CN110893502A - 一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法 - Google Patents

一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法，属于铝合金梯度结构件的制备技术领域。本发明采用电弧增材制造技术制备了铝合金梯度结构件，电弧增材制造过程中的脉冲能够降低结构件中的残余应力；电弧增材制造过程所用路径为完成一层沉积后，熄弧，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造，避免了熔池在短时间内连续堆叠两次，变相降低了热积累，从而解决了铝合金结构件重熔塌陷现象严重的问题，得到了成型精度较高的铝合金梯度结构件，填补了铝合金梯度结构件制备领域的空白。

Description

一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法
技术领域
本发明涉及铝合金梯度结构件的制备技术领域，尤其涉及一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法。
背景技术
在一些特定环境中工作的机器，由于不同部位的环境条件不同，即便是相邻的部位，物理性质要求也会不同，例如飞机的机翼，由于机翼要提供飞机需要的浮力，它的上方的空气流速就必须大于下方的空气流速，这就使得它上方的强度要求高于下方蒙皮的强度要求。而目前的机翼全部由一种高标准铝合金材料制造，这无疑会造成材料的浪费和成本的提高。然而，目前传统加工方式无法加工出多种铝合金材料构成的梯度件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法，本发明可以得到两种以上的铝合金材料构成的梯度结构件，从而了满足结构件不同部位需要有不同性能的要求，且该制备方法简单，易于操控。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；
将基板预热，然后依次以铝合金梯度结构件从下到上对应的铝合金材料的丝材为原料，按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到铝合金梯度结构件坯；所述电弧增材制造过程的路径为完成一层沉积后，熄弧并停止送丝，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造；
将所述铝合金梯度结构件坯进行热处理，得到铝合金梯度结构件。
优选地，所述电弧增材制造过程中，对所述丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板或工作台连接。
优选地，所述预热和电弧增材制造过程中，电弧长度为2.8～3.2mm，保护气为氩气，保护气的流量为18～22L/min。
优选地，所述预热为使用焊机在基板上进行电弧加热，其中焊枪或机床移动速度为200～300mm/min，脉冲频率为2～3Hz，峰值电流为240～260A，峰值电流时间占比为25～35％，基值电流占峰值电流比为15～25％，所述预热的时间以对基板加热的圈数计为1～2圈。
优选地，所述预热和电弧增材制造过程中，焊枪或机床移动速度为200～300mm/min，送丝角度为40～50°，送丝速度为300～350cm/min，层高为2.5～3.0mm，脉冲频率为2～3Hz。
优选地，所述铝合金梯度结构件为下层为2024铝合金，上层为7055铝合金的铝合金梯度结构件，所述电弧增材制造过程中，先以2024铝合金丝材为原料制备2024铝合金梯度层，然后以7055铝合金丝材为原料制备7055铝合金梯度层。
优选地，所述2024铝合金丝材的直径为1.2～1.6mm，所述7055铝合金丝材的直径为1.2～1.6mm；所述热丝电源的热丝电流为90～110A；所述电弧增材制造过程中，每层沉积的热输入包括起弧热输入阶段和稳定热输入阶段，所述起弧热输入阶段的起弧峰值电流为250～300A，起弧峰值电流时间占比为35～40％，起弧基值电流占起弧峰值电流比为20～30％；所述稳定热输入阶段的峰值电流为220～250A，峰值电流时间占比为30～35％，基值电流占峰值电流比为10～15％。
优选地，所述2024铝合金丝材与热丝电源正极的连接点和2024铝合金丝材熔化端的距离为10～20cm，所述7055铝合金丝材与热丝电源正极的连接点和7055铝合金丝材熔化端的距离为10～20cm。
