CN117300296A - 无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法 - Google Patents
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Abstract
无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，材料为金属丝材，所述电弧增材的打印路径为矩形路径或三角形路径，所述矩形路径或三角形路径至少包含一个长边和一个短边，所述长边的打印时间与短边的打印时间的比值大于等于2.5且小于3。所述短边的打印速度不高于长边的打印速度。本发明在无氩气保护的情况下，提高了焊道之间的熔合程度，避免欠熔以及裂纹的产生，充分提高钛合金或铝合金等金属材料的机械性能，可以达到有氩气保护的技术效果。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，涉及面向电弧增材制造TC4钛合金构件的增材制造方法，具体为一种无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，该方法可扩展到其他金属增材领域。
背景技术
惰性气体全局或局部保护一直以来都是钛合金或铝合金等金属材料电弧增材制造以及焊接过程中的必要技术手段，如纯Ar全局或局部保护钛合金电弧增材制造。采用惰性气体保护可以防止钛合金或铝合金等金属材料在高温下与空气中的O和N反应形成硬而脆的氧化层，从而影响钛合金产品的机械性能。
在电弧增材制造中，纯Ar全局保护不适用大尺寸零部件的制造。因为，纯Ar全局保护要求封闭环境，这限制了增材制造零部件的尺寸的大小，当制造的零部件尺寸较大时，无法保证一个完全封闭的纯Ar全局保护环境。即使设置了一个纯Ar全局保护的封闭环境，后续“换气”、“洗气”都将产生较大的技术问题和生产成本。
在电弧增材制造或焊接中，小范围的拖尾Ar保护也存在技术问题即增材或焊接路径受限和保护不完全。
现有技术中，若无纯Ar全局或局部保护，在进行钛合金或铝合金等金属材料的增材或焊接过程中，容易出现表层脆且硬的氧化层，导致下一层未熔合以及部分裂纹的产生，从而影响机械性能。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的技术问题，在无纯Ar全局或局部保护气的大气环境下，在电弧增材制造中，通过改善打印路径和打印方法，控制熔池或焊道的表面形貌，使上下层、邻接层之间充分熔合，避免欠熔以及裂纹的产生，充分提高钛合金或铝合金等金属材料的机械性能。本发明主要是通过两种方式改善焊道的，一是改善打印方法，如在矩形打印路径的短边提供焊枪停顿的打印时间，二是改善打印路径，如将矩形路径改为三角形路径，可以实现焊枪匀速打印，而不需要焊枪停顿。两种方式均可以获得较优的焊道。
无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，材料为金属丝材，所述电弧增材的打印路径至少包含一个长边和一个短边，所述长边的打印时间与短边的打印时间的比值大于等于2.5且小于3；所述短边的打印速度不高于长边的打印速度；所述打印路径为矩形或三角形。
进一步的，所述打印路径为矩形时，所述短边的打印时间包含焊枪的停顿打印时间。
进一步的，所述打印路径为三角形时，打印速度恒定，焊枪不停顿。
进一步的，当打印路径为矩形时，打印的工艺参数为：金属丝材为钛合金，丝材直径为1.2mm，电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，长边打印速度为10mm/s，短边打印速度为5mm/s，且短边焊枪的停顿时间为0.1s，所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。
进一步的，当打印路径为三角形时，打印的工艺参数为：金属丝材为钛合金，丝材直径为1.2mm，电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，打印速度为10mm/s，所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。
进一步的，所述系统应用所述的无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法进行增材制造。
本发明的有益技术效果：本发明在无氩气等惰性气体的保护下，提高了焊道之间的熔合程度，避免欠熔以及裂纹的产生，充分提高钛合金或铝合金等金属材料的机械性能，优化其焊道形貌，达到了有氩气保护气情况下的技术效果。
附图说明
图1是本发明矩形打印路径的示意图。
图2是本发明三角形打印路径的示意图。
图3是本发明实施例1-5形成的焊道形貌示意图。
