CN116944633B - 基于tig增材制造提高铝合金各向强韧性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业。本发明无需进行焊后整体热处理，即可在成形件不同取向获得近似相等的强韧性。
Description
技术领域
本发明属于铝合金电弧增材制造方法技术领域，具体涉及基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法。
背景技术
铝合金电弧增材制备技术广泛应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖技术领域，能大幅提高产品质量并显著缩短复杂零部件的制备时间。ER5356铝合金因其密度小、焊接性能优良、抗腐蚀性能优异等特点，成为汽车钣金、飞机油箱等零部件增材成形的优选焊材。ER5356铝合金焊丝的化学成分为：0.25％Si、0.4％Fe、0.1％Cu、0.05-0.2％Mn、4.5-5.5％Mg、0.05-0.2％Cr、0.1％Zn和0.06-0.2％Ti，其余为Al。
电弧增材制备5356铝合金成形件在不同取向强韧性差异较大，为了使不同取向堆焊结构件性能均匀稳定，常采用焊后热处理法和附加其他工艺法。而5356铝合金属于不可热处理型铝合金，热处理对其性能影响甚微，附加其他工艺法使堆焊结构件复杂性和堆焊成本均大幅提升。因此制备出不同取向强韧性近似相等的铝合金堆焊结构件成为亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，能够在成形件不同取向获得近似相等的强韧性。
本发明所采用的技术方案是，基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业。
本发明的特点还在于：
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流150A～230A，脉冲频率2Hz～4Hz，送丝速度3m/min～7m/min，焊接速度0.15m/min～0.36m/min，实验温度为20℃。
步骤3中第六到第十层焊接电流为165A～190A，第十一到第二十层焊接电流为150A～170A，第二十一到第六十层焊接电流为120A～150A。
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的5356铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对铝合金基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，基板预热采用单向式，预热次数为2～3次。
电弧长度为2mm～4mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为1mm～3mm，保护气体流量为10L/min～20L/min。
焊丝采用直径为1.0mm～1.6mm的ER5356铝合金焊丝。
本发明的有益效果是：本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，无需进行焊后整体热处理，即可在成形件不同取向获得近似相等的强韧性。
附图说明
图1是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中TIG电弧增材制造5356铝合金成形过程示意图；
图2是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中TIG电弧增材制造5356铝合金成形实物图；
图3是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中堆焊结构件取样位置图；
图4是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中铝合金断裂韧性试样尺寸图；
图5是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金堆焊结构件微观组织图；
图6是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金堆焊结构件断裂路径图；
图7是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金堆焊结构件断口形貌图。
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。
基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，焊接电流150A～230A、脉冲频率2Hz～4Hz、焊接速度0.15m/min～0.36m/min、实验温度20℃，基板预热采用单向式，预热次数为2～3次；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流150A～230A(前者为基值电流，后者为峰值电流)，脉冲频率2Hz～4Hz，送丝速度3m/min～7m/min，焊接速度0.15m/min～0.36m/min，实验温度为20℃；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
步骤3中第六到第十层焊接电流为165A～190A，第十一到第二十层焊接电流为150A～170A，第二十一到第六十层焊接电流为120A～150A；
电弧长度为2mm～4mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为1mm～3mm，保护气体流量为10L/min～20L/min；
焊丝采用直径为1.0mm～1.6mm的ER5356铝合金焊丝。
实施例1
基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，焊接电流150A、脉冲频率2Hz、焊接速度0.15m/min、实验温度20℃，基板预热采用单向式，预热次数为2次；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流150A，脉冲频率2Hz，送丝速度3m/min，焊接速度0.15m/min，实验温度为20℃；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
