CN117548780A - 一种通用于az系镁合金的电弧熔丝增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，该方法包括：一、对目标镁合金工件进行三维建模和切片化处理得到切层数据，并规划切层不同部位的扫描路径，将镁合金基板固定后预热，将AZ系镁合金盘丝固定在送丝系统中，并调整设置工艺参数；二、按照扫描路径，使得AZ系镁合金盘丝进行电弧熔丝增材制造沉积，在镁合金基板上形成成形件；三、静置空冷至室温得到镁合金工件。本发明考虑镁合金的物性特征以及增材过程的多种因素，提出一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，该过程中热输入量更稳定且减少飞溅，减少气孔等缺陷产生，工艺简单，易于调整，获得的沉积态镁合金工件组织细小均匀，具有良好的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法。
背景技术
镁合金作为最轻的结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性、导热导电性，以及优异的铸造、切削加工性能等一系列优点，高性能镁合金材料更是支撑新一代武器装备、高速列车以及新能源汽车等高端装备不断升级发展的先进基础材料。随着各领域对镁合金复杂结构件的需求日益上升，传统铸造、锻造加机加工的方法存在预留加工余量较大、原材料利用率很低、备货周期长等问题，严重制约了研制进度。与传统制备技术相比，增材制造技术具有无需模具、制造周期短、成本低等优点，可为镁合金复杂结构件制造提供更多的设计思路。
目前镁合金增材制造常用方法为选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)和电弧增材制造技术(Wire-arc additive manufacturing, WAAM)，热源主要采用激光和电弧，加工所需材料分别为镁合金粉末和丝材。电弧增材制造(WAAM)通过使用金属丝材熔覆、堆积的方式避免了镁合金粉末具有蒸发温度低、蒸气压高、易燃易爆等固有特性的不足，是一种理想的镁合金增材制造方法。
在镁合金WAAM中，常选用AZ系列作为镁合金焊丝，即AZ31B、Z61A、AZ80M、AZ91、AZ91D等常见商用牌号。在AZ系镁合金中，Al平均质量含量为2%~9%，Al元素的加入有利于提高镁合金的硬度、强度和力学性能等；且AZ系列镁合金具有较好的耐蚀性能、铸造性能和力学性能,以及较高的屈服强度，兼有铸造镁合金和变形镁合金的特点，可用于制造形状复杂的异形件。
但目前关于镁铝锌（AZ）系镁合金的WAAM工艺研究大多针对某种特定合金牌号展开，且难以避免Mg-Al系镁合金增材制造过程中在晶界处析出大量的硬脆性β-Mg17Al12沉淀相，导致样块内部存在组织不均匀、各向异性、裂纹缺陷等问题。此外，因现阶段镁合金增材制造行业缺少相应标准和工艺规范，WAAM最优工艺窗口较窄，需经过实质上的多目标优化过程才能确定，故每更换一种镁合金牌号，易使电弧熔丝增材制造出现熔覆过程电弧不稳定，成形过程中熔池外溢和塌陷等缺陷。因此，在现有技术的基础上研究适用于制备AZ系不同牌号镁合金的通用增材制造技术及工艺参数范围，对促进镁合金增材制造技术的发展和工业化应用具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法。该方法基于TIG焊接，在考虑了AZ系镁合金的材料物性特征、TIG增材过程热输入量、沉积过程的熔池宽度、深度、搭接连续性等因素后，通过调控不同工艺参数，提出一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造工艺及参数，该增材制造过程中热输入量更稳定且能够减少飞溅，减少气孔等缺陷产生，解决了增材制造熔覆沉积过程中电弧不稳定、成形过程中熔池外溢和塌陷等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，该方法采用TIG焊焊枪作为热源，以AZ系镁合金丝作为原材料，按照以下步骤进行：
步骤一、沉积前准备：
步骤101、首先利用计算机软件对目标镁合金工件进行三维建模，并对建立的模型进行切片化处理得到切层数据，再结合增材制造的单道沉积熔池宽度范围和搭接率规划切层不同部位的扫描路径，并导入增材制造设备中；
步骤102、将清洗干净的镁合金基板固定在增材制造设备中，以镁合金基板上表面作为增材制造基准面，然后调整TIG焊焊枪的枪头与镁合金基板的垂直距离为10mm~12mm，并通过陶瓷片对镁合金基板进行预热；