优选地，所述热处理包括固溶热处理和时效热处理，所述固溶热处理的过程为在380～400℃保温4～5h，然后在450～470℃保温8～10h，再在471～475℃保温4～5h；所述时效热处理的过程为在120～150℃保温20～24h。
优选地，所述固溶热处理完成后，水冷至室温，然后在2～3h内进行时效热处理。
本发明采用电弧增材制造技术制备了铝合金梯度结构件，电弧增材制造过程中的脉冲能够降低结构件中的残余应力；电弧增材制造过程所用路径为完成一层沉积后，熄弧，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造，避免了熔池在短时间内连续堆叠两次，变相降低了热积累，从而解决了铝合金结构件重熔塌陷现象严重的问题，得到了成型精度较高的铝合金梯度结构件，填补了铝合金梯度结构件制备领域的空白。
附图说明
图1本发明实施例中所用装置的结构图；
图2实施例1所得铝合金梯度结构件的实物图；
图3实施例1所得铝合金梯度结构件的2024铝合金梯度层和7055铝合金梯度层的晶相图；
图4对比例1所得铝合金梯度结构件的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；
将基板预热，然后依次以铝合金梯度结构件从下到上对应的铝合金材料的丝材为原料，按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到铝合金梯度结构件坯；所述电弧增材制造过程的路径为完成一层沉积后，熄弧，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造；
将所述铝合金梯度结构件坯进行热处理，得到铝合金梯度结构件。
本发明首先构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统。本发明对所述三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的具体步骤没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要生成不同结构的加工程序。在本发明实施例中，优选采用软件完成三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的步骤，构建所述三维实体模型所用软件优选为solidworks或UG；所述切片处理和生成加工程序所用软件优选为激光3D打印数据处理软件；得到加工程序后，本发明将所述加工程序导入控制系统中，以便于后续步骤按照该加工程序进行电弧增材制造。
将加工程序导入控制系统后，本发明将基板预热，然后依次以铝合金梯度结构件从下到上对应的铝合金材料的丝材为原料，按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到铝合金梯度结构件坯。
在本发明中，所述预热和电弧增材制造过程中，电弧长度优选为2.8～3.2mm，更优选为3mm，保护气优选为氩气，保护气的流量优选为18～22L/min，更优选为20L/min。
在本发明中，所述预热优选为使用焊机在基板上进行电弧加热，其中焊枪或机床移动速度优选为200～300mm/min，更优选为240mm/min；脉冲频率优选为2～3Hz，更优选为2.4Hz；峰值电流优选为240～260A，更优选为250A；峰值电流时间占比优选为25～35％，更优选为30％；基值电流占峰值电流比优选为15～25％，所述预热的时间以对基板加热的圈数计优选为1～2圈。在本发明中，所述预热能够加热基板，使得沉积第一层时，熔融金属能够与基板粘连并良好地铺展开。
在本发明中，所述电弧增材制造过程中，焊枪或机床移动速度优选为200～300mm/min，送丝角度优选为40～50°，更优选为45°，送丝速度优选为300～350cm/min，层高优选为2.5～3.0mm，更优选为2.8mm，脉冲频率优选为2～3Hz；所用脉冲氩弧焊机优选为交流电脉冲。
在本发明中，所述电弧增材制造过程的路径为完成一层沉积后，熄弧，返回原点，再次起弧进行电弧增材制造；当目标结构件为块体时，每层的沉积优选按照蛇形路线进行沉积。上述路径避免了熔池在短时间内连续堆叠两次，变相降低了热积累，从而解决了铝合金结构件重熔塌陷现象严重的问题，得到了成型精度较高的铝合金梯度结构件。
