CN114505559A - 一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄壁高强度5系铝合金增材制造领域，尤其涉及一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法。本发明采用CMT冷金属过渡电弧增材制造系统，以铝合金为基板，以铝镁焊丝为丝材；基板经预处理后预热至40～100℃，固定在CMT焊机工作台上；构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，并对3D熔覆网络模型进行分层形成系列二维轮廓数据；基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数，在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆堆砌至预设厚度，得到薄壁5087铝合金构件。本发明不经后续热处理制备的薄壁5087铝合金构件，具有较高的强度和较好的成型性。
Description
技术领域
本发明涉及薄壁高强度5系铝合金增材制造领域，尤其涉及一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法。
背景技术
铝合金的密度低，强度高，塑性好，并且具有耐蚀性好，易加工的优点，使其在航空航天，交通运输等方面得到广泛的应用。尤其是在对轻量化有很高要求的航空工业中，铝材是首选的结构材料。但采用传统的成型方法如铸造，锻造，机加工等成型铝合金薄壁壳体零件时易变形，加工质量难以控制。
5系铝合金属于变形铝合金，主要添加元素为Mg，具有良好的成形加工性能和中等强度，但热处理强化效果不佳，可切削性能较差。5087铝合金成分为4.3-5.2％的镁，0.7-1.1％的锰和适当的钛和铬，具有焊接性能好和加工性能好等特点。
目前，5087铝合金主要的加工方法主要包括挤压和轧制，挤压型铝型材适合于生产管、棒、线、型材、条材、角材等长直的半精制品。由于挤压时金属流动的不均匀致使制品的表层与中心、头部与尾部变形不均匀，造成制品热处理后，表面产生粗晶环。其组织性能不均匀。且其生产效率低，常规挤压方法不能实现连续挤压。轧制工艺主要用于生产板材，难以加工复杂度较高的零件。而采用CMT的电弧增材成型则可以成型较为复杂的零件，且具有较高的强度和较好的成型性。
发明内容
本发明针对5087铝合金构件的制备问题，提供一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，即采用CMT冷金属过渡电弧增材制造系统，以铝合金为基板，以铝镁焊丝为丝材，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆堆砌至预设厚度，得到薄壁5087铝合金构件。本发明方法可以精确的控制热输入，降低气孔率并控制厚度的同时保证构件质量，不经后续热处理制备的薄壁5087铝合金构件，具有较高的强度和较好的成型性。
一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，其特征在于，采用CMT冷金属过渡电弧增材制造系统，具体步骤如下：
(1)以铝合金为基板，以铝镁焊丝为丝材；
(2)基板经预处理后预热至40～100℃，固定在CMT焊机工作台上；
(3)构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，以薄壁5087铝合金构件的厚度作为熔覆层的宽度，薄壁5087铝合金构件的长度作为熔覆层的长度，薄壁5087铝合金构件的高度作为熔覆层的高度，并对3D熔覆网络模型从下至上进行分层形成系列二维轮廓数据；
(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数，在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆堆砌至预设厚度，得到薄壁5087铝合金构件；其中工艺参数包括送丝速度、焊接速度、弧长修正范围、气体流量、层抬高、层间等待时间和焊丝干伸长。
所述步骤(1)铝合金中含有Si 4.5～6.0wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al。
所述步骤(1)铝镁焊丝中含有Mg 4.5～5.2wt％、Mn 0.7～1.1wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co 0.1～0.2wt％、Ti≤0.15wt％、Cr 0.05～0.25wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al。
所述步骤(3)送丝速度为3～4m/min，焊接速度90～110mm/min，弧长修正范围为0～5％，气体流量20～40L/min，层抬高1.25～1.75mm，层间等待时间1～2min，焊丝干伸长10～12mm。
优选的，铝合金基板为6061铝合金，铝镁焊丝为5087铝镁焊丝，铝镁焊丝直径为1.2mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用CMT冷金属过渡电弧增材制造系统，具有电弧工作时间短、热输入量小、短路电流小和飞溅现象少的特点，通过改善工艺环境及控制焊接过程参数得到的薄壁5087铝合金构件，其气孔率低，表面质量好，成型性和机械性能良好；
(2)本发明方法能够实现厚度从2～5mm的薄壁5087铝合金构件制备，即使厚度仅为2mm，水平抗拉强度达到318.826MPa，垂直方向抗拉强度达到304.063Mpa。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，具体步骤如下：
(1)以100mm*20mm*10mm铝合金为基板，以直径为1.2mm的铝镁焊丝为丝材；其中铝合金中含有Si 4.5wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；铝镁焊丝中含有Mg 4.5wt％、Mn1.0wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co 0.1wt％、Ti≤0.15wt％、Cr0.08wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；
