CN111112793A

CN111112793A - 一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备

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Publication number: CN111112793A
Application number: CN201911393713.8A
Authority: CN
Inventors: 刘长猛; 符瑞; 高迪; 韩骁; 唐水源
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111112793B

Abstract

本发明提供了一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备，属于镁合金结构件制备技术领域。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；将基板预热，以镁合金丝材为原料，按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到镁合金结构件；所述电弧增材制造过程中，对所述镁合金丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将镁合金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，所述热丝电源的热丝电流为80～100A。本发明在电弧增材制造过程中对丝材辅助加热，在丝材熔融前去除丝材表面水分及杂质，可大幅度降低零件内部的氢气孔，且降低热输入。

Description

一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备

技术领域

本发明涉及镁合金结构件制备技术领域，尤其涉及一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备。

背景技术

镁合金作为最轻质的金属工程结构材料，近年来引起了极大的关注。镁合金具有许多优异的特性，例如密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽能力强、减震性能好、尺寸稳定、加工性能性能优良等，此外，还具有储量丰富、易回收的优势，被誉为“21世纪绿色环保工程材料”。目前，为了实现进一步的轻量化，生产整体结构件是镁合金应用的重要趋势。然而，整体结构件通常具有大尺寸和结构复杂的特点，传统的锻造和铸造加工方式难以实现。因此，需要寻找新的制造方法来生产镁合金整体结构件。而增材制造是基于离散、堆积原理，根据零件的三维模型采用材料逐层堆积形式实现零件的直接制造的方法。镁合金的增材制造主要有激光增材制造和电弧增材制造。

但是，激光增材制造和电弧增材制造均不可避免地会产生大量的气孔，而大量的气孔缺陷导致的低致密度会极大程度地降低镁合金结构件的抗拉强度、屈服强度和延伸率等机械性能。激光增材制造的气孔主要分为析出性气孔和反应性气孔，粉末缝隙间以及保护气等气体会溶解在熔池中，由于熔池快速凝固的特点，这些气体来不及溢出从而残留在熔池内部形成析出性气孔，反应性气孔主要由于高温导致的镁元素烧结，镁蒸汽来不及逸出，在熔池中冷却形成的。电弧增材制造的气孔主要来源于高热输入下丝材及空气中水分分解产生的氢气孔。针对气孔缺陷这一问题，很多研究者通过控制相关的工艺参数实现了一定程度的改善，其中激光增材制造通过调整扫描速率和扫描间距等手段改善气孔缺陷，而电弧增材制造通过调整电流大小、脉冲频率和送丝速度等手段改善气孔缺陷，但是仍然不能从根本上解决气孔缺陷的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及所用设备，本发明所提供的电弧增材制造方法能够从根本上有效减少气孔缺陷，得到高质量镁合金结构件，同时还能避免熔滴飞溅和熔道塌陷的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种镁合金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，然后以镁合金丝材为原料，按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到镁合金结构件；

所述电弧增材制造过程中，对所述镁合金丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将镁合金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，所述热丝电源的热丝电流为80～100A。

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180～200A，峰值电流时间占比为30～40％，基值电流占峰值电流比为15～20％，所述预热的时间以对基板加热的圈数计为1～2圈。

优选地，所述电弧增材制造过程中，焊枪或机床移动速度为200～300mm/min，送丝速度为300～400cm/min，层高为2.0～2.5mm，脉冲频率为2～3Hz。

优选地，所述电弧增材制造过程中的热输入包括依次进行的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180～200A，起弧峰值电流时间占比为30～40％，起弧基值电流占峰值电流比为15～20％；所述稳定热输入阶段的峰值电流为140～160A，峰值电流时间占比为25～30％，基值电流占峰值电流比为10～15％。