步骤103、将AZ系镁合金盘丝固定在送丝系统中，并调整送丝系统出丝口使得AZ系镁合金盘丝与镁合金基板上表面的夹角为30°±2°，与TIG焊焊枪的枪头距离为5mm±0.5mm，同时在TIG焊焊枪同轴通入流量为20L/min~25L/min的氩气作为保护气；
步骤104、调整设置工艺参数包括送丝速度、枪头行走速度、峰值电流、基值电流、弧压、搭接率、熔池的熔宽和熔高；
步骤二、沉积：启动送丝系统，以电弧作为热源，使得AZ系镁合金盘丝按照步骤101中导入增材制造设备中的切层不同部位的扫描路径进行电弧熔丝增材制造沉积，在步骤102中预热后的镁合金基板上形成单层实体片层，继续电弧熔丝增材制造沉积工艺，直至各单层实体片层按照设定路径逐层堆积，得到成形件；
所述电弧熔丝增材制造沉积过程中首先通过调整工艺参数包括送丝速度、枪头行走速度、峰值电流、基值电流、弧压，以获得设置的熔池的熔宽和熔高，然后选定搭接率并在沉积过程中保持其他参数不变，仅通过调节送丝速度、峰值电流、基值电流进行电弧熔丝增材制造沉积；
步骤三、将步骤二中得到的成形件原位静置空冷缓慢降至室温，得到镁合金工件。
本发明步骤101中在获得切层数据后，根据切层数据以及目标镁合金工件不同部位的特定壁厚、形状、角度等，再结合增材制造的单道沉积熔池宽度范围和搭接率规划切层不同部位的扫描路径。
增材制造过程中，电流的大小直接影响其制造的零件的宏观形貌和尺寸。电流增大、热输入增多，使得熔池内金属液的流动性增大，在电弧的搅拌作用下，层宽增大，层厚降低；同时，熔池温度随着热输入的增多而升高，且冷却速率降低，晶粒尺寸显著增大。同样地，送丝速度增大，相当于降低了单位长度丝材所获得的热输入，熔池温度降低，冷却速率加快，从而抑制熔池内金属液的流动，减小电弧对熔池的搅拌作用，导致熔池层宽减小，层厚增大，晶粒尺寸减小。因此，本发明的电弧熔丝增材制造沉积过程，在达到沉积稳定状态之前通常通过调节电流和送丝速度两个参数来保证沉积质量。
此外，本发明将制造的成形件原位静置空冷缓慢降至室温，以防止散热不均匀或过快而导致镁合金工件变形和开裂。
上述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤102中所述镁合金基板的厚度为40mm~60mm。通过限定镁合金基板的厚度，避免因其太薄而容易受热变形，或太厚而难以加热保温；而钛合金基板的长宽尺寸即承载镁合金工件的上表面面积由目标镁合金工件的尺寸决定。
上述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤102中所述镁合金基板的预热温度为100℃~150℃。该预热温度有利于控制熔池的连续性和稳定性，从而避免沉积过程出现未熔合（气孔）的现象。
上述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤103中所述AZ系镁合金盘丝的直径为φ1.2mm~φ1.6mm。该直径范围内的AZ系镁合金盘丝，既有利于控制熔池的宽度，从而控制单道沉积的尺寸，又能保证沉积过程盘丝完全融化，以减少夹杂。
上述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤二中所述电弧熔丝增材制造沉积过程中送丝速度为2400mm/min~2900mm/min，枪头行走速度为200mm/min~250mm/min，峰值电流为160A~190A，基值电流为130A~150A，弧压为15V~22V，搭接率为45%~60%，设置的熔池的熔宽为8mm~12mm，熔高为10mm~30mm。上述工艺参数同时考虑了AZ系镁合金的材料物性特征、热输入量、对应的熔池宽度、深度、搭接连续性等因素，适用于常见商用AZ系镁合金的电弧增材制造。
上述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤二中所述电弧熔丝增材制造沉积过程中，先将单层实体片层的温度降至与镁合金基板温度保持一致时再进行下一次单层实体片层的沉积。通常，将单层实体片层的温度降至与镁合金基板温度相差小于5℃时再进行下一次单层实体片层的沉积。通过该温度控制使得工件顺利成形的同时，还保证工件具有均匀的组织和性能。