图4是本发明实施例1、3-5形成的焊道表面扫描图。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明主要应用在电弧增材领域中，包括的增材系统有多轴机械臂、焊枪、电源、送丝系统、金属丝材和打印基板。所述多轴机械臂包括六轴机械臂，所述打印基板设置于单轴、双轴变位机或三轴运动机构上。所述焊枪在机械臂的作用下沿着规划的打印路径行走，送丝系统送丝，在热源作用下熔融在打印基板上，通过层层叠加形成目标工件。所述金属丝材为铝合金丝材、钛合金丝材等。增材系统中不包含纯Ar等惰性气体。即本发明的增材技术是在无纯Ar保护的大气环境下实施的。
本发明使用钛合金丝材电弧增材CMT工艺制造的主要参数包括：电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，打印速度为5-10mm/s。所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。本发明的方法不适用于激光增材和粉末增材，因为激光增材和粉末增材所形成的熔池尺寸较小，无法利用本发明的工艺调整熔池或焊道形状。
无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，所述材料为金属丝材，所述电弧增材的打印路径为矩形路径或三角形路径，所述矩形路径或三角形路径至少包含一个长边和一个短边，所述长边的打印时间与短边的打印时间的比值大于等于2.5且小于3。所述短边的打印速度不高于长边的打印速度。当打印路径为矩形时，所述短边的打印时间包含焊枪的停顿打印时间。
所述打印路径为三角形路径时，打印速度恒定，焊枪不停顿。打印的工艺参数为：金属丝材为钛合金，丝材直径为1.2mm，电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，打印速度为10mm/s，所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。
当打印路径为矩形路径时，短边的打印速度低于长边的打印速度，且打印短边时，焊枪停顿。打印的工艺参数为：金属丝材为钛合金，丝材直径为1.2mm，电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，长边的打印速度为10mm/s，短边的打印速度为5mm/s，打印短边时，焊枪的停顿时间为0.1s，所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。
本发明可以应用在电弧送丝增材系统中进行增材制造。
实施例1
如图1所示，本实施例为电弧送丝增材CMT“矩形”路径“匀速”打印方法。其中，X方向为焊枪方向，Y方向垂直于焊枪方向。焊枪沿着Y方向移动的路径为从A到B、从C到D，沿着X方向移动的路径为从B到C、从D到E。其中，从A到B的长度为15mm，从B到C的长度为2.5mm。焊枪沿着“矩形”路径的打印速度为10 mm/s。
从A到B的打印过程中，由于打印时间为1.5s，在8m/min的送丝速度下，其熔池边缘部位的沉积量可以达到3.84g。而从B到C的打印过程中，由于打印时间只有0.25s，在8m/min的送丝速度下，其熔池边缘部位的沉积量仅为0.16g。由于熔滴过渡到基板上需要一定的时间，在从B到C的0.25s极短的打印时间内熔滴过渡效果不明显容易导致出现中间凸起、两边塌陷的情况，如图3和图4所示的焊道形状。
本实施例中，由A到B的打印时间为，由B到C的打印时间为/>，/>。
实施例2
如图1所示，本实施例为电弧送丝增材CMT“矩形”路径“变速”打印方法。其中从A到B的长度为15mm，从B到C的长度为2.5mm。焊枪从A到B的打印速度为10mm/s，从B到C的打印速度为5mm/s，从A到B的打印时间为1.5s，从B到C的打印时间为0.5s。在8m/min的送丝速度下，其熔池边缘部位的沉积量达到0.32g，一定程度上改变了中间凸起、两边塌陷的问题，但边缘地方依旧不平滑，如图3所示的实施例2所指示的焊道形状。
本实施例中，由A到B的打印时间为，由B到C的打印时间为/>，/>。
实施例3
如图1所示，本实施例为电弧送丝增材CMT“矩形”路径“变速+停顿”打印方法。其中从A到B的长度为15mm，从B到C的长度为2.5mm。焊枪从A到B的打印速度为10mm/s，从B到C的打印速度为5mm/s。在从B到C的打印过程中设置焊枪的“停顿时间”为0.1s。因此从A到B的打印时间为1.5s，从B到C的打印时间为0.6s。此种情况下，从B到C的沉积量增加到0.4g，同时熔滴过渡更为充分平滑。此方法在填补焊缝边缘区域起到了一定的修补作用，同时表面质量也得到了明显的修复。本实施例所形成的焊道形状如图3和图4所示。
本实施例中，由A到B的打印时间为，由B到C的打印时间为/>，/>。
实施例4