在本发明中，所述电弧增材制造过程中，优选对所述丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板或工作台连接。本发明对所述丝材与热丝电源的正极的连接方式没有特殊限定，在本发明实施例中，优选是在丝材上设置铜导电滑块，将铜导电滑块通过导线与热丝电源的正极连接，以此实现丝材与热丝电源的正极的连接。在本发明中，将丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板连接，在丝材送往熔池下方时会与基板连通从而形成回路，铝合金具有较大的电阻，将会产生大量的电阻热，电阻热对丝材有预热的作用，会去除掉丝材表面附有的水分及其他杂质，并降低电弧的热输入，从而大幅度降低零件内部的氢气孔，细化内部的晶粒。
在本发明中，所述基板优选经打磨后使用，所述打磨能够将表面的氧化层或油污去除。在本发明实施例中，所述铝合金梯度结构件为下层为2024铝合金，上层为7055铝合金的铝合金梯度结构件时，所述基板优选为2024铝合金板材，所述2024铝合金板材的厚度优选为5mm。
在本发明中，所述铝合金梯度结构件优选为下层为2024铝合金，上层为7055铝合金的铝合金梯度结构件，所述电弧增材制造过程中，先以2024铝合金丝材为原料制备2024铝合金梯度层，然后以7055铝合金丝材为原料制备7055铝合金梯度层。在本发明中，上述铝合金梯度结构件中7055铝合金的强度高于2024铝合金的强度，该结构件符合机翼上方需要强度高，下方强度低的特点，且具有质轻的优势，适合用作飞机机翼用材料。
在本发明中，所述2024铝合金丝材与热丝电源正极的连接点和2024铝合金丝材熔化端的距离优选为10～20cm，更优选为10cm；所述7055铝合金丝材与热丝电源的正极的连接点和7055铝合金丝材熔化端的距离优选为10～20cm，更优选为10cm；所述2024铝合金丝材的直径优选为1.2～1.6mm，更优选为1.2mm；所述7055铝合金丝材的直径优选为1.2～1.6mm，更优选为1.2mm；所述热丝电源的热丝电流优选为90～110A，更优选为100A，所述热丝电源的电流优选为直流电流；所述电弧增材制造过程中，每层沉积的热输入优选包括起弧热输入阶段和稳定热输入阶段，所述起弧热输入阶段的起弧峰值电流优选为250～300A，起弧峰值电流时间占比优选为35～40％，起弧基值电流占起弧峰值电流比优选为20～30％；所述稳定热输入阶段的峰值电流优选为220～250A，峰值电流时间占比优选为30～35％，基值电流占峰值电流比优选为10～15％；所述基板为2024铝合金或7055铝合金；所述起弧热输入阶段的时间以形成熔池的个数计优选为3～5个熔池。在本发明中，上述参数有利于进一步提高所得结构件的成型精度，并调控宏微观形貌。
得到铝合金梯度结构件坯后，本发明将所述铝合金梯度结构件坯进行热处理，得到铝合金梯度结构件。在本发明中，所述热处理能够调控结构件的内部组织形貌和结构。
在本发明中，所述铝合金梯度结构件为下层为2024铝合金，上层为7055铝合金的铝合金梯度结构件时，所述热处理优选包括固溶热处理和时效热处理，所述固溶热处理的过程优选为在380～400℃保温4～5h，然后在450～470℃保温8～10h，再在471～475℃保温4～5h，更优选为在400℃保温4h，然后在468℃保温8h，再在473℃保温4h；所述时效热处理的过程优选为在120～150℃保温20～24h，更优选为在120℃保温24h；所述固溶处理过程中，升温至380～400℃的升温速率优选为290～310℃/h，更优选为300℃/h，由380～400℃升温至450～470℃的升温速率优选为200～220℃/h，更优选为210℃/h，由450～470℃升温至471～475℃的升温速率优选为55～65℃/h，更优选为60℃/h；升温至时效热处理所需温度的升温速率优选为290～310℃/h，更优选为300℃/h。
在本发明中，所述固溶热处理完成后，优选水冷至室温，然后在2～3h内进行时效热处理；所述时效热处理完成后，优选空冷至室温。
本发明还提供了上述技术方案所述铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法所用装置，如图1所示，包括数控机床1、脉冲氩弧焊机2、氩气保护单元3、两台送丝机(4-1和4-2)、两台校直器(5-1和5-2)、两个热丝电源(6-1和6-2)和控制系统(未示出)；所述脉冲氩弧焊机的焊枪垂直固定在所述数控机床上；所述脉冲氩弧焊机的负极与所述数控机床的工作台连接，正极与焊枪连接；所述氩气保护单元用于提供氩气保护氛围；两个热丝电源的正极分别用于连接两种铝合金丝材，负极用于连接基板或工作台；所述校直器位于送丝机的下游，与送丝机配合将铝合金丝材送至焊枪下部；所述控制系统与数控机床、脉冲氩弧焊机和两台送丝机通信连接。