优选地，所述起弧热输入阶段的时间以成形3～5层沉积层为准。

优选地，所述镁合金丝材为AZ31镁合金丝材，所述AZ31镁合金丝材的直径为1.2mm。

优选地，所述镁合金丝材与热丝电源的正极的连接点与镁合金丝材的熔化端的距离为15cm。

本发明还提供了一种镁合金结构件的电弧增材制造方法所用设备，包括三轴数控机床、焊机、热丝电源、氩气保护系统、送丝系统和控制系统；所述焊机的焊枪垂直固定在所述三轴数控机床上；所述焊机的负极与所述三轴数控机床的工作台连接，正极与所述焊枪连接；所述氩气保护系统用于提供氩气保护氛围；所述热丝电源的正极用于连接镁合金丝材，所述热丝电源的负极用于连接基板；所述焊机、送丝系统与控制系统通信连接。

本发明提供了一种镁合金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；对所述基板进行预热，然后以镁合金丝材为原料，按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到镁合金结构件；所述电弧增材制造过程中，对所述镁合金丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将镁合金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，所述热丝电源的热丝电流为80～100A。本发明将所述镁合金丝材与热丝电源的正极连接，将基板与热丝电源的负极连接，在进行电弧增材时，在丝材送往熔池下方时会与机床或者零件连通从而形成回路，镁合金具有较大的电阻，将会产生大量的电阻热，电阻热对丝材进行辅助加热，起到预热的作用，会在熔融前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；且电弧增材制造过程中熔滴过渡模式为接触式过渡模式，可避免飞溅。实验结果表明，本发明所提供的电弧增材制造方法能够得到成型精确的镁合金结构件，且有效减少了气孔，同时具有优异的力学性能。

本发明还提供了镁合金结构件的电弧增材制造所用设备，本发明所提供的设备在常规的电弧增材制造设备上加装热丝电源即可，且易于操控，适合工业化应用。

附图说明

图1本发明实施例中镁合金结构件的电弧增材制造的示意图；

图2实施例1所得三维实体模型图和镁合金结构件实物图；

图3实施例1所得镁合金结构件的OM图；

图4实施例1和对比例1所得镁合金结构件的断口SEM图

具体实施方式

对所述基板进行预热，然后以镁合金丝材为原料，按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到镁合金结构件；

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件的加工程序。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，所述三维实体模型的构建所用软件优选为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。

本发明对所述加工程序中的路径没有特殊限定，能够得到最终产品即可。

将加工程序导入控制系统后，本发明将基板预热，然后以镁合金丝材为原料，按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到镁合金结构件。

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3.0mm；保护气优选为氩气，所述氩气的纯度优选为99.99％；所述保护气的流量优选为18～22L/min，更优选为20L/min，电源优选为交流电。在本发明中，上述电弧长度较低，有利于进一步减少熔滴飞溅。

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250mm/min；脉冲频率优选为2～3Hz，更优选为2Hz；峰值电流优选为180～200A，更优选为190A；峰值电流时间占比优选为30～40％，更优选为35％；基值电流占峰值电流比优选为15～20％，更优选为17％；所述预热的时间以对基板加热的圈数计优选为1～2圈，其中1圈是指焊枪沿加工程序设定的电弧增材一层沉积层的路线在基板上运行1圈。在本发明中，所述预热能够使基板形成一个相对较高的温度场，有助于熔滴与基板的连接，改善焊道成型。

在本发明中，所述电弧增材制造过程中，对所述镁合金丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将镁合金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，所述热丝电源的热丝电流为80～100A，更优选为100A；所述镁合金丝材与热丝电源的正极的连接点与镁合金丝材的熔化端的距离优选为15cm。在本发明中，将所述镁合金丝材与热丝电源的正极连接，将基板与热丝电源的负极连接，在进行电弧增材时，在丝材送往熔池下方时会与机床或者零件连通从而形成回路，镁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。

本发明对所述热丝电源与镁合金丝材的连接方式没有特殊限定，采用常规的连接方式即可，在本发明实施例中，所述热丝电源与镁合金丝材优选通过在镁合金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。

