CN112756789B - 铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铝锂合金的激光‑电弧复合增材制造方法，包括：1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型。
Description
技术领域
本发明涉及激光-电弧复合增材制造方法，尤其是涉及一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法。
背景技术
铝锂合金由于其重量轻和刚度强的性质而被应用在航空，航天和军事领域的关键结构中并受到广泛关注，因为铝锂合金不但在密度和比强度方面相比传统铝合金具有更佳的性能，而且其良好的疲劳强度、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能以及耐腐蚀性为航空航天构件带来了更好的损伤容限和耐久性能。
Al-Li合金的优异性能主要归因于添加的Li带来了密度下降和弹性模量提升的效果，每加入1wt％的Li，铝合金密度降低约3％，弹性模量提高约6％。除更好的刚度和强度外，Al-Li合金在低温下的断裂韧性高于传统的铝合金。同时Al-Li合金还比传统的铝合金具有更高的抗疲劳裂纹扩展性和应力腐蚀开裂抗性。
目前铝锂合金主要应用于航空航天中的大型结构件，以达到减重的目的，成型方式主要是为熔铸、粉末冶金等工艺。铝锂合金的熔铸与传统铝合金熔铸相似，但由于Li元素活性高，熔铸过程需进行全方位的保护，设备负责费用高，同时整个过程伴随着剧毒，爆炸等风险，而铸造好的铸锭往往需要多道的冷热加工才能获得目标构件。粉末冶金能达到更高的冷却速率，减少偏析提高固溶度，但成本更加高昂，铸锭尺寸受限。而电磁模拟微重力冶金以及喷射成型工艺成本高，成型尺寸受限无法满足制造应用于航空航天中的大型铝锂合金构件的需求。
因此迫切需要采用一种先进的制造工艺技术来实现大型铝锂合金构件的制造，缩短型号设计验证周期，减少模具装备投入，提升经济效益，提高资源利用率。激光-电弧复合增材制造技术是一种新兴的增材制造方法，在大型结构件成型领域充满前景，相比传统使用电弧作为单一热源的电弧熔丝增材制造（WAAM），具有成型稳定性高，组织均匀缺陷少等优势。同时由于该工艺具有阴极雾化作用，在铝合金的增材制造中充满优势。然而目前传统的激光-电弧增材制造工作使用激光-电弧复合焊接设备开展，材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材，而铝锂合金由于其特殊的性质难以通过铸锭拉拔制丝，因此目前无法以丝材作为增材制造原料成型大型铝锂合金构件。
发明内容
本发明采用一种联用旁轴送粉激光熔化沉积设备与MIG电弧焊枪进行增材制造的工艺技术，通过成熟的铝合金焊丝与铝锂合金粉末，实现铝锂合金的制备成型一体化，实现大型铝锂合金构件的高效制造，并获得了理想的合金成分含量，解决了目前常规的激光-电弧增材制造材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材而铝锂合金又难以获得丝材所导致的增材制造原料成型大型铝锂合金构件所存在的矛盾，实现了激光-电弧复合增材制造成型对铝锂合金的原位制备。本发明中，电弧焊机使用铝合金丝材（如2219）的同时，联用激光熔化沉积增材设备旁轴送高锂含量的铝锂合金粉末，具体技术方案的实施如下：
本发明的技术方案具体为，一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法，包括：
1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；
2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；
3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型。
本发明技术方案中，所述预设的工艺参数中的送粉量m，根据设计铝锂合金粉末的名义成分，采用如下的经验公式确定，
上式中m为送粉量，单位g/s；d为焊丝直径单位mm；v为送丝速度，单位mm/s；ρs为焊丝密度，单位g/cm3；δ为粉末耗散常数，是一个与焊道宽度有关的无量纲参数，实际操作可通过后文公式（2）进行预实验计算；x为目标铝锂合金中锂含量，无量纲；k为有效锂元素利用率，是一个与激光功率有关的无量纲参数，实际操作可通过后文公式（3）进行预实验计算；
在增材参数确定后可通过预实验确定δ和k的取值：
