CN112620892B - 一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，属于增材制造领域。通过调节第一焊丝与第二焊丝的送丝导嘴的位置及焊丝的伸出长度，可以控制熔滴滴落速度，减小飞溅，提高熔池流动的稳定性，最终获得晶粒尺寸细小、材料熔合均匀、沉积形貌良好、内部无缺陷的增材金属构件，能达到或超过同组份成分材料铸件的性能，且产品研制开发周期短，加工效率高；同时，熔滴过渡过程中加入了基板预热装置和气体保护罩，可以减轻甚至抑制金属间化合物在增材制造过程中的氧化程度以及开裂倾向。

Description

一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种电弧双丝原位增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法。
背景技术
金属间化合物具有低密度、高比强度、高抗蠕变以及抗氧化性能，是一类性质介于金属与陶瓷之间的有序结构化合物。金属间化合物微观结构上的特点，使得其具有许多传统材料没有的优点，如耐高温，其作为结构材料可应用于航空航天、军事等领域。但现阶段金属间化合物制备制造过程中存在制备工艺成本高、工序复杂等缺点，目前增材制造由于其技术优势，吸引了国内外的研究工作者纷纷投入金属间化合物增材制造技术的开发与研究。
中国专利(申请公布号：CN 111390338 A)，公开了一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其中两根焊丝的送丝方向位于TOP-TIG焊枪的两侧，用于改善TIG电弧增材制造金属间化合物时异质双丝熔化不同步的问题。中国专利(申请公布号：CN 110039156 A)，公开了一种辅丝作用下钨-丝电弧增材制造装置与方法，主丝由第二导丝嘴送出，第二导丝嘴和焊枪分别与电弧增材制造电源的正负极连接，在主丝与焊枪两者之间产生电弧，辅丝从第一导电嘴送出，位于主丝与焊枪的中部，通过调节辅丝的送丝时间从而调整表面成形质量。
上述专利中给出的方法虽然针对两种焊丝，但是采用电弧增材制造方法尤其是等离子弧双丝增材制造方法进行金属间化合物的制备时，因两种金属丝材料熔点、密度等性质存在很大差异，两根焊丝送入电弧中的位置及熔滴过渡的方式仍没有很好的控制方式，从而导致增材制造构件时非常容易发生成型质量差、成分混合不均匀等问题，影响增材构件的质量及其力学性能。因此，对于两根异种材质焊丝，如何在相同电弧的作用下，使两种丝材的熔滴能够稳定连续的送入熔池，最终获得成分混合均匀、成型质量良好的增材制造沉积件是亟待解决的问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，控制熔滴滴落速度，减小飞溅，提高熔池流动的稳定性，获得晶粒尺寸细小、成分混合均匀、成型质量良好、内部无缺陷的增材金属构件。
为实现上述目的，本发明提供了一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法。
本发明所实现的熔滴过渡控制方法包括如下步骤：
步骤1：接通焊接电源，设置焊接电流、焊枪移动速度、送丝速度；
步骤2：调节第一焊丝的轴线与所述焊枪内钨极的轴线间的夹角为50°～60°，第二焊丝的轴线与所述焊枪内所述钨极的轴线间的夹角大于所述第一焊丝与所述钨极的轴线间的夹角5°～10°，所述第一焊丝和所述第二焊丝伸出的端部与位于所述焊枪内所述钨极的轴线的水平间距为8mm，所述第二焊丝端部距离基准面的高度为3.5～8mm，初始的基准面为基板的上表面，所述第一焊丝的送丝导嘴位于所述第二焊丝的送丝导嘴上方；
步骤3：打开系统开关，引燃电弧，同时启动送丝机，开始熔滴过渡过程。
进一步地，所述第一焊丝的熔点低于所述第二焊丝的熔点，所述第一焊丝和所述第二焊丝的送丝导嘴方向一致，均位于电弧的前进方向。
进一步地，所述述焊枪为等离子焊枪。
进一步地，所述第一焊丝为纯铝焊丝，所述第二焊丝为纯钛焊丝。
进一步地，所述步骤2中，所述第一焊丝的送丝导嘴与所述第二焊丝的送丝导嘴的高度差为第二焊丝直径的1/2～2/3。
进一步地，在开始进行熔滴过渡过程前，先设置好预热温度并对基板进行预热；在熔滴过渡过程中，使用尾随气体保护罩。
进一步地，所述步骤3中熔滴过渡过程包括以下3个阶段：
第一阶段：所述第二焊丝通过送丝机送出后，进入到等离子电弧的内焰与外焰之间，形成熔滴；所述第一焊丝通过送丝机送出后，在等离子弧的外焰边缘开始熔化，形成熔滴；
第二阶段：所述第一焊丝与所述第二焊丝的熔滴不断长大，所述第一焊丝的熔点低，熔滴长大速度快，会先从所述第一焊丝端部脱落，落点位于所述第二焊丝端部，并与所述第二焊丝形成的熔滴接触；
第三阶段：所述第二焊丝的熔滴与所述第一焊丝的熔滴混合后滴入熔池中，完成一次熔滴过渡过程，并再次进入第一阶段；
