CN117161512A - 一种稀土镁合金构件的增材制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种稀土镁合金构件的增材制造工艺，步骤如下：一、取镁合金基板，并在温度为80℃的环境下预热30～60min；二、在预热完成后的镁合金基板上，采用熔化极气体保护焊工艺，并按照逐层堆砌的方法进行增材件的制备，焊接时，焊枪位于镁合金基板的上方，且两者的垂直距离为15～35mm，焊枪与竖直面之间的夹角为10～30°，焊丝采用稀土镁合金丝材，且焊丝的干伸长度为10～30mm，并设计了特定的焊接工艺参数。与现有技术相比，本发明减少了稀土镁合金电弧熔丝增材制造中的烟尘和飞溅现象，可以有效控稀土镁合金制增材结构件的气孔和氧化夹杂，避免了因飞溅产生的内部质量缺陷，提高了稀土镁合金增材制造件的工艺性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种稀土镁合金构件的增材制造工艺。
背景技术
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、良好的阻尼减震性能和电磁屏蔽性能、生物相容性好等优点，在汽车、电子、医疗和航空航天等领域都有较好的应用前景。随着镁合金应用领域的不断拓展，以增材制造为代表的镁合金构件先进成型制造方法也越来越受到人们的关注。金属增材制造技术按材料状态可以分为激光粉末床熔融技术(以下简称SLM)、电弧熔丝增材制造(以下简称WAAM)等。WAAM与SLM相比，各有优劣。WAAM所用材料是线材，SLM所用材料为粉末，前者成本较低，同时对于镁合金材料来说，线材的安全性要远远高于粉末材料，另外WAAM工艺原则上对组件尺寸没有限制，特别适合增材制造较大尺寸的产品。综上，镁合金电弧增材制造工艺有成本低、效率高的优势，特别适合工业上较大产品的应用。
相比于钢、铝、钛合金，镁合金的增材制造处于研究初期，主要集中在镁铝锌(AZ)系等常规普通性能的镁合金的增材制造方面，无法满足航空、航天、兵器、汽车等领域对于高性能镁合金增材制造的迫切需求。稀土镁合金由于添加了稀土元素使得性能大大提高，在上述领域有广泛的应用前景，但其增材制造工艺研究尚处于探索阶段，稀土镁合金的电弧增材技术仍然面临很多问题，具体如下：
(1)热累积严重，晶粒粗大严重。稀土镁合金导热系数只有普通镁合金的四分之一，在电弧增材过程中层间热累积严重，晶粒在热的作用下会快速长大，产生对性能不利的组织，从而降低增材构件的力学性能。
(2)能量输入控制难。焊丝输入能量过低，会形成大熔滴过渡和低短路过渡，更容易发生飞溅。焊丝输入能量过高，由于饱和蒸汽压很高，熔滴蒸发严重。
(3)飞溅现象明显，增材制造的形状控制(形状控制指增材件的粗糙度、精度等)和性能控制(性能控制指增材件的力学性能等)难度大，影响外部和内部质量。稀土镁合金熔沸点低，电弧增材过程中电弧稳定性较差，飞溅大造成焊缝成型性差，边缘不规则，焊缝不平直，且飞溅的材料也是一种浪费，增加了成本。
(4)容易出现氢气孔。稀土镁合金采用熔化极气体保护焊(以下简称GMAW)工艺在焊丝不断熔化凝固的过程中，焊丝中氧化膜会使附着的水分强烈溶入熔滴，造成熔池增氢，致使组织的气孔率较高。
以上这些问题都严重影响了稀土镁合金电弧增材制造的产业应用，亟需解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种稀土镁合金构件的增材制造工艺，以减少稀土镁合金电弧增材工艺实施时的飞溅现象和增材件组织出现氢气孔的现象，提高稀土镁合金增材构件的外观质量和内部质量，提高力学性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种稀土镁合金构件的增材制造工艺，其特征在于步骤如下：
一、取镁合金基板，并在温度为60～80℃的环境下预热30～60min；预热可在烘箱内进行；
二、在预热完成后的镁合金基板上，采用熔化极气体保护焊工艺，并按照逐层堆砌的方法进行增材件的制备，焊接时，焊枪位于镁合金基板的上方，且两者的垂直距离为15～35mm，焊枪与竖直面之间的夹角为10～30°，焊丝采用稀土镁合金丝材，且焊丝的干伸长度为10～30mm；同时，焊接工艺参数为：焊接电压18～25V，焊接电流峰值180～280A，脉冲频率3～15Hz，送丝速度2～10m/min，焊枪的移动速度300～1200mm/min，保护气流量18～30L/min。
优选地，所述稀土镁合金丝材的稀土成分为Mg-Gd-Y、Mg-Y-Zn中的一种。
优选地，所述镁合金基板为普通AZ系镁合金基板或其它成分的镁合金基板，其厚度大于或等于10mm，且在镁合金基板下方放置一块具有散热能力的金属板材。
进一步地，所述具有散热能力的金属板材为铜板材。
