CN111558756B - 基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法 - Google Patents

基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法，具体为：步骤1：将纯铜基板进行表面的机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽，然后将其放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，除去表面的油渍，晾干，放入箱式炉中进行预热；步骤2：将纯铜焊丝及硅青铜焊丝用无水乙醇进行擦拭干净，然后进行烘干处理；步骤3：控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊，最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理；步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面。该方法解决了目前现有铜及铜合金零件制备工艺复杂的问题，提高了产品的力学性能。

Description

基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法
技术领域
本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法。
背景技术
自然界中，铜及铜合金具有大多数金属所不具备的特性，如：优良的低温韧性、电导、导热性、耐腐蚀和隔磁性等，这就是铜及铜合金能够在酸类或碱类介质中依然展现出良好性能的关键，因此，被广泛地应用于电子(电器)、交通运输、石油化工以及航空航天等领域。目前常用的铜构件生产方法有：铸造、锻造、焊接等，其中铸造和锻造的铜制品约占总数的85％以上。这两种技术的短板是工艺流程复杂，生产周期较长，同时还需要特制的模具，使得零件生产成本升高，材料的利用率极低。电弧增材制造技术(Wireand Arc AdditiveManufacture,WAAM)以廉价的电弧作为能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形后的零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制。因此，采用电弧增材制造技术生产铜及铜合金构件能够弥补传统制造技术的缺点，在金属制造领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法，该方法解决了目前现有铜及铜合金零件制备工艺复杂的问题，通过增材-减材手段能够减少关于复杂铜合金零件的加工余量，避免了铜资源的浪费。还能够一次性成形出复杂零件，减少工艺流程，提高了产品的力学性能。
本发明所采用的技术方案是，基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法，具体操作步骤为：
步骤1：将纯铜基板进行表面的机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽，然后将其放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，除去表面的油渍，晾干，放入箱式炉中进行预热；
步骤2：将纯铜焊丝及硅青铜焊丝用无水乙醇进行擦拭干净，然后进行烘干处理；
步骤3：绘制零件三维模型，通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码，将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊，最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理；
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面。
本发明的特征还在于，
步骤1中，纯铜基板为：T2-Y紫铜。
步骤1中，超声波清洗时间为：20min～30min，预热温度为：200℃～250℃。
步骤2中，纯铜焊丝为：S201焊丝，硅青铜焊丝为：S211焊丝。
步骤2中，烘干温度为：50℃～60℃。
步骤3中，堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：260A～280A、焊接电压：25V～28V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：220A～230A、焊接电压：23V～25V。
步骤3中，逐层堆焊过程中：摆幅宽度：2.8mm～3.2mm、摆弧频率：4-5Hz、保护气体：体积分数为99.9％的Ar气。
步骤3中，逐层堆焊过程中：导电嘴焊丝伸出长度为：8mm～12mm；层间的冷却时间为:60s～300s，层间冷却温度为：100℃～150℃，层间的高度值为：2mm～3mm。
步骤4中，焊后热处理的具体过程为：首先将真空管式炉升温至400℃～500℃，保温1-2小时，随炉进行冷却。
步骤5中，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为：Ra 3.2-Ra 1.8。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的制备方法以增材-减材技术为一体，可以缩短铜及铜合金零件的生产周期；使用的是铜及铜合金的焊材，能够提高材料的利用率与零件内部的致密性，节约制造成本。
(2)本发明的制备方法中采用温控仪进行实时监控层间的冷却温度，能够更大程度上提高堆焊成形的效率。
(3)本发明的制备方法在逐层堆焊时，前一道焊缝对后一道焊缝可以起到良好的预热效果，而后一道焊缝又为前一道焊缝起到了良好的热处理作用，提高层间界面的结合能力，以改善零件的综合力学性能。
(4)本发明的制备方法中的焊后整体热处理，不仅可以细化焊缝内部的微观组织，还能避免造成焊后开裂等缺陷。
附图说明
图1是采用本发明方法的实施例3中铜合金薄壁墙体结构的宏观形貌图；
图2是采用本发明方法的实施例3中铜合金薄壁墙体结构中焊缝的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法，具体操作步骤为：
步骤1：将纯铜基板进行表面的机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽，然后将其放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，除去表面的油渍，晾干，放入箱式炉中进行预热；
步骤1中，纯铜基板为：T2-Y紫铜，其尺寸规格为：长×宽×高＝200mm×200mm×10mm。
步骤1中，超声波清洗时间为：20min～30min，预热温度为：200℃～250℃。
步骤2：将纯铜焊丝及硅青铜焊丝用无水乙醇进行擦拭干净，然后进行烘干处理；
步骤2中，纯铜焊丝为：S201焊丝，硅青铜焊丝为：S211焊丝。其尺寸规格均为
Figure GDA0003298233770000041
步骤2中，烘干温度为：50℃～60℃。
步骤3：绘制零件三维模型，通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码，将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊，最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤3中，堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：260A～280A、焊接电压：25V～28V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：220A～230A、焊接电压：23V～25V；
步骤3中，逐层堆焊过程中：摆幅宽度：2.8mm～3.2mm、摆弧频率：4-5Hz、保护气体：体积分数为99.9％的Ar气。
步骤3中，逐层堆焊过程中：导电嘴焊丝(即纯铜焊丝及硅青铜焊丝)伸出长度为：8mm～12mm；层间的冷却时间为:60s～300s，层间冷却温度为：100℃～150℃，层间的高度值为：2mm～3mm。
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理；
步骤4中，焊后热处理的具体过程为：首先将真空管式炉升温至400℃～500℃，保温1-2小时，随炉进行冷却；
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面；
步骤5中，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为：Ra 3.2-Ra 1.8。
实施例1-5中所用的纯铜基板为：T2-Y紫铜，纯铜焊丝为：S201焊丝，硅青铜焊丝为：S211焊丝，紫铜基板尺寸规格为：200mm×200mm×10mm，两种焊丝的丝径均为：
Figure GDA0003298233770000051
实施例1
步骤1：将规格为：200×200×10(mm)的T2-Y紫铜基板的表面进行机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽。放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间为：20min，以除去表面的油渍。晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度为：200℃；
步骤2：将S201紫铜焊丝和S211硅青铜焊丝的表面进行无水乙醇擦拭并烘干，烘干温度为：50℃；
步骤3：将实体零件进行三维建模，并通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码。将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊。堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：260A、焊接电压：25V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：220A、焊接电压：23V；逐层堆焊过程中：摆幅宽度：2.8mm、摆弧频率：4、保护气体：99.9％Ar。导电嘴焊丝(即纯铜焊丝及硅青铜焊丝)伸出长度为：8mm；层间的冷却时间为:300s，层间冷却温度为：100℃，层间的高度值为：2.5mm，最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理，首先将真空炉升温至400℃，保温时间1小时，随炉进行冷却。