完成一次沉积后，以上一次沉积完成后的沉积件上表面为基准面，调节焊丝的伸出长度和高度，继续沉积，直至构件尺寸达到预定设计标准。
进一步地，所述钨极的直径为3.0mm。
进一步地，所述焊接电流为80A。
进一步地，所述第一焊丝的送丝速度为110cm/min，所述第二焊丝的送丝速度为130cm/min。
进一步地，所述焊枪移动速度为2mm/s。
进一步地，所述第一焊丝和所述第二焊丝可以设置在所述钨极的同一侧或者设置在钨极的两侧。
本发明的技术效果：
由于等离子电弧束流直径小、能量密度高，因此本发明提出了一种基于等离子电弧增材送丝的角度、位置的控制方法，从而控制熔滴滴落速度，减小飞溅，提高熔池流动的稳定性，最终获得晶粒尺寸细小、成分混合均匀、成型质量良好、内部无缺陷、致密度高、力学性能好的增材金属构件，能达到甚至超过铸造工艺制备的相同成分材料的力学性能，且产品研制开发周期短，加工效率高；同时，加入的尾随气体保护罩及基板预热装置，可以减轻甚至抑制金属间化合物在增材制造过程中的氧化程度以及开裂倾向。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1a、1b、1c是本发明的一个较佳实施例的增材制造系统示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的钛铝熔滴过渡过程示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的钛铝熔滴过渡过程照片；
图4是本发明的一个较佳实施例制备的具有50道沉积层的钛铝金属间化合物沉积件横截面金相照片；
图5是本发明的一个较佳实施例制备的具有50道沉积层的钛铝金属间化合物的高倍金相照片。
其中，1是钨极，2是等离子焊枪，3是送丝导嘴，31是第一送丝导嘴，32是第二送丝导嘴，4是第一焊丝，5是第二焊丝，6是等离子电弧，61是外焰，62是内焰，7是沉积成型件，8是基板，11是沉积件。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当放大了部件的实际尺寸。
如图1a、1b、1c所示，等离子电弧增材制造系统包括等离子焊枪2，钨极1，第一送丝导嘴31，第二送丝导嘴32。第一送丝导嘴31送第一焊丝4，第二送丝导嘴32送第二焊丝5。等离子焊枪2喷出等离子电弧6，等离子电弧6包括外焰61和内焰62。
在熔滴过渡过程中，第一焊丝4和第二焊丝5可以设置在钨极1的同一侧(如图1a所示)，或者设置在钨极1的两侧(如图1b和1c所示)。
整个熔滴过渡过程如图2和图3所示，设置好第一焊丝4和第二焊丝5之间的角度和高度之后，第一焊丝4置于外焰61中，第二焊丝5置于内焰62中。第一焊丝4的熔滴先从第一焊丝4的端部脱落，落点位于第二焊丝5的端部，并与第二焊丝5形成的熔滴接触。第二焊丝5的熔滴与第一焊丝4的熔滴混合后滴入熔池中，完成一次熔滴过渡过程。
实施例1：
本发明提供了一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，具体控制方法如下：
步骤1：首先预热基板，到达预热温度后接通等离子焊枪，设置焊接电流为80A，本实施使用的钨极直径为3.0mm；第一焊丝为纯铝焊丝，焊丝直径为0.8mm，送丝速度为110cm/min；第二焊丝为纯钛焊丝，焊丝直径为0.8mm，送丝速度为130cm/min；焊枪移动速度为2mm/s；
步骤2：将第一焊丝与第二焊丝送丝设置于钨极的同侧；调整第一焊丝与等离子焊枪内钨极的轴线间的夹角为50°，第二焊丝与等离子焊枪内钨极的轴线间的夹角为60°；第一焊丝和第二焊丝伸出的端部与位于等离子焊枪内钨极的轴线的水平间距为8mm；第二焊丝端部距离基准面的高度为3.5mm，初始的基准面为基板的上表面；第一焊丝送丝导嘴位于第二焊丝送丝导嘴上方，第一焊丝的送丝导嘴与第二焊丝的送丝导嘴的高度差为第二焊丝直径的1/2；
步骤3：设置好参数后，打开系统开关，引燃电弧，启动送丝机，开始熔滴过渡过程，具体分为以下3个阶段：
第一阶段，第二焊丝通过送丝机送出后，进入到等离子电弧的内焰与外焰之间，形成熔滴；第一焊丝通过送丝机送出后，在等离子弧的外焰边缘开始熔化，形成熔滴；
第二阶段，第一焊丝与第二焊丝的熔滴不断长大，第一焊丝的熔点低，熔滴长大速度快，会先从第一焊丝端部脱落，落点位于第二焊丝端部，并与第二焊丝形成的熔滴接触；
第三阶段，第二焊丝的熔滴与第一焊丝的熔滴混合后滴入熔池中，完成一次熔滴过渡过程，并再次进入第一阶段。
完成一次沉积后，以前一次沉积完成后的沉积件上表面为基准面，调节焊丝的伸出长度和高度，继续沉积，直到达到预先设计的尺寸要求。
实施例2：
步骤1：首先预热基板，到达预热温度后接通等离子焊枪，设置焊接电流为80A，本实施使用的钨极直径为3.0mm；第一焊丝为纯铝焊丝，焊丝直径为0.8mm，送丝速度为110cm/min；第二焊丝为纯钛焊丝，焊丝直径为0.8mm，送丝速度为130cm/min；焊枪移动速度为2mm/s；