本发明对所述热丝电源的具体种类没有特殊限定，能够产生电流即可。

在本发明中，所述基板优选经打磨后使用；所述打磨有助于清理基板表面的水分、杂质以及氧化膜，有利于起弧和进一步减少气孔。

在本发明中，所述镁合金丝材和基板的材质优选为AZ31镁合金。

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，更优选为250mm/min；送丝速度优选为300～400cm/min，更优选为350cm/min；层高优选为2.0～2.5mm，更优选为2.2mm；脉冲频率优选为2～3Hz。在本发明中，上述参数的设定有利于减少熔滴飞溅和熔道塌陷，从而提高镁合金结构件的成型精度。

在本发明中，所述电弧增材制造过程中的热输入优选包括依次进行的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180～200A，更优选为190A；起弧峰值电流时间占比优选为30～40％，更优选为35％；起弧基值电流占峰值电流比优选为15～20％，更优选为17％；所述述起弧热输入阶段的时间优选以成形3～5层沉积层为准，即起弧后，热输入逐渐降低，形成3～5层沉积层后，达到稳定状态，进入稳定热输入阶段；所述稳定热输入阶段的峰值电流优选为140～160A，更优选为150A；峰值电流时间占比优选为25～30％，更优选为27％；基值电流占峰值电流比优选为10～15％，更优选为12％。在本发明中，上述热输入的设定有利于进一步减少熔滴飞溅和熔道塌陷，从而提高镁合金结构件的成型精度。

在本发明中，所述镁合金丝材优选为AZ31镁合金丝材，直径优选为1.2mm。

本发明还提供了一种镁合金结构件的电弧增材制造方法所用设备，包括三轴数控机床、焊机、热丝电源、氩气保护系统、送丝系统和控制系统；所述焊机的焊枪垂直固定在所述三轴数控机床上；所述焊机的负极与所述三轴数控机床的工作台连接，正极与所述焊枪连接；所述氩气保护系统用于提供氩气保护氛围；所述热丝电源的正极用于连接镁合金丝材，所述热丝电源的负极用于连接基板；所述焊机、送丝系统与控制系统通信连接。在本发明中，所述焊机优选为脉冲氩弧焊机，所述焊机优选包括焊机控制器和焊枪；所述送丝系统优选包括送丝机和校直器。

本发明所提供的镁合金结构件的电弧增材制造方法所用设备，在现有的电弧增材设备的基础上，增加了热丝电源，用于对镁合金丝材进行预热，结构简单，且易于操控，适合工业化应用。

本发明对所述镁合金结构件的电弧增材制造方法所用设备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，将镁合金丝材安装在电弧增材设备的送丝器上后，需要将镁合金丝材与热丝电源的正极连接，将基板与热丝电源的负极连接。

如图1所示，为本发明实施例中进行镁合金电弧增材制造的示意图，其中，镁合金基板1放在三轴数控机床2上，且位于脉冲氩弧焊机的焊枪3下方，镁合金丝材7依次通过校直器8和送丝机9送入焊枪3下方，热丝电源4的正极与镁合金丝材7相连，负极与镁合金工作台1相连；氩气保护系统6将氩气通入脉冲氩弧焊的焊枪中位电弧增材提供保护气氛，脉冲氩弧焊机的焊机控制器5、送丝系统的送丝机9与控制系统10通信连接。

下面结合实施例对本发明提供的一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备进行详细的说明，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250mm×50mm×100mm薄壁方为目标结构件，通过solidworks软件构建三维实体模型(如图2中a所示)，然后进行切片处理，层高为2.2mm，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AZ31镁合金丝材安装在图1所示的送丝器上，并通过校直器将所述AZ31镁合金丝材送至焊机下方，将AZ31镁合金材质的基板打磨后固定在三轴数控机床的工作台上方，然后将所述AZ31镁合金丝材与热丝电源的正极连接，所述AZ31镁合金丝材与热丝电源的正极的连接点与镁合金丝材的熔化端的距离为15cm，将工作台与热丝电源的负极连接；

调整电弧长度为3mm，送丝角度为45°，调整脉冲氩弧焊机参数为交流电，设置参数如下：峰值电流190A，峰值电流时间占比为35％，基值电流占峰值电流比为17％，脉冲频率为2Hz，送丝速度为350cm/min，焊机移动速度为250mm/min；