步骤3中第六到第十层焊接电流为165A，第十一到第二十层焊接电流为150A，第二十一到第六十层焊接电流为120A；
电弧长度为2mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为2mm，保护气体流量为10L/min；
焊丝采用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝。
实施例2
基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，焊接电流230A、脉冲频率4Hz、焊接速度0.36m/min、实验温度20℃，基板预热采用单向式，预热次数为2次；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流230A，脉冲频率4Hz，送丝速度7m/min，焊接速度0.36m/min，实验温度为20℃；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
步骤3中第六到第十层焊接电流为190A，第十一到第二十层焊接电流为170A，第二十一到第六十层焊接电流为150A；
电弧长度为2mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为2mm，保护气体流量为10L/min；
焊丝采用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝。
实施例3
基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，焊接电流200A、脉冲频率2.5Hz、焊接速度0.2m/min、实验温度20℃，基板预热采用单向式，预热次数为2次；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流200A，脉冲频率2.5Hz，送丝速度4m/min，焊接速度0.2m/min，实验温度为20℃；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
步骤3中第六到第十层焊接电流为170A，第十一到第二十层焊接电流为160A，第二十一到第六十层焊接电流为140A；
电弧长度为2mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为2mm，保护气体流量为10L/min；
焊丝采用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝。
实施例4
基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，焊接电流190A、脉冲频率3Hz、焊接速度0.25m/min、实验温度20℃，基板预热采用单向式，预热次数为2次；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流190A，脉冲频率3Hz，送丝速度5m/min，焊接速度0.25m/min，实验温度为20℃；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
步骤3中第六到第十层焊接电流为180A，第十一到第二十层焊接电流为170A，第二十一到第六十层焊接电流为150A；
电弧长度为2mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为2mm，保护气体流量为10L/min；
焊丝采用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝。
实施例5
基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，焊接电流180A、脉冲频率3.5Hz、焊接速度6m/min、实验温度20℃，基板预热采用单向式，预热次数为2次；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流180A，脉冲频率3.5Hz，送丝速度6m/min，焊接速度0.3m/min，实验温度为20℃；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
步骤3中第六到第十层焊接电流为175A，第十一到第二十层焊接电流为155A，第二十一到第六十层焊接电流为125A；
电弧长度为2mm，层间焊接温度不大于100℃，每层焊枪抬高为2mm，保护气体流量为10L/min；
焊丝采用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝。
本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，基板采用8mm厚的铝合金，通过打磨去除表面氧化层，焊丝选用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝，设备由松下TM1400G3型工业六轴机器人和BP300-TIG交直流焊机组成，保护气使用纯度为99.999％的氩气。
图1为本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中TIG电弧增材制造5356铝合金成形示意图。将打磨、清洗、烘干后的铝合金基板固定于工作台上，堆焊方式选用循环单向式。焊枪起弧方式选用高频振动起弧，基板在堆焊前通过焊枪空走方式预热，焊枪垂直于基板表面，焊丝初始位置紧贴基板，并与基板呈45°角。堆积一层后焊枪自动抬高2mm，当成形件温度降到100℃以下再进行下一层堆积。
图2为本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中TIG电弧增材制造5356铝合金成形实物图，成形件尺寸为170×9×120mm3。