(2)采用钢丝刷和刮刀去除基板表面的氧化膜和杂质，然后采用丙酮擦拭清理得到预处理基板，基板经预处理后预热至40℃，固定在CMT焊机工作台上，使焊枪处于基板一侧，焊枪与基板呈垂直，焊枪高度为11mm；
(3)构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，以薄壁5087铝合金构件的厚度作为熔覆层的宽度(2mm)，薄壁5087铝合金构件的长度作为熔覆层的长度，薄壁5087铝合金构件的高度作为熔覆层的高度，并对3D熔覆网络模型从下至上进行分层形成40层二维轮廓数据；
(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数：送丝速度为3m/min、焊接速度为100mm/min、弧长修正范围为0～5％、气体流量为20L/min、层抬高为1.75mm、层间等待时间为1min和焊丝干伸长为10mm；
在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆40层，得到薄壁5087铝合金构件；
本实施例薄壁5087铝合金构件的成形构件外观良好，无塌陷，宏观气孔等明显缺陷；在增材试样水平和竖直方向分别切取拉伸试样，进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，结果表明，增材试样的水平抗拉强度达到318.826MPa，垂直方向抗拉强度达304.063Mpa。
实施例2：一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，具体步骤如下：
(1)以100mm*20mm*10mm铝合金(6061铝合金)为基板，以直径为1.2mm的铝镁焊丝为丝材；其中铝合金中含有Si 4.8wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；铝镁焊丝中Mg4.9wt％、Mn 0.7wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co 0.12wt％、Ti≤0.15wt％、Cr 0.10wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；
(2)采用钢丝刷和刮刀去除基板表面的氧化膜和杂质，然后采用丙酮擦拭清理得到预处理基板，基板经预处理后预热至50℃，固定在CMT焊机工作台上，使焊枪处于基板一侧，焊枪与基板呈垂直，焊枪高度为11mm；
(3)构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，以薄壁5087铝合金构件的厚度作为熔覆层的宽度(2mm)，薄壁5087铝合金构件的长度作为熔覆层的长度，薄壁5087铝合金构件的高度作为熔覆层的高度，并对3D熔覆网络模型从下至上进行分层形成40层二维轮廓数据；
(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数：送丝速度为4m/min、焊接速度为110mm/min、弧长修正范围为0～5％、气体流量为20L/min、层抬高为1.75mm、层间等待时间为1.5min和焊丝干伸长为10mm；
在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆40层，得到薄壁5087铝合金构件；
本实施例薄壁5087铝合金构件的成形构件外观良好，无塌陷，宏观气孔等明显缺陷；在增材试样水平和竖直方向分别切取拉伸试样，进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，结果表明，增材试样的水平抗拉强度达到308.647MPa，垂直方向抗拉强度达301.243Mpa。
实施例3：一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，具体步骤如下：
(1)以100mm*20mm*10mm铝合金为基板，以直径为1.2mm的铝镁焊丝为丝材；其中铝合金中含有Si 5.0wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；铝镁焊丝中含有Mg 4.6wt％、Mn0.9wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co 0.15wt％、Ti≤0.15wt％、Cr0.10wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；
(2)采用钢丝刷和刮刀去除基板表面的氧化膜和杂质，然后采用丙酮擦拭清理得到预处理基板，基板经预处理后预热至70℃，固定在CMT焊机工作台上，使焊枪处于基板一侧，焊枪与基板呈垂直，焊枪高度为11mm；
(3)构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，以薄壁5087铝合金构件的厚度作为熔覆层的宽度(2mm)，薄壁5087铝合金构件的长度作为熔覆层的长度，薄壁5087铝合金构件的高度作为熔覆层的高度，并对3D熔覆网络模型从下至上进行分层形成40层二维轮廓数据；
(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数：送丝速度为3.5m/min、焊接速度为100mm/min、弧长修正范围为0～5％、气体流量为30L/min、层抬高为1.5mm、层间等待时间为2min和焊丝干伸长为10mm；
在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆40层，得到薄壁5087铝合金构件；
本实施例薄壁5087铝合金构件的成形构件外观良好，无塌陷，宏观气孔等明显缺陷；在增材试样水平和竖直方向分别切取拉伸试样，进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，结果表明，增材试样的水平抗拉强度达到316.012MPa，垂直方向抗拉强度达302.103Mpa。
实施例4：一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，具体步骤如下：