步骤2：将第一焊丝与第二焊丝送丝设置于钨极的两侧；调整第一焊丝与等离子焊枪内钨极的轴线间的夹角为60°，第二焊丝与等离子焊枪内钨极的轴线间的夹角为65°；第一焊丝和第二焊丝伸出的端部与位于等离子焊枪内钨极的轴线的水平间距为8mm；第二焊丝端部距离基准面的高度为8mm，初始的基准面为基板的上表面；第一焊丝送丝导嘴位于第二焊丝送丝导嘴上方，第一焊丝的送丝导嘴与第二焊丝的送丝导嘴的高度差为第二焊丝直径的2/3；
步骤3：设置好参数后，打开系统开关，引燃电弧，启动送丝机，开始熔滴过渡过程，具体分为以下3个阶段：
第一阶段，第二焊丝通过送丝机送出后，进入到等离子电弧的内焰与外焰之间，形成熔滴；第一焊丝通过送丝机送出后，在等离子弧的外焰边缘开始熔化，形成熔滴；
第二阶段，第一焊丝与第二焊丝的熔滴不断长大，第一焊丝的熔点低，熔滴长大速度快，会先从第一焊丝端部脱落，落点位于第二焊丝端部，并与第二焊丝形成的熔滴接触；
第三阶段，第二焊丝的熔滴与第一焊丝的熔滴混合后滴入熔池中，完成一次熔滴过渡过程，并再次进入第一阶段。
完成一次沉积后，以前一次沉积完成后的沉积件上表面为基准面，调节焊丝的伸出长度和高度，继续沉积，直到达到预先设计的尺寸要求。
图4为制备的具有50道沉积层的钛铝金属间化合物沉积件横截面的金相照片，图5为制备的具有50道沉积层的钛铝金属间化合物的高倍金相照片，从图中可以看出，得到的金属构件晶粒尺寸细小、成分混合均匀、内部无缺陷且致密度高。
本发明方法以等离子弧为热源，焊丝为增材材料，快速直接成型致密度高、力学性能好的金属材料复杂几何构件，可极大提高材料的利用率，缩短产品的生产周期，大幅提高材料生产效率，同时降低生产成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：接通焊接电源，设置焊接电流、焊枪移动速度、送丝速度，所述焊枪为等离子焊枪；
步骤2：调节第一焊丝的轴线与所述焊枪内钨极的轴线间的夹角为50°～60°，第二焊丝的轴线与所述焊枪内所述钨极的轴线间的夹角大于所述第一焊丝与所述钨极的轴线间的夹角5°～10°，所述第一焊丝和所述第二焊丝伸出的端部与位于所述焊枪内所述钨极的轴线的水平间距为8mm，所述第二焊丝端部距离基准面的高度为3.5～8mm，初始的基准面为基板的上表面，所述第一焊丝的送丝导嘴位于所述第二焊丝的送丝导嘴上方，所述第一焊丝的送丝导嘴与所述第二焊丝的送丝导嘴的高度差为第二焊丝直径的1/2～2/3，所述第一焊丝的熔点低于所述第二焊丝的熔点；
步骤3：打开系统开关，引燃电弧，同时启动送丝机，开始熔滴过渡过程。
2.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，所述第一焊丝和所述第二焊丝的送丝导嘴方向一致，均位于电弧的前进方向。
3.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，在开始进行熔滴过渡过程前，先设置好预热温度并对基板进行预热；在熔滴过渡过程中，使用尾随气体保护罩。
4.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，所述步骤3中熔滴过渡过程包括以下3个阶段：
第一阶段：所述第二焊丝通过送丝机送出后，进入到等离子电弧的内焰与外焰之间，形成熔滴；所述第一焊丝通过送丝机送出后，在等离子弧的外焰边缘开始熔化，形成熔滴；
第二阶段：所述第一焊丝与所述第二焊丝的熔滴不断长大，所述第一焊丝的熔点低，熔滴长大速度快，会先从所述第一焊丝端部脱落，落点位于所述第二焊丝端部，并与所述第二焊丝形成的熔滴接触；
第三阶段：所述第二焊丝的熔滴与所述第一焊丝的熔滴混合后滴入熔池中，完成一次熔滴过渡过程，并再次进入第一阶段；
完成一次沉积后，以上一次沉积完成后的沉积件上表面为基准面，调节焊丝的伸出长度和高度，继续沉积，直至构件尺寸达到预定设计标准。
5.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，所述钨极的直径为3.0mm。
6.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，所述焊接电流为80A。
7.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，所述第一焊丝的送丝速度为110cm/min，所述第二焊丝的送丝速度为130cm/min。
8.如权利要求1所述的增材制造金属间化合物的熔滴过渡控制方法，其特征在于，所述焊枪移动速度为2mm/s。
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