CN116890155A - 一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电弧增材制造技术领域，公开了一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法。该方法包括混合铜颗粒、有机溶剂丙酮与粘结剂聚乙烯醇制备涂层溶液，进而均匀涂覆在预处理的不锈钢基板上。在电弧增材制造过程中，铜涂层被完美地融合到基板中，形成性能优良的复合材料部件。此方法不仅增强了部件的电磁屏蔽能力和热传导性，还提高了其耐腐蚀性。本发明为制备具有特定性能需求的复合部件提供了一种简便、有效的方法。

Description

一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法

技术领域

本发明属于电弧增材制造领域，具体涉及一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法，适用于通过电弧增材制造技术制备的部件，利用铜的导热性、电导性和耐腐蚀性，显著提高了增材制造部件的整体性能。

背景技术

增材制造技术，特别是电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)，在近年来受到了广泛的关注。这主要归功于其高效、低成本以及能够制造出具有复杂几何形状的零件的能力。其中，气体金属弧焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)技术是WAAM的常用方法。该技术在保护气的作用下，利用焊丝和焊件之间的电弧熔化连续送给的焊丝和母材，从而形成熔池和焊缝。

传统的WAAM技术通常只使用单一材料进行制造，但随着工业应用的增加，出现了在增材制造过程中实现更多功能的需求。例如，铜，由于其优越的导热性、电导性和耐腐蚀性，已被认为是与常用的结构材料如不锈钢结合的理想选择。铜的这些特性使得WAAM制造的部件可以实现多种功能，如提高部件的电磁屏蔽能力、增强热传导以及提高部件的耐腐蚀性。

然而，单纯地利用铜或其他功能性材料在WAAM中并不能充分发挥其潜力。为了充分利用这些材料的特性，需要开发出新的制造方法和技术策略。预制铜涂层便提供了一种在WAAM中整合铜和其他结构材料的有效途径。

尽管铜和铜基复合材料在许多应用中都显示出了其独特的优势，但在电弧增材制造中，如何有效地将铜与其他材料结合(例如由于熔点差异、金属间的反应等因素)以及如何确保制造出的部件能够满足性能需求，仍然是一个尚未解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法，解决增材制造部件导热性、电导性和耐腐蚀性不足的问题。通过在不锈钢电弧增材制造过程中预先涂覆铜涂层，进而实现对成形件的性能强化。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法，包括以下步骤：

步骤一、对基板进行预处理：利用砂轮机和适当的砂纸打磨基板表面，去除氧化层，使基板表面呈现金属光泽。确保基板表面平整，然后使用酒精在超声波清洗机中清洗基板，并进行真空干燥。预处理后的基板固定在焊接工作台上。

步骤二、配制铜涂层溶液：将铜颗粒与有机溶剂丙酮混合，并加入适量的粘结剂聚乙烯醇，制备成均匀的涂层溶液。

步骤三、涂覆铜涂层：使用步骤二制备的涂层溶液，均匀地涂覆在步骤一处理好的基板上。

步骤四、干燥涂层：在恒温条件下进行高温干燥，确保涂层完全干燥。

步骤五、增材制造：采用WAAM技术实施增材制造，确保铜涂层与基板完美结合，形成复合材料部件。

所述的焊接方法为：采用熔化极气体保护焊制备复合熔覆层。具体地，利用气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，使用纯氩气作为保护气体，以确保电极和熔池不被氧化。焊接参数包括焊接电流为150-180A，焊接电压为21-23V，焊接速度为0.3-0.45m/min，氩气流量为12-13L/min。

所述的预制铜涂层制作方法为：首先，取12ml的有机溶剂丙酮。随后，将1.5g的粘结剂聚乙烯醇加入其中，该粘结剂材质为硅酸钠溶液，其在常温20℃下的波美度为42，模数为2.28。其中，二氧化硅的含量为28％，氧化钠的含量为10.5％。在混合过程中，缓慢加入18g的铜颗粒，继续搅拌至得到均匀的涂层溶液。

所述的电弧增材制造选用PanasonicYD-350GLW型熔化极气体保护焊机，在增材制造过程中，该焊机确保铜涂层与基板之间的完美结合。

在增材制造过程中，采用Panasonic YD-350GLW型熔化极气体保护焊机，焊机电源的设置参数为：焊接电流为140-180A，焊接电压为20.5-23.5V，焊接速度为0.25-0.45m/min，氩气的流量为11-13L/min，熔覆层的厚度为0.5-2.5mm，熔覆角度垂直于基板方向。为确保铜涂层与焊丝良好结合，焊丝与涂层距离控制在1-1.2mm。