在实施例2的基础上，进一步降低从B到C打印过程的速度至2.5mm/s，则会出现两边高中间低的凹陷情况，此时边缘的沉积时间为1s, 沉积量为0.64g，表面质量变差。本实施例所形成的焊道形状如图3和图4所示的。
本实施例中，由A到B的打印时间为，由B到C的打印时间为/>，/>。
实施例5
如图2所示，本实施例为电弧送丝增材CMT“三角形”路径“匀速”打印方法。为了解决分段路径，变速以及停顿时间等问题（实施例3存在的工艺的复杂性），本发明提出一种新的打印路径，该路径将打印的速度恒定为10 mm/s，效果等同于分段位移、速度以及停顿多变量耦合的情况（实施例5与实施例3效果类同）。如图4所示，从A到B的长度为15mm，从B到C的长度为6mm， 在打印速度10 mm/s，送丝速度8m/min情况下，从A到B的打印时间为1.5s，从B到C的打印时间为0.6s。本实施例所形成的焊道形状如图3和图4所示。
本实施例中，由A到B的打印时间为，由B到C的打印时间为/>，/>。
下表为本发明所提供的实施例在抗拉强度、屈服强度、延伸率性能方面的对比。其中，实施例3和实施例5的性能数据符合要求。实施例1、2和4则不能满足对性能的要求。
| 抗拉强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 延伸率（%） | |
| 实施例1 | 908±20 | 800±5 | 2±1 |
| 实施例2 | 931±6 | 828±8 | 9±0.5 |
| 实施例3 | 938±8 | 824±13 | 15±1.5 |
| 实施例4 | 908±5 | 810±3 | 3±1.5 |
| 实施例5 | 942±5 | 832±9 | 14±0.5 |
。
不同的实施例中，其得到的焊道形貌如图3所示。从实施例1到实施例3，随着X和Y方向时间上的减少，焊道形貌逐渐趋于平缓。实施例3中，当/>为2.5的时候，焊道形貌达到较优的状态，表面质量较好。实施例4中当/>小于2.5时，焊道向内凹陷，表面质量较差。实施例5中，当/>为2.5的时候，焊道形貌达到较优的状态，表面质量较好。
不同的实施例中，其机械性能如上表所示。根据表格可见，实施例3和5的机械性能达到较优的状态，其中实施例5的抗拉强度，屈服强度以及延伸率分别为942±5 MPa，832±9 MPa，14±0.5%，其性能与纯Ar保护状态下的材料性能水平持平。
对本领域技术人员而言，上述实施例是示范性的、非限制性的，本发明的保护范围不因上述实施例而限定，同时不应将权利要求书中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，其特征在于：材料为金属丝材，所述电弧增材的打印路径至少包含一个长边和一个短边，所述长边的打印时间与短边的打印时间的比值大于等于2.5且小于3；所述短边的打印速度不高于长边的打印速度；所述打印路径为矩形或三角形。
2.根据权利要求1所述的无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，其特征在于：所述打印路径为矩形时，所述短边的打印时间包含焊枪的停顿打印时间。
3.根据权利要求1所述的无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，其特征在于：所述打印路径为三角形时，打印速度恒定，焊枪不停顿。
4.根据权利要求2所述的无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，其特征在于：当打印路径为矩形时，打印的工艺参数为：金属丝材为钛合金，丝材直径为1.2mm，电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，长边打印速度为10mm/s，短边打印速度为5mm/s，且短边焊枪的停顿时间为0.1s，所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。
5.根据权利要求3所述的无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法，其特征在于：当打印路径为三角形时，打印的工艺参数为：金属丝材为钛合金，丝材直径为1.2mm，电压为18.9V、电流为124A、送丝速度为8m/min，打印速度为10mm/s，所形成的熔池长度8±2mm、熔池深度2±1mm、熔池宽度5±1mm。
6.一种电弧送丝增材系统，其特征在于：所述系统应用权利要求1-5任一所述的无氩气保护下优化电弧增材焊道的方法进行增材制造。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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