在上述方案中，优选地，所述稀土镁合金丝材的直径为1.2～3.0mm。
优选地，所述保护气为氦气和二氧化碳混合气体，且氦气与二氧化碳的体积比为8～10：1。
现有常见的保护气一般是氩气或者是具有氩气的混合气。而本发明中，保护气主要成分为氦气，氦气的导热率较大，在相同的焊接电流下，电弧温度高，焊缝有较大的熔透率。添加一定比例的二氧化碳可以降低稀土镁合金熔滴中氢含量，减少气孔，提高增材件的质量。同时本发明采用较大的保护气流量能增加散热辅助冷却，减少层间的热累积，从而限制晶粒长大，进一步提高增材件的力学性能。
进一步地，步骤二中，焊枪采用三角摆动方式进行焊接，且摆动幅度0.5～15mm，摆动频率1～12Hz。摆动方式进行焊接也就是摆焊，是指沿着焊缝方向以特定角度周期性左右摆动进行焊接。摆焊分为锯齿摆焊、正弦摆焊、三角摆焊及圆形摆焊。三角摆焊是指焊炬末端沿着焊接方向做连续的三角形运动并不断沿着焊接方向进给从而实现摆动焊接的一种焊接方式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明作为稀土镁合金的电弧增材制造工艺，通过工艺参数的反复优化和精确调控，总结出GMAW焊接工艺下稀土镁合金电弧增材制造的最佳工艺条件，用较高的电流产生喷射过度，并将焊枪处在合适的位置，提高电弧稳定性，降低了稀土镁合金烟尘和飞溅问题，同时对氦气和二氧化碳的混合气体采用较大气流量辅助冷却散热，提高了增材件的质量。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种丝材直径为1.2mm的Mg-Y-Zn系稀土镁合金电弧增材工艺制造多层堆砌板状结构的方法，步骤如下：
(1)准备尺寸为300×100×10mm的AZ31镁合金板作为基板，同样大小的铜板作为底部散热板，并将AZ31基板放进烘箱预热30min，温度为80℃；
(2)将基板固定在工作台上，调整焊枪高度18mm(高度指的是焊枪与基板之间的垂直距离，下同)，焊枪倾斜角度10°(倾斜角度指的是焊枪与竖直面之间的夹角，下同)，调整稀土镁合金丝材的干伸长度至12mm；
(3)设置GMAW焊接合适的工艺参数，包括：焊接电压19.6V，焊接电流峰值200A，脉冲频率5Hz，送丝速度6m/min，焊枪的移动速度800mm/min，通入氦气和二氧化碳混合气体作为保护气，两者的体积比为9：1，保护气流量25L/min；焊枪摆动方式为三角摆动，摆动幅度4mm，摆动频率5Hz；
(4)启动设备，按照逐层堆砌的方法进行增材件的制备。
本实施例获得尺寸为200×100×12mm的稀土镁合金多层堆砌板状增材件，工艺实施过程中，烟尘和飞溅较少。增材件表面质量好，成形精度较高，无表面气孔和裂纹。通过高倍观察和金相检测发现层与层之间结合情况较好，X射线检测基本没有发现夹杂和气孔，评级在二级以上，通过时效处理后的力学拉伸试样抗拉强度超过365MPa，达到了该材料铸造成型后经同样时效处理后的力学性能。
实施例2：
本实施例提供了一种丝材直径为1.6mm的Mg-Y-Zn系稀土镁合金电弧增材工艺制造多层堆砌板状结构的方法，步骤如下：
(1)准备尺寸为300×100×10mm的AZ31镁合金板作为基板，同样大小的铜板作为底部散热板，并将AZ31基板放进烘箱预热30min，温度为80℃；
(2)将基板固定在工作台上，调整焊枪高度25mm，焊枪倾斜角度20°，调整稀土镁合金丝材的干伸长度至20mm；
(3)设置GMAW焊接合适的工艺参数，包括：焊接电压21V，焊接电流峰值255A，脉冲频率8Hz，送丝速度5m/min，焊枪的移动速度500mm/min，通入氦气和二氧化碳混合气体作为保护气，两者的体积比为9：1，保护气流量27L/min；焊枪摆动方式为三角摆动，摆动幅度8mm，摆动频率2Hz；
(4)启动设备，按照逐层堆砌的方法进行增材件的制备。
本实施例获得尺寸为200×100×23mm的稀土镁合金多层堆砌板状增材件，工艺实施过程中，烟尘和飞溅较少。增材件表面质量良好，没有发现表面气孔和裂纹。通过高倍观察和金相检测发现增材件层与层之间结合情况较好，X射线检测基本没有夹杂和氢气孔，质量评级为二级以上。通过时效处理后的力学拉伸试样抗拉强度超过360MPa，与该材料铸造成型后经同样时效处理后的力学性能基本一致。
实施例3：
本实施例提供了一种丝材直径为1.6mm的Mg-Gd-Y系稀土镁合金电弧增材工艺制造多层堆砌板状结构的方法，步骤如下：
(1)准备尺寸为300×100×10mm的AZ31镁合金板作为基板，同样大小的铜板作为底部散热板，并将AZ31基板放进烘箱预热30min，温度为80℃；
(2)将基板固定在工作台上，调整焊枪高度23mm，焊枪倾斜角度18°，调整稀土镁合金丝材的干伸长度至20mm；