打开纯度为99.99％的氩气阀门至流量达到20L/min，同时启动脉冲氩弧焊机的焊机控制器开关、热丝电源开关和三轴数控机床的开关，按照加工程序中设定的电弧增材一层沉积层的路径在基板上预热2圈，然后，开始送丝，调节热丝电源的电流为100A，开始进行电弧增材，开始送丝后，逐渐降低热输入，在成形4层沉积层后，热输入条件为峰值电流150A，峰值电流时间占比为27％，基值电流与峰值电流比为12％，然后维持上述条件至加工完成，得到镁合金结构件。

所得镁合金结构件的实物图如图2中b所示，由图2可知，本发明所得镁合金结构件成型精度准确，无熔滴飞溅现象。

将本实施例所得镁合金结构件进行切割、镶嵌、打磨、抛光(电解抛光)以及腐蚀处理后，通过光学显微镜和扫描电镜分析晶粒形状和晶粒尺寸大小，结果如图3所示，由图3可知，本实施例所得镁合金结构件的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸在30～40μm。

通Instron5966电子万能材料试验机在室温下以位移速率0.01mm/s(应变率为9.8×10^-4s^-1)测试，应变通过动态视频引伸计记录。测试本实施例所得镁合金结构件的拉伸性能，抗拉强度为235±15MPa，屈服强度为90±10MPa，延伸率为12±3％。

对比例1

采用实施例1的方法制备镁合金结构件，不同之处在于，不使用热丝电源。

图4为实施例1和对比例1所得镁合金结构件的断口SEM图，其中a为对比例1所得镁合金结构件的断口SEM图，b为实施例1所得镁合金结构件的断口SEM图。由图4可以看出对比例1所得镁合金结构件的气孔较多，而对比例1所得镁合金结构件的气孔较少，说明热丝电源的使用，有效减少了气孔缺陷。

采用实施例1中的测试方法测试本实施例所得镁合金结构件的拉伸性能，抗拉强度为200±12MPa，屈服强度为80±10MPa，延伸率为10±4％。

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

1.一种镁合金结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的电弧增材制造的方法，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。

3.根据权利要求1或2所述的电弧增材制造的方法，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180～200A，峰值电流时间占比为30～40％，基值电流占峰值电流比为15～20％，所述预热的时间以对基板加热的圈数计为1～2圈。

4.根据权利要求2所述的电弧增材制造的方法，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，送丝速度为300～400cm/min，层高为2.0～2.5mm，脉冲频率为2～3Hz。

5.根据权利要求2或4所述的电弧增材制造的方法，其特征在于，所述电弧增材制造过程中的热输入包括依次进行的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180～200A，起弧峰值电流时间占比为30～40％，起弧基值电流占峰值电流比为15～20％；所述稳定热输入阶段的峰值电流为140～160A，峰值电流时间占比为25～30％，基值电流占峰值电流比为10～15％。

6.根据权利要求5所述的电弧增材制造的方法，其特征在于，所述起弧热输入阶段的时间以成形3～5层沉积层为准。

7.根据权利要求5所述的电弧增材制造的方法，其特征在于，所述镁合金丝材为AZ31镁合金丝材，所述AZ31镁合金丝材的直径为1.2mm。

8.根据权利要求1所述的电弧增材制造的方法，其特征在于，所述镁合金丝材与热丝电源的正极的连接点与镁合金丝材的熔化端的距离为15cm。

9.一种镁合金结构件的电弧增材制造方法所用设备，其特征在于，包括三轴数控机床、焊机、热丝电源、氩气保护系统、送丝系统和控制系统；所述焊机的焊枪垂直固定在所述三轴数控机床上；所述焊机的负极与所述三轴数控机床的工作台连接，正极与所述焊枪连接；所述氩气保护系统用于提供氩气保护氛围；所述热丝电源的正极用于连接镁合金丝材，所述热丝电源的负极用于连接基板或工作台；所述焊机、送丝系统与控制系统通信连接。