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为：Ra 3.2，最终得到铜及铜合金的薄壁墙体结构件。
用实施例1方法所制备出的铜及铜合金的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度266.384MPa，屈服强度147.539MPa，室温冲击功41J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例2
步骤1：将规格为：200×200×10(mm)的T2-Y紫铜基板的表面进行机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽。放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间为：23min，以除去表面的油渍。晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度为：220℃；
步骤2：将S201紫铜焊丝和S211硅青铜焊丝的表面进行无水乙醇擦拭并烘干，烘干温度为：53℃；
步骤3：将实体零件进行三维建模，并通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码。将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊。堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：265A、焊接电压：26V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：225A、焊接电压：23.5V；逐层堆焊过程中：其中摆幅宽度：2.9mm、摆弧频率：4.3、保护气体：99.9％Ar。导电嘴焊丝(即纯铜焊丝及硅青铜焊丝)伸出长度为：9mm；层间的冷却时间为:250s，层间冷却温度为：110℃，层间的高度值为：2.7mm。最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理，首先将真空炉升温至420℃，保温时间1.2小时，随炉进行冷却。
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面抛光两侧面和上下面，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为表面粗糙度为：Ra 3.2，最终得到铜及铜合金的薄壁墙体结构件。
用实施例2方法所制备出的铜及铜合金的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度280.733MPa，屈服强度152.493MPa，室温冲击功46J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例3
步骤1：将规格为：200×200×10(mm)的T2-Y紫铜基板的表面进行机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽。放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间为：25min，以除去表面的油渍。晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度为：225℃；
步骤2：将S201紫铜焊丝和S211硅青铜焊丝的表面进行无水乙醇擦拭并烘干，烘干温度为：55℃；
步骤3：将实体零件进行三维建模，并通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码。将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊。堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：270A、焊接电压：27V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：225A、焊接电压：24V；逐层堆焊过程中：其中摆幅宽度：3.0mm、摆弧频率：4.5、保护气体：99.9％Ar。导电嘴焊丝(即纯铜焊丝及硅青铜焊丝)伸出长度为：10mm；层间的冷却时间为:200s，层间冷却温度为：120℃，层间的高度值为：2.5mm。最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理，首先将真空炉升温至450℃，保温时间1.5小时，随炉进行冷却。
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面抛光两侧面和上下面，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为表面粗糙度为：Ra 1.6，最终得到铜及铜合金的薄壁墙体结构件。
用实施例3方法所制备出的铜及铜合金的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度286.162MPa，屈服强度159.718MPa，室温冲击功48J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
如图1-2所示，可以看出利用该方法成型出的铜合金墙体构件，表面飞溅小，成型精度高，并且无任何焊接裂纹、气孔等缺陷出现，焊缝内部呈现出柱状晶形貌，未发现明显的分层现象。
实施例4
步骤1：将规格为：200×200×10(mm)的T2-Y紫铜基板的表面进行机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽。放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间为：28min，以除去表面的油渍。晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度为：235℃；
步骤2：将S201紫铜焊丝和S211硅青铜焊丝的表面进行无水乙醇擦拭并烘干，烘干温度为：58℃；
步骤3：将实体零件进行三维建模，并通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码。将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊。堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：275A、焊接电压：27V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：230A、焊接电压：24.5V；逐层堆焊过程中：其中摆幅宽度：3.1mm、摆弧频率：4.8、保护气体：99.9％Ar。导电嘴焊丝(即纯铜焊丝及硅青铜焊丝)伸出长度为：11mm；层间的冷却时间为:150s，层间冷却温度为：135℃，层间的高度值为：2.5mm。最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理，首先将真空炉升温至480℃，保温时间1.8小时，随炉进行冷却。
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面抛光两侧面和上下面，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为表面粗糙度为：Ra 1.6，最终得到铜及铜合金的薄壁墙体结构件。
用实施例4方法所制备出的铜及铜合金的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度263.276MPa，屈服强度144.861MPa，室温冲击功42J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例5
步骤1：将规格为：200×200×10(mm)的T2-Y紫铜基板的表面进行机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽。放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间为：30min，以除去表面的油渍。晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度为：250℃；
步骤2：将S201紫铜焊丝和S211硅青铜焊丝的表面进行无水乙醇擦拭并烘干，烘干温度为：60℃；
步骤3：将实体零件进行三维建模，并通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码。将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊。堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：280A、焊接电压：28V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：230A、焊接电压：25V；逐层堆焊过程中：其中摆幅宽度：3.2mm、摆弧频率：5、保护气体：99.9％Ar。导电嘴焊丝(即纯铜焊丝及硅青铜焊丝)伸出长度为：12mm；层间的冷却时间为:60s，层间冷却温度为：150℃，层间的高度值为：3mm。最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理，首先将真空炉升温至500℃，保温时间2小时，随炉进行冷却。
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面抛光两侧面和上下面，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为表面粗糙度为：Ra 1.6，最终得到铜及铜合金的薄壁墙体结构件。
用实施例5方法所制备出的铜及铜合金的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度271.558MPa，屈服强度152.491MPa，室温冲击功45J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
本发明的电弧增材制造方法制备铜及铜合金薄壁零件，利用逐层堆焊时，前一道焊缝对后一道焊缝起到良好的预热效果和后一道焊缝又为前一道焊缝起到良好的热处理效果，使得界面分层处结合能力增强，零件的综合力学性能升高。同时采用电弧增材制造技术相比较于传统的增材制造技术还可以缩短铜制件的生产周期，能够提高材料的利用率，以节约制造成本。因此本发明研究的电弧增材制造技术对于铜及其铜合金零件具有广阔的应用前景以及深远的工程意义。