(3)设置GMAW焊接合适的工艺参数，包括：焊接电压22V，焊接电流峰值240A，脉冲频率8Hz，送丝速度3m/min，焊枪的移动速度400mm/min，通入氦气和二氧化碳混合气体作为保护气，两者的体积比为9：1，保护气流量30L/min；焊枪摆动方式为三角摆动，摆动幅度6mm，摆动频率2Hz；
(4)启动设备，按照逐层堆砌的方法进行增材件的制备。
本实施例获得尺寸为200×100×20mm的稀土镁合金多层堆砌板状增材件，工艺实施过程中，烟尘和飞溅少。增材件表面质量好，成形精度较高，没有发现表面气孔和裂纹。通过金相检测发现增材件层与层之间结合情况较好，X射线检测仅发现少量的夹杂和氢气孔，质量评级为二级以上。通过时效处理后的力学拉伸试样抗拉强度超过347MPa，与该材料铸造成型后经同样时效处理后的力学性能基本一致。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，区别在于本实施例中：
稀土镁合金丝材的直径为3mm；
步骤(1)的预热温度为60℃，预热时间为60min；
步骤(2)的焊枪高度15mm，焊枪倾斜角度30°，稀土镁合金丝材的干伸长度为10mm；
步骤(3)的焊接电压25V，焊接电流峰值280A，脉冲频率3Hz，送丝速度10m/min，焊枪的移动速度1200mm/min，氦气和二氧化碳的体积比为8：1，气流量18L/min，焊枪摆动幅度0.5mm，摆动频率12Hz。
本实施例工艺实施过程中，烟尘和飞溅少。增材件表面质量好，成形精度较高。具有较好的外部质量和内部质量。
实施例5：
本实施例与实施例3基本相同，区别在于本实施例中：
稀土镁合金丝材的直径为1.2mm；
步骤(1)的预热温度为70℃，预热时间为50min；
步骤(2)的焊枪高度35mm，焊枪倾斜角度10°，稀土镁合金丝材的干伸长度为30mm；
步骤(3)的焊接电压18V，焊接电流峰值180A，脉冲频率15Hz，送丝速度2m/min，焊枪的移动速度300mm/min，氦气和二氧化碳的体积比为10：1，气流量30L/min，焊枪摆动幅度15mm，摆动频率1Hz。
同样，本实施例工艺实施过程中，烟尘和飞溅少。增材件表面质量好，成形精度较高。具有较好的外部质量和内部质量。
综上，本发明在稀土镁合金导热情况差，GMAW焊接工艺性能差的情况下，优化出一套合适的工艺参数，并使用体积比为9：1的氦气和二氧化碳的混合气体作为保护气对工艺过程进行保护，以制备出烟尘和飞溅较少、内部和外部质量良好、力学性能优异的稀土镁合金增材构件。
Claims (7)
1.一种稀土镁合金构件的增材制造工艺，其特征在于步骤如下：
一、取镁合金基板，并在温度为60～80℃的环境下预热30～60min；
二、在预热完成后的镁合金基板上，采用熔化极气体保护焊工艺，并按照逐层堆砌的方法进行增材件的制备，焊接时，焊枪位于镁合金基板的上方，且两者的垂直距离为15～35mm，焊枪与竖直面之间的夹角为10～30°，焊丝采用稀土镁合金丝材，且焊丝的干伸长度为10～30mm；同时，焊接工艺参数为：焊接电压18～25V，焊接电流峰值180～280A，脉冲频率3～15Hz，送丝速度2～10m/min，焊枪的移动速度300～1200mm/min，保护气流量18～30L/min。
2.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于：所述稀土镁合金丝材的稀土成分为Mg-Gd-Y、Mg-Y-Zn中的一种。
3.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于：所述镁合金基板为普通AZ系镁合金基板或其它成分的镁合金基板，其厚度大于或等于10mm，且在镁合金基板下方放置一块具有散热能力的金属板材。
4.根据权利要求3所述的增材制造工艺，其特征在于：所述具有散热能力的金属板材为铜板材。
5.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于：所述稀土镁合金丝材的直径为1.2～3.0mm。
6.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于：所述保护气为氦气和二氧化碳混合气体，且氮气与二氧化碳的体积比为8～10：1。
7.根据权利要求1～6中任一权项所述的增材制造工艺，其特征在于：步骤二中，焊枪采用三角摆动方式进行焊接，且摆动幅度0.5～15mm，摆动频率1～12Hz。
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| PB01 | Publication | ||
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