图3为本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金堆焊结构件取样位置图，拉伸试样和断裂韧性试样均沿水平方向、垂直方向和斜向45°三个方向取样，金相试样取自中间稳定区。
图4为本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金断裂韧性试样尺寸图。本发明采用三点弯曲方法测试结构件断裂韧性，实验时将试样放在两条支撑辊上，上方的下压辊以1mm/min的速度向下进给直至断裂，完成断裂韧性测试。
图5为本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金结构件微观组织图，由图可见沉积层和结合层交替组合，沉积层区域较宽，而结合层区域狭窄，如图5(a)所示。结合层微观组织如图5(b)、(d)所示，存在气孔和缩孔缺陷，气孔近似为球状，直径约为50μm，缩孔呈不规则形状，直径小于气孔。沉积层微观组织如图5(c)所示，该区域组织均匀，以等轴晶为主，在灰色α-Al基体上，均匀分布黑色等轴状β-Al3Mg2相和金属间化合物Mg2Si和(FeMn)Al6相。
表1是本发明基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中ER5356铝合金焊丝的强度和塑性。
表1
表2是本发明TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金结构件不同取向的强度和延伸率。水平方向抗拉强度最高(278MPa)，斜向45°方向抗拉强度最低(270MPa)。三种取向的平均强塑性均高于焊丝本身的强塑性，且三种取向最大强度差值不高于8MPa，最大延伸率差值小于6％，表明该工艺制备的增材结构件各向强塑性近似相等。
表2
表3是本发明TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中增材结构件在不同取向的断裂韧性值。水平方向断裂韧性为10.36MPa*m1/2，竖直方向断裂韧性为9.62MPa*m1/2，斜向(45°)断裂韧性为9.67MPa*m1/2。三种取向断裂韧性最大差值仅为0.74MPa*m1/2，表明该工艺制备的增材结构件各向韧性近似相等。
表3
图6是本发明TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金结构件断裂路径图。由图可见水平方向、竖直方向以及斜向45°方向裂纹扩展路径都经历了一个曲折的过程，其中水平方向裂纹扩展路径波动更加明显，裂纹扩展需要更高的能量，对应韧性值更高。
图7是本发明TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法中5356铝合金结构件沿水平方向扩展断裂后的断口形貌图。断口由起裂区、扩展区和剪切唇区三部分组成，断口表面凹凸不平，没有明显的河流花样，如图7(a)(b)所示。起裂区宽度极不均匀，断口以细小的等轴韧窝为主，有少量撕裂棱，如图7(c)所示；裂纹扩展区表面非常粗糙，存在大量韧窝，如图7(d)所示；剪切唇区非常狭窄，由变形韧窝和河流状平面组成，如图7(e)所示，因此整个断口呈现出典型的韧性断裂特征。
由以上宏观形貌、微观组织和强韧性力学性能实验数据可见，通过本专利焊接工艺制备出的5356铝合金增材结构件在不同取向强韧性非常接近，且整体性能得到了较大幅度的提升，可以满足工程结构中不同取向强韧性近似相等的要求。
Claims (1)
1.基于TIG增材制造提高铝合金各向强韧性的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对5356铝合金堆焊结构件所用基板进行预热；
所述步骤1具体为：将打磨、清洗和烘干后的5356铝合金基板固定于工作台上，通过焊枪空走对铝合金基板进行预热，焊枪采用高频振动方式起弧，基板预热采用单向式，预热次数为2~3次；
焊接电流150A~230A、脉冲频率2Hz~4Hz、焊接速度0.15m/min~0.36m/min、实验温度20°C；
步骤2、在预热基板上堆焊5356铝合金薄壁结构件，保证第一层至第五层增材参数一致；
所述步骤2中第一层至第五层增材参数为：焊接电流150A~230A，脉冲频率2Hz~4Hz，送丝速度3m/min~7m/min，焊接速度0.15m/min~0.36m/min，实验温度为20°C；
步骤3、从第六层开始，保证其他条件不变，焊接电流逐层改变，完成堆焊作业；
所述步骤3中第六到第十层焊接电流为165A~190A，第十一到第二十层焊接电流为150A~170A，第二十一到第六十层焊接电流为120A ~150A；
电弧长度为2mm~4mm，层间焊接温度不大于100°C，每层焊枪抬高为1mm~3mm，保护气体流量为10L/min~20L/min；
焊丝采用直径为1.0mm~1.6mm的ER5356铝合金焊丝。
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| JP2013150992A (ja) * | 2012-01-24 | 2013-08-08 | Tetsuo Harada | Ｔｉｇ溶接による肉盛り方法 |
| CN109759707A (zh) * | 2019-01-13 | 2019-05-17 | 大连理工大学 | 一种铝合金环形件激光-tig复合热源增材制造方法 |
| CN111716003A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-29 | 华北水利水电大学 | 铝合金脉冲激光-tig电弧复合增材制造装置及方法 |
| CN114505559A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-05-17 | 昆明理工大学 | 一种薄壁5087铝合金构件的冷金属过渡电弧增材制造方法 |
-
2023
- 2023-06-09 CN CN202310684494.9A patent/CN116944633B/zh active Active
Patent Citations (4)
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