在半封闭空间基板上进行单道成型实验，测定送粉器送出粉量以及环境散落粉量得到该增材参数下δ取值：
试中m送为送粉器送入的粉末质量，单位g；m散为结束后收集到的粉末质量，单位g；
之后沿基板表面取下焊道进行元素成分测定，测定焊道中锂元素含量的质量分数，计算该增材条件下k取值：
式中c为测得的Li元素质量分数，无量纲；S为焊道截面积，单位cm2；L为焊道长度，单位cm；ρd为焊道密度，单位g/cm3。
进一步优选的，沿运动方向，依次布置MIG焊枪和激光熔化沉积头，并且焊枪与垂直方向的夹角α为25-40°，激光束与垂直方向的夹角β取3-8°，光丝间距i为1.5-3mm；金属粉末由激光熔化沉积头的环形送粉口同轴送入熔池，粉末汇聚点为熔池中心。
进一步优选的，所述预设的工艺参数为焊接电流110-125A，焊机电压17.7-19.0V，送丝速度7m/min，运动速度0.36m/min，激光功率1090W。
进一步优选的，所述铝合金丝材为2219，且铝锂合金粉末的名义成分为20wt%的锂和余量的铝。
同时，本发明还提供一种高强度铝锂合金大型构件，其由前述的激光-电弧复合增材制造方法制备得到。
进一步优选的，所述铝锂合金构件的抗拉强度大于300MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，本发明在采用电弧焊机使用铝合金丝材（如2219）的同时，联用激光熔化沉积增材设备旁轴送高锂含量的铝锂合金粉末，从而解决了激光-电弧增材制造材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材而铝锂合金又难以获得丝材所导致的增材制造原料成型大型铝锂合金构件所存在的矛盾，实现了激光-电弧复合增材制造成型对铝锂合金的原位制备。
第二，本发明使用了发明人富于独创的经验公式进行铝锂合金粉末名义成分和送粉量的设计，充分考虑了送粉过程中耗散和烧蚀对于锂元素含量的影响，从而使得成型后铝锂合金构件的成分与设计的目标成分保持一致，从而保证了铝锂合金构件的性能。
第三，采用了前光后丝的设置，并保持适当的光丝间距，配合以MIG焊枪和激光束相应的倾斜夹角，以及合适的工艺参数，从而保证了铝锂合金构件的成型。
附图说明
图1为本发明激光-电弧增材制造的加工示意图。
图2为本发明激光-电弧增材制造成型的铝锂合金与不含锂合金的抗拉强度。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
实施例1
目前成熟的铝锂合金牌号多为由传统的2系铝铜合金成分发展而来，本发明采用2219铝合金丝材和高锂含量铝锂合金粉末为原料成型铝锂合金，具体合金的原材料的名义成分如下表1所示，其中Al-Li预合金粉是最佳选择，20wt.%Li的Al-Li预合金粉中的Li含量已经超出了室温下Li在Al的极限固溶度，且容易计算最终合金的元素含量。
表1 2219铝合金丝材和实施例1选用铝锂合金粉末的名义成分（wt.%）
| 合金 | Li | Cu | Mg | Si | Zr | Mn | Zn | Fe | Al |
| 2219 | - | 5.8 | 0.02 | 0.2 | 0.1-0.25 | 0.2-0.4 | 0.10 | 0.3 | Bal. |
| 铝锂粉 | 20 | Bal. |
本发明实施例1中最终铝锂合金成型构件的目标成分中Li含量应≤2 wt%，因此根
据发明人长期富余创造性的探索总结需的经验公式，计算铝锂合金粉末送粉量m如下：
(1)
上式中m为送粉量，单位g/s；d为焊丝直径单位mm；v为送丝速度，单位mm/s；ρs为焊丝密度，单位g/cm3；δ为粉末耗散常数，是一个与焊道宽度有关的无量纲参数，本实施例实测焊道宽约8mm，计算得到δ取值为0.65，实际操作可通过后文公式（2）进行预实验计算；x为目标铝锂合金中锂含量，无量纲；k为有效锂元素利用率，是一个与激光功率有关的无量纲参数，本实施例激光功率约1090W，计算得到k取值为0.55，实际操作可通过后文公式（3）进行预实验计算。
在增材参数确定后可通过预实验确定δ和k的取值：
在半封闭空间基板上进行单道成型实验，测定送粉器送出粉量以及环境散落粉量得到该增材参数下δ取值：
式中m送为送粉器送入的粉末质量，单位g；m散为结束后收集到的粉末质量，单位g；
之后沿基板表面取下焊道进行元素成分测定，测定焊道中锂元素含量的质量分数，计算该增材条件下k取值：
式中c为测得的Li元素质量分数，无量纲；S为焊道截面积，单位cm2；L为焊道长度，单位cm；ρd为焊道密度，单位g/cm3；