(1)以100mm*20mm*10mm铝合金为基板，以直径为1.2mm的铝镁焊丝为丝材；其中铝合金中含有Si5.2wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；铝镁焊丝中含有Mg 4.9wt％、Mn1.0wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co 0.18wt％、Ti≤0.15wt％、Cr0.16wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；
(2)采用钢丝刷和刮刀去除基板表面的氧化膜和杂质，然后采用丙酮擦拭清理得到预处理基板，基板经预处理后预热至100℃，固定在CMT焊机工作台上，使焊枪处于基板一侧，焊枪与基板呈垂直，焊枪高度为11mm；
(3)构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，以薄壁5087铝合金构件的厚度作为熔覆层的宽度(2mm)，薄壁5087铝合金构件的长度作为熔覆层的长度，薄壁5087铝合金构件的高度作为熔覆层的高度，并对3D熔覆网络模型从下至上进行分层形成40层二维轮廓数据；
(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数：送丝速度为3.5m/min、焊接速度为110mm/min、弧长修正范围为0～5％、气体流量为40L/min、层抬高为1.25mm、层间等待时间为2min和焊丝干伸长为10mm；
在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆至40层，得到薄壁5087铝合金构件；
本实施例薄壁5087铝合金构件的成形构件外观良好，无塌陷，宏观气孔等明显缺陷；在增材试样水平和竖直方向分别切取拉伸试样，进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，结果表明，增材试样的水平抗拉强度达到332.570MPa，垂直方向抗拉强度达300.530Mpa。
实施例5：一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，具体步骤如下：
(1)以100mm*20mm*10mm铝合金为基板，以直径为1.2mm的铝镁焊丝为丝材；其中铝合金中含有Si 5.8wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；铝镁焊丝中含有Mg 5.1wt％、Mn1.0wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co0.2wt％、Ti≤0.15wt％、Cr0.22wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al；
(2)采用钢丝刷和刮刀去除基板表面的氧化膜和杂质，然后采用丙酮擦拭清理得到预处理基板，基板经预处理后预热至100℃，固定在CMT焊机工作台上，使焊枪处于基板一侧，焊枪与基板呈垂直，焊枪高度为11mm；
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(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数：送丝速度为4m/min、焊接速度为100mm/min、弧长修正范围为0～5％、气体流量为40L/min、层抬高为1.75mm、层间等待时间为2min和焊丝干伸长为10mm；
在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆至40层，得到薄壁5087铝合金构件；
本实施例薄壁5087铝合金构件的成形构件外观良好，无塌陷，宏观气孔等明显缺陷；在增材试样水平和竖直方向分别切取拉伸试样，进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，结果表明，增材试样的水平抗拉强度达到302.680MPa，垂直方向抗拉强度达298.012Mpa。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，其特征在于，采用CMT冷金属过渡电弧增材制造系统，具体步骤如下：
(1)以铝合金为基板，以铝镁焊丝为丝材；
(2)基板经预处理后预热至40～100℃，固定在CMT焊机工作台上；
(3)构建薄壁5087铝合金构件的3D熔覆网络模型，以薄壁5087铝合金构件的厚度作为熔覆层的宽度，薄壁5087铝合金构件的长度作为熔覆层的长度，薄壁5087铝合金构件的高度作为熔覆层的高度，并对3D熔覆网络模型从下至上进行分层形成系列二维轮廓数据；
(4)基于二维轮廓数据，通过Robotstudio软件在线编程规划CMT焊接机器人的焊枪运行轨迹，设置焊接工艺参数，在氩气保护气氛围中，采用CMT焊接机器人按照成形路径往复熔覆并自下而上逐层熔覆堆砌至预设厚度，得到薄壁5087铝合金构件；其中工艺参数包括送丝速度、焊接速度、弧长修正范围、气体流量、层抬高、层间等待时间和焊丝干伸长。
2.根据权利要求1所述薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，其特征在于：步骤(1)铝合金中含有Si 4.5～6.0wt％、Fe≤0.8wt％、Cu≤0.3wt％、Ti≤0.2wt％、Zn≤0.1wt％、Mg≤0.05wt％、Mn≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al。
3.根据权利要求2所述薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，其特征在于：步骤(1)铝镁焊丝中含有Mg 4.5～5.2wt％、Mn 0.7～1.1wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.25wt％、Zn≤0.25wt％、Co 0.1～0.2wt％、Ti≤0.15wt％、Cr 0.05～0.25wt％、Cu≤0.05wt％、杂质≤0.05wt％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法，其特征在于：步骤(3)送丝速度为3～4m/min，焊接速度90～110mm/min，弧长修正范围为0～5％，气体流量20～40L/min，层抬高1.25～1.75mm，层间等待时间1～2min，焊丝干伸长10～12mm。
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