在本发明中，两台送丝机即可制备多种铝合金丝材构成的梯度结构件，当结构件为两种铝合金的梯度结构件时，将两种铝合金丝材分别固定在两台送丝机上，电弧增材制造完一种梯度层后，直接进行下一种梯度层的制备，当结构件为三种以上的铝合金的梯度结构件时，两台送丝机交替使用，在使用一台送丝机将第一种铝合金丝材送至焊枪下制备完第一种梯度层后，使用另一台送丝机将第二种铝合金丝材送至焊枪下制备第二种梯度层，同时将第一种铝合金丝材更换为第三种铝合金丝材，然后循环上述过程，直至完成铝合金梯度结构件的制备。
本发明对铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法所用装置的使用方法没有特殊限定，按照常规的电弧增材设备的使用方法使用即可，不同之处仅在于，将两个热丝电源的正极分别与两种铝合金丝材连接，负极均与基板连接。
下面结合实施例对本发明提供的一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
以下层为2024铝合金，上层为7055铝合金的块体为目标铝合金梯度结构件，采用图1所示的装置，按照如下方法制备：
通过solidworks软件构建三维实体模型，然后采用3D数据处理软件进行切片处理，层高为2.8mm，然后生成加工程序，将加工程序导入控制系统；
将直径为1.2mm的2024铝合金丝材和直径为1.2mm的7055铝合金丝材分别通过校直器分别送入两台送丝机，将两种丝材送至焊枪下方，将通过导线与一台热丝电源的正极连接的铜导电滑块固定在2024铝合金丝材上，固定点距离2024铝合金丝材的熔融端10cm，将通过导线与另一台热丝电源的正极连接的铜导电滑块固定在7055铝合金丝材上，固定点距离7055铝合金丝材的熔融端10cm，将厚度为5mm的2024基板打磨后固定在数控机床的工作台上，将两台热丝电源的负极与基板连接，调整电弧长度为3mm，送丝角度为45°，调整脉冲氩弧焊机为交流电脉冲，设置参数如下：峰值电流250A，峰值电流时间占比为30％，基值电流占峰值电流比为20％，脉冲频率为2.4Hz，2024铝合金丝材的送丝速度为3m/min，7055铝合金丝材的送丝速度为3m/min；机床移动速度为240mm/min；
打开纯度为99.99％的氩气阀门至流量达到20L/min，打开安装有2024铝合金丝材的送丝机的开关、与2024铝合金丝材相连的热丝电源的开关、脉冲氩弧焊机的开关以及数控机床的开关，按照蛇形路线在基板上预热2圈，然后，调节热丝电源的电流为直流电流，大小为100A，按照蛇形路径开始送丝，进行电弧增材，每沉积一层，熄弧并停止送丝，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造，其中，起弧热输入阶段的起弧峰值电流为250A，起弧峰值电流时间占比为30％，起弧基值电流占峰值电流比为15％；形成4个熔池后，进入稳定热输入阶段，所述稳定热输入阶段的峰值电流为220A，峰值电流时间占比为30％，基值电流占峰值电流比为10％，；
完成2024铝合金梯度层的制造后，使用另一台送丝系统送7055铝合金丝材，按照前述2024铝合金梯度层的制备方法制备7055铝合金梯度层，得到铝合金梯度结构件坯；
将所述铝合金梯度结构件坯以300℃/h的速率升温至400℃保温4h，然后以210℃/h的升温速率升温至468℃保温8h，再以60℃/h的升温速率升温至473℃保温4h，然后水冷至室温，再以300℃/h的升温速率升温至120℃保温24h，最后空冷至室温，得到铝合金梯度结构件。
本实施例所得铝合金梯度结构件的实物图如图2所示。由图2可知，本实施例所得铝合金梯度结构件无搭接不上、熔道塌陷等缺陷，成型精度较高。
将本实施例所得铝合金梯度结构件依次经切割、镶嵌、打磨、抛光(电解抛光)以及腐蚀后，通过光学显微镜和扫描电镜分析本实施例所得铝合金梯度结构件中的2024铝合金梯度层和7055铝合金梯度层的晶相，如图3所示，其中a为7055铝合金梯度层，b为2024铝合金梯度层。由图3可知，本实施例所得铝合金梯度结构件中的晶粒均为等轴晶，与常规的锻造法所得铝合金构建的晶粒相同。
通过电子万能材料试验机采用GB/T228.1-2010中的方法测试本实施例所得铝合金梯度结构件的纵向拉伸性能，抗拉强度为459MPa，屈服强度为230MPa，延伸率为10％，说明本实施例所提供的铝合金梯度结构件的两个梯度层之间具有较强的结合力，可用于制备飞机机翼。
对比例1
按照实施例1的方法，制备铝合金梯度结构件中的2024铝合金梯度层，不同之处仅在于，所用路径不同，本对比例的路径为，按照蛇形路线达到终点后，按照原路返回进行电弧增材制造(即从终点开始向原点进行电弧增材制造)，如此循环反复，制备2024铝合金梯度层。所得2024铝合金梯度层的实物图如图4所示。