随后，进行加工设备的调试安装，本发明专用的加工设备主要包括激光熔化沉积头、激光热源、送粉器、电弧焊机、焊枪、送丝机。其中，激光熔化沉积头1和MIG焊枪2通过可调节夹具固定在机械手末端关节，以满足同时安装激光熔化沉积装置和焊枪的需求并保证两者之间的相对位置及角度调整。该夹具将激光头固定，通过滑槽、调节平台以及抱箍实现焊枪在三维空间的全向平移调节及绕X轴的旋转调节，且调节范围大，方便后续换装各类焊枪。在本实施例中设备的布置方式以满足下述加工要求为准，具体依次是MIG焊枪2和激光熔化沉积头1沿增材制造的运动方向（如与下部沉积层平行的箭头方向所示），具体布置参数如图所示1：α为焊枪2（即焊丝4）与垂直方向的夹角，其取值应当在25-40°之间，否则，焊枪前端保护气氛将无法良好保护焊道且电弧燃烧稳定性降低，同时还会与激光头的布置产生冲突，特别优选的取30°；β为激光熔化沉积头1（即激光束3）与垂直方向的夹角，其取值应当在3-8°之间，如此能够有效防止激光反射伤害激光头等设备，特别优选取5°；i为光丝间距，其取值应当在1.5-3mm，发明人发现上述取值能保持激光-电弧最好的耦合作用，特别优选取2mm（如图1中局部放大所示）；金属粉末由激光熔化沉积头1的环形送粉口沿送粉路径5同轴送入熔池6，粉末汇聚点为熔池中心。需要注意的是，在对机器人编程的时候务必考虑该设备组合的方向性，保持“前光后丝”的布置，不可反向；送粉器的调节，需参考前面对于送粉量的计算，调节送粉器至前文计算所得量。
随后，根据优选的工艺参数进行增材制造成型加工，具体的工艺参数参见如下表2所示
表2激光-电弧复合增材制造成型的工艺参数
| 参数（单位） | 值 |
| 焊机电流（A） | 110~125 |
| 焊机电压（V） | 17.7~19.0 |
| 送丝速度（m/min） | 7 |
| 运动速度（m/min） | 0.36 |
| 激光功率（W） | 1090 |
| 粉末耗散常数δ | 0.65 |
| 锂元素利用率k | 0.55 |
将上述工艺参数预设入程序中，成型过程由程序自动化控制，在移动的微小熔池中，熔化的金属焊丝和金属粉末原位混合（如图1所示），并且在高冷却速率下，锂元素固溶进铝基体，从而得到目标铝锂合金构件。为得到锂含量约1%wt的铝锂合金构件，使用公式进行送粉量计算，得到m取值为0.078g/s，最终根据对构件的成分分析，构件实际锂含量为0.94wt%左右。由于锂元素的加入，材料中形成Al3Li相和Al2CuLi（T1）相等强化相，从而提高铝合金的刚度和强度，图2为测试结果，在同样的成型工艺参数下，该方法成型的铝锂合金强度远高于无锂铝合金。
实施例2
调整目标铝锂合金的成分含量，在同样的增材工艺下尝试成型锂含量2.5wt%的铝锂合金构件，经计算需要m取值为0.23g/s，最终成型构件经成分检测锂含量为2.43wt%。
实施例3
调整目标铝锂合金的成分含量，在同样的增材工艺下尝试成型锂含量0.65wt%的铝锂合金构件，经计算需要m取值为0.05g/s，最终成型构件经成分检测锂含量为0.63wt%。
比较例1
按照实施例1的目标铝锂合金的成分含量设计成分，即在同样的增材工艺下尝试成型锂含量1wt%的铝锂合金构件，但与实施例1不同的是，并不采用本发明经验公式来计算送粉量，而直接以增材工艺总时间内铝合金丝材的喂料量以及目标成分来测算铝锂粉的送粉量并计算单位时间的送粉量，其余工艺参数均与实施例1相同，最终成型构件经成分检测锂含量为0.65wt%。
比较例2
按照实施例2的目标铝锂合金的成分含量设计成分，即在同样的增材工艺下尝试成型锂含量2.5wt%的铝锂合金构件，但与实施例2不同的是，并不采用本发明经验公式来计算送粉量，而直接以增材工艺总时间内铝合金丝材的喂料量以及目标成分来测算铝锂粉的送粉量并计算单位时间的送粉量，其余工艺参数均与实施例2相同，最终成型构件经成分检测锂含量为1.89wt%。
比较例3
按照实施例3的目标铝锂合金的成分含量设计成分，即在同样的增材工艺下尝试成型锂含量0.65wt%的铝锂合金构件，但与实施例3不同的是，并不采用本发明经验公式来计算送粉量，而直接以增材工艺总时间内铝合金丝材的喂料量以及目标成分来测算铝锂粉的送粉量并计算单位时间的送粉量，其余工艺参数均与实施例3相同，最终成型构件经成分检测锂含量为0.41wt%。
由上述实施例1-3与比较例1-3可以看出，使用本发明经验公式进行送粉量控制的实施例1-3，最终增材制造成型的构件的合金成分与目标设计成分基本没有偏差（一致性超过95%）。而比较例1-3中最终增材制造成型的构件的合金成分与目标设计成分都有较大偏差，并且并没有明确的线性规律可言，只能明确的是目标设计成分锂含量越高，偏差相对较小。然而并不能为了更精确控制成品中Li含量而提高设计成分的Li含量，因为根据现有的成熟牌号铝锂合金设计经验，锂含量不能过高，锂含量最好格控制在2wt %以内，且锂含量的细微差别都对铝锂合金的性能影响显著，因此精确控制锂元素添加十分必要。
