)与GMA枪(3)在空间中围合成一个倒立的圆锥，其中GMA枪(3)作为圆锥的轴线垂直于基板(6)，N个辅助枪(5)沿圆锥的母线均匀分布，N个辅助枪(5)与GMA枪(3)的末端沿其延长线方向交于圆锥的顶点；GMA枪(3)、基板(6)与N个辅助枪(5)之间产生耦合电弧，其中GMA枪(3)与基板(6)之间产生的电弧作为主路电弧，N个辅助枪(5)与主路电弧之间产生的电弧作为辅助电弧；所述N个辅助枪(5)与基板(6)的夹角均为θ₁，GMA枪(3)端部与基板(6)的垂直间距为d₁，N个辅助枪(5)端部与基板(6)的垂直间距均为d₂，GMA枪(3)端部与N个辅助枪(5)端部的水平间距均为d₃；

步骤二：根据铝合金构件的三维模型，沿三维模型高度方向分层切片，确定每个层片的成形路径，设置电弧熔丝增材制造过程工艺参数，工艺参数包括：总电流I、总辅助电流I_p、主路电弧的保护气流量L₁、N个辅助电弧的保护气流量均为L₂、焊接速度v、焊接电压U，总电流I取值为130-190A，总辅助电流I_p＝I_p1+I_p2+···+I_pN，其中I_p1为第一个辅助电源的电流，I_p2为第二个辅助电源的电流，I_pN为第N个辅助电源的电流；总辅助电流I_p与总电流I的比值η的取值范围为0.5-0.7；选择所需填充的铝合金金属丝；

步骤三：将GMA枪(3)与N个辅助枪(5)移至路径起始点，预先通保护气体，在GMA枪(3)与基板(6)间形成主路电弧，待主路电弧燃烧0.5-1s后，间隔0.5-1s依次对N个辅助枪(5)进行起弧，沿规划路径完成第一层的堆积；

步骤四：待前一堆积层冷却至40-60℃，将GMA枪(3)与N个辅助枪(5)移至下一路径起始点；

步骤五：反复执行步骤三与步骤四，直至完成铝合金构件的成形。

2.根据权利要求1所述的一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其特征在于：步骤一中所述N个辅助枪(5)与基板(6)的夹角θ₁均为45°-55°。

3.根据权利要求1所述的一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其特征在于：步骤一中所述GMA枪(3)端部与基板(6)的垂直间距d₁为8-10mm，N个辅助枪(5)端部与基板(6)的垂直间距d₂均为3-4mm，GMA枪(3)端部与N个辅助枪(5)端部的水平间距d₃均为4-6mm。

4.根据权利要求1所述的一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其特征在于：步骤一中所述辅助枪(5)为恒压源的GMA枪或恒流源的GTA枪。

5.根据权利要求1所述的一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其特征在于：步骤三中所述保护气体为氩气，主路电弧的保护气流量L₁为15-25L/min、N个辅助电弧的保护气流量L₂均为5-15L/min。

6.根据权利要求1所述的一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其特征在于：步骤二中所述铝合金金属丝为ER2319和ER2325。

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