Claims (1)

1.基于增材制造技术制备铜及铜合金构件的方法，其特征在于，具体操作步骤为：
步骤1：将纯铜基板进行表面的机械处理，打磨至纯铜基板表面带有金属光泽，然后将其放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，除去表面的油渍，晾干，放入箱式炉中进行预热；
步骤2：将纯铜焊丝及硅青铜焊丝用无水乙醇进行擦拭干净，然后进行烘干处理；
步骤3：绘制零件三维模型，通过离线软件对模型进行分层切片，利用仿真软件对切片数据进行路径规划和优化，并生成机器人代码，将代码导入焊接机器人的开源接口中，控制机器人在纯铜基板上进行熔丝逐层堆焊，最终获得铜及铜合金的薄壁墙体结构；
步骤4：将成型后的薄壁墙体结构放入真空管式炉中进行焊后热处理；
步骤5：将热处理后的墙体结构进行减材，抛光铜及铜合金构件其中两侧面及上下底面；
步骤1中，纯铜基板为：T2-Y紫铜；
步骤1中，超声波清洗时间为：20min～30min，预热温度为：200℃～250℃；
步骤2中，纯铜焊丝为：S201焊丝，硅青铜焊丝为：S211焊丝；
步骤2中，烘干温度为：50℃～60℃；
步骤3中，堆焊层数不少于3层，逐层堆焊过程中：第1层、第2层堆焊工艺参数为：焊接电流：260A～280A、焊接电压：25V～28V，第3至最终层堆焊工艺参数为：焊接电流：220A～230A、焊接电压：23V～25V；
步骤3中，逐层堆焊过程中：摆幅宽度：2.8mm～3.2mm、摆弧频率：4-5Hz、保护气体：体积分数为99.9％的Ar气；
步骤3中，逐层堆焊过程中：导电嘴焊丝伸出长度为：8mm～12mm；层间的冷却时间为:60s～300s，层间冷却温度为：100℃～150℃，层间的高度值为：2mm～3mm；
步骤4中，焊后热处理的具体过程为：首先将真空管式炉升温至400℃～500℃，保温1-2小时，随炉进行冷却；
步骤5中，抛光后铜及铜合金构件表面粗糙度为：Ra 3.2-Ra 1.8。
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