出现上述问题，首先是因为前面已经提到的，铝锂合金由于其特殊的性质难以通过铸锭拉拔制丝，因此目前无法以丝材作为增材制造原料，那么只能通过送粉的方式添加Li，然而由于Li元素质量较轻，采用送粉同样存在这烧蚀和飞散的问题，如果不精确控制送粉量，难以保证最终增材制造成型构件的成分与目标设计成分的一致性，如果不经过预实验和计算就进行生产，最终由于送粉速度差异带来的制成品中锂含量将与目标值之间产生巨大偏差。本发明就是要解决上述问题，通过大量富于创造性的劳动，总结出了考虑到粉末耗散以及有效锂元素利用率等因素的经验公式（1），以及粉末耗散和有效锂元素利用率的计算公式（2）和（3）。
特别是对于2219铝合金丝，由于其强度等性能的提升很大程度上依赖于材料中形成Al3Li相和Al2CuLi（T1）相等强化相，而如果Li含量过低会导致Cu/Li比过高而减弱Li的强化作用，使得Al2CuLi（T1）相等强化相的明显减少，从而使得无法有效保证最终合金中的Li成分以有效发挥作用；但如果Li含量过高，又容易在合金中形成过多AlLi脆性相，可见必须对Li的含量精确控制。因此，本发明的制备工艺尤其适用于采用2219铝合金丝的激光-电弧复合增材制造。
综上，本发明在采用电弧焊机使用铝合金丝材的同时，联用激光熔化沉积增材设备旁轴送高锂含量的铝锂合金粉末，从而解决了激光-电弧增材制造材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材而铝锂合金又难以获得丝材所导致的增材制造原料成型大型铝锂合金构件所存在的矛盾，实现了激光-电弧复合增材制造成型对铝锂合金的原位制备。同时，由于采用了富于独创的经验公式进行铝锂合金粉末名义成分和送粉量的设计，从而使得成型后铝锂合金构件的成分与设计的目标成分保持一致，从而保证了铝锂合金构件的性能。此外，采用了前光后丝的设置，并保持适当的光丝间距，配合以MIG焊枪和激光束相应的倾斜夹角，以及合适的工艺参数，从而保证了铝锂合金构件的成型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法，包括：
1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；
2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；
3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型；
其特征在于，所述铝合金丝材为2219，铝锂合金粉末的名义成分为20wt%的锂和余量的铝，所述预设的工艺参数中的送粉量m，根据设计铝锂合金粉末的名义成分，采用如下的经验公式确定，
上式中m为送粉量，单位g/s；d为焊丝直径单位mm；v为送丝速度，单位mm/s；ρs为焊丝密度，单位g/cm3；δ为粉末耗散常数；x为目标铝锂合金中锂含量；k为有效锂元素利用率；
在增材参数确定后可通过预实验确定δ和k的取值：
在半封闭空间基板上进行单道成型实验，测定送粉器送出粉量以及环境散落粉量得到该增材参数下δ取值：
式中m送为送粉器送入的粉末质量，单位g；m散为结束后收集到的粉末质量，单位g；
之后沿基板表面取下焊道进行元素成分测定，测定焊道中锂元素含量的质量分数，计算该增材条件下k取值：
式中c为测得的Li元素质量分数，无量纲；S为焊道截面积，单位cm2；L为焊道长度，单位cm；ρd为焊道密度，单位g/cm3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿运动方向，依次布置MIG焊枪和激光熔化沉积头，并且焊枪与垂直方向的夹角α为25-40°，激光束与垂直方向的夹角β取3-8°，光丝间距i为1.5-3mm；金属粉末由激光熔化沉积头的环形送粉口同轴送入熔池，粉末汇聚点为熔池中心。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的工艺参数为焊接电流110-125A，焊机电压17.7-19.0V，送丝速度7m/min，运动速度0.36m/min，激光功率1090W。
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