由图4可知，采用常规的电弧增材制造2024铝合金梯度层的方法，所得结构件出现了严重塌陷的现象，成型精度较差。
综上所述，本发明所提供的方法能够克服铝合金结构件易于塌陷的问题，能够得到成型精度较高的铝合金梯度结构件，且梯度层之间结合力优异，可作为整体结构件使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝合金梯度结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；
将基板预热，然后依次以铝合金梯度结构件从下到上对应的铝合金材料的丝材为原料，按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到铝合金梯度结构件坯；所述电弧增材制造过程的路径为完成一层沉积后，熄弧并停止送丝，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造；
将所述铝合金梯度结构件坯进行热处理，得到铝合金梯度结构件。
2.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述电弧增材制造过程中，对所述丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板或工作台连接。
3.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述预热和电弧增材制造过程中，电弧长度为2.8～3.2mm，保护气为氩气，保护气的流量为18～22L/min。
4.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述预热为使用焊机在基板上进行电弧加热，其中焊枪或机床移动速度为200～300mm/min，脉冲频率为2～3Hz，峰值电流为240～260A，峰值电流时间占比为25～35％，基值电流占峰值电流比为15～25％，所述预热的时间以对基板加热的圈数计为1～2圈。
5.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述电弧增材制造过程中，焊枪或机床移动速度为200～300mm/min，送丝角度为40～50°，送丝速度为300～350cm/min，层高为2.5～3.0mm，脉冲频率为2～3Hz。
6.根据权利要求2～5任一项所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述铝合金梯度结构件为下层为2024铝合金，上层为7055铝合金的铝合金梯度结构件，所述电弧增材制造过程中，先以2024铝合金丝材为原料制备2024铝合金梯度层，然后以7055铝合金丝材为原料制备7055铝合金梯度层。
7.根据权利要求6所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述2024铝合金丝材的直径为1.2～1.6mm，所述7055铝合金丝材的直径为1.2～1.6mm；所述热丝电源的热丝电流为90～110A；所述电弧增材制造过程中，每层沉积的热输入包括起弧热输入阶段和稳定热输入阶段，所述起弧热输入阶段的起弧峰值电流为250～300A，起弧峰值电流时间占比为35～40％，起弧基值电流占起弧峰值电流比为20～30％；所述稳定热输入阶段的峰值电流为220～250A，峰值电流时间占比为30～35％，基值电流占峰值电流比为10～15％。
8.根据权利要求7所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述2024铝合金丝材与热丝电源正极的连接点和2024铝合金丝材熔化端的距离为10～20cm，所述7055铝合金丝材与热丝电源正极的连接点和7055铝合金丝材熔化端的距离为10～20cm。
9.根据权利要求6所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述热处理包括固溶热处理和时效热处理，所述固溶热处理的过程为在380～400℃保温4～5h，然后在450～470℃保温8～10h，再在471～475℃保温4～5h；所述时效热处理的过程为在120～150℃保温20～24h。
10.根据权利要求9所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述固溶热处理完成后，水冷至室温，然后在2～3h内进行时效热处理。
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