所用的基板材质为Q235低碳钢，具有较好的机械性能和焊接性能，尺寸为200mm×30mm×13mm。为了确保焊接的质量和性能，焊丝选用的材质为316L不锈钢，这种不锈钢在多种环境中都具有优良的耐腐蚀性。

本发明借助铜的高导热特性、电导性和出色的防腐性能，结合电弧增材制造，成功实现了增材部件性能的强化。

采用本发明的方法，可以显著提高增材制造部件的性能，操作简便，成本较低，适用于各种不锈钢材料的电弧增材制造。

附图说明：

图1为基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法的流程示意图

图2为本发明利用预制铜涂层进行的电弧增材制造的过程示意图

具体实施方式

本实施例描述了一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法的具体操作步骤和参数。

步骤一、基板预处理：选取尺寸为200mm×30mm×13mm的Q235低碳钢作为基板；使用砂轮机和P120砂纸打磨基板表面，去除氧化层，使基板表面呈现出金属光泽；使用酒精在超声波清洗机中清洗基板，然后在60℃下真空干燥30分钟；预处理后的基板固定在焊接工作台上，确保基板表面平整。

步骤二、铜涂层溶液配制：取12ml的有机溶剂丙酮；将1.5g的硅酸钠溶液型粘结剂聚乙烯醇加入其中。该粘结剂在20℃下的波美度为42，模数为2.28；缓慢加入18g的铜颗粒(颗粒大小为10-20微米)，持续搅拌至得到均匀的涂层溶液。

步骤三、涂覆铜涂层：使用刷子或喷涂设备，将配制好的铜涂层溶液均匀地涂覆在预处理好的基板上，确保涂层的均匀性；在恒温烘箱中以150℃进行高温干燥2小时，确保涂层完全干燥。

步骤四、电弧增材制造：使用Panasonic YD-350GLW型熔化极气体保护焊机进行WAAM增材制造；设置焊接参数：焊接电流为160A，焊接电压为22V，焊接速度为0.35m/min，氩气流量为12.5L/min；使用316L不锈钢焊丝作为填料，保证焊丝与涂层的距离在1.1mm，确保铜涂层与基板之间的完美结合，形成复合材料部件。

步骤五、后处理：如果需要，可以对增材制造后的部件进行后续热处理或机械处理，以优化部件的结构和性能。

通过上述步骤，成功地使用了预制铜涂层的电弧增材制造强化方法，实现了部件性能的强化。此实施例仅为示范，不限于上述具体操作步骤和参数。

Claims (6)

1.一种基于预制铜涂层的电弧增材制造强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基板预处理：使用砂轮机与精确的砂纸序列对基板表面进行打磨，去除氧化层及其它表面缺陷，随后利用酒精溶液在超声波清洗设备中进行洁净，最终进行真空干燥。处理后的基板固定于焊接工作台，确保平稳；

步骤二、预制铜涂层配制：量取有机溶剂丙酮12ml于烧杯中，缓慢加入1.5g聚乙烯醇粘结剂，持续搅拌10分钟搅拌。接着缓慢加入5-15微米的铜颗粒18g，通过搅拌确保涂层溶液均匀；

步骤三、铜涂层涂覆：将步骤二的涂层溶液均匀涂覆于步骤一的基板，涂层厚度控制在0.5-1.5mm；

步骤四、涂层干燥：于恒温工作台中以150℃进行干燥2-3小时，确保涂层完全干燥；

步骤五、增材制造：采用Panasonic YD-350GLW型焊机进行熔化极气体保护焊制备复合材料部件，涂层与基板一体成形。

2.根据权利要求1描述的方法，其特征在于，所述步骤二的铜涂层溶液中，铜颗粒尺寸为5-15微米，此尺寸范围确保涂层均质并具有良好的附着力。

3.根据权利要求1描述的方法，其特征在于，所述步骤二的涂层溶液中，丙酮的蒸发确保铜颗粒在基板上的均匀分布。

4.根据权利要求1描述的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇作为粘结剂，经过干燥后具有足够的黏度，以确保铜颗粒在基板上的稳定附着。

5.根据权利要求1描述的方法，其特征在于，所述步骤五的焊接参数为：焊接电流140-180A，焊接电压20.5-23.5V，焊接速度0.25-0.45m/min，氩气流量11-13L/min，焊枪与基板垂直，使用直径为1.2mm的焊丝，并与涂层的距离控制在1-1.2mm内。

6.根据权利要求1描述的方法，其特征在于，所述基板为Q235低碳钢，具有优良的焊接性能，而焊丝选用的材质为316L不锈钢，具有优良的耐腐蚀性。