上述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，当目标镁合金工件的壁厚大于15mm且无法通过单道或双道沉积进行直接沉积时，步骤二中采用先按照“工”字形往复直线或曲线路径沉积，完成该层单层实体片层的部分内部结构填充，然后沿内、外轮廓分别进行沉积，直至获得该层单层实体片层，再按照相同方式逐层沉积得到成形件。由于镁合金的热膨胀系数较高，通过采用上述沉积路径能有效避免熔池冷却过程中的内应力集中，降低残余应力，同时保证填充路径的连续性，减少空行程，提高大壁厚镁合金工件的成形效率。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电弧熔丝增材制造方法，基于TIG焊接的工艺原理即非熔化极惰性气体钨极保护焊，在考虑了AZ系镁合金的材料物性特征、TIG增材过程热输入量、沉积过程的熔池宽度、深度、搭接连续性等因素后，通过调控不同工艺参数，提出一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造工艺及参数，在此工艺参数范围内，根据实际情况适当微调，并在沉积时在仅通过调整丝速度和电流大小就能实现AZ系镁合金的增材制备；相较于熔化极惰性气体保护焊等技术，本发明的增材制造过程中热输入量更稳定且能够减少飞溅，减少气孔等缺陷产生，有效避免了增材制造熔覆沉积过程中电弧不稳定、成形过程中熔池外溢和塌陷等问题，且通用不同Al含量（Al平均含量为2%~9%）的不同形状结构镁铝锌（AZ）系镁合金的制造。
2、本发明的电弧熔丝增材制造工艺简单，工艺参数调整过程易于控制，获得的沉积态镁铝锌（AZ）系镁合金工件组织细小均匀，具有良好的综合力学性能，且远优于铸态，解决了现有增材制造镁合金内部组织不均匀、各向异性和裂纹缺陷等问题。
3、本发明的方法主要适用于最常用的商用AZ系镁合金，工艺窗口范围明确，有利于工业化生产。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明电弧熔丝增材制造的工艺原理示意图。
图2是本发明电弧熔丝增材制造中通过陶瓷片对镁合金基板预热实物图。
图3是本发明实施例1~2的电弧熔丝增材制造中按照“工”字形沉积填充及沿轮廓沉积的扫描路径示意图。
图4是本发明实施例1制备的AZ41镁合金工件的实物图。
图5是本发明实施例1制备的AZ41镁合金工件的0~10mm高度位置纵截面金相照片图。
图6是本发明实施例1制备的AZ41镁合金工件的30mm~40mm高度位置纵截面金相照片图。
图7是本发明实施例1制备的AZ41镁合金工件的60mm~70mm高度位置纵截面金相照片图。
图8是本发明实施例1制备的AZ41镁合金工件的90mm~100mm高度位置纵截面金相照片图。
图9是本发明实施例2制备的AZ80镁合金工件的实物图。
图10是本发明实施例2制备的AZ80镁合金工件的0~10mm高度位置纵截面金相照片图。
图11是本发明实施例2制备的AZ80镁合金工件的30mm~40mm高度位置纵截面金相照片图。
图12是本发明实施例2制备的AZ80镁合金工件的60mm~70mm高度位置纵截面金相照片图。
图13是本发明实施例2制备的AZ80镁合金工件的90mm~100mm高度位置纵截面金相照片图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的电弧熔丝增材制造方法采用TIG焊焊枪作为热源，以AZ41镁合金丝作为原材料，且AZ41镁合金丝中Al的质量分数为3.88%，Zn的质量分数为0.92%，Mn的质量分数为0.45%，其余为Mg，按照以下步骤进行：
步骤一、沉积前准备：
步骤101、首先利用计算机软件对目标块体AZ41镁合金工件（长×宽×高为150mm×80mm×100mm）进行三维建模，并对建立的模型进行切片化处理得到切层数据，再结合增材制造的单道沉积熔池宽度范围和搭接率规划切层不同部位的扫描路径，并导入增材制造设备中，由于目标产物为块体结构且各高度的横截面完全相同，故需规划一次切层扫描路径；
步骤102、将清洗干净的规格长×宽×厚为400mm×400mm×50mm的镁合金基板固定在增材制造设备中，以镁合金基板上表面作为增材制造基准面，然后调整TIG焊焊枪的枪头与镁合金基板的垂直距离为11mm±1mm，并通过陶瓷片对镁合金基板进行预热至120℃±10℃，如图2所示；
步骤103、将直径为φ1.2mm的AZ41镁合金盘丝固定在送丝系统中，并调整送丝系统出丝口使得AZ41镁合金盘丝与镁合金基板上表面的夹角为30°±2°，与TIG焊焊枪的枪头距离为5mm±0.5mm，同时通入流量为20L/min的氩气作为保护气；
步骤104、调整设置工艺参数包括送丝速度、枪头行走速度、峰值电流、基值电流、弧压、搭接率、熔池的熔宽和熔高；
步骤二、沉积：启动送丝系统，以电弧作为热源，使得AZ41镁合金盘丝按照 “工”字形往复直线（或曲线路径）沉积，完成该层单层实体片层的部分内部结构填充，然后沿内、外轮廓分别进行沉积，如图3所示，直至获得第一层单层实体片层，再继续电弧熔丝增材制造逐层沉积直至各单层实体片层逐层堆积，得到成形件；所述电弧熔丝增材制造沉积过程中枪头行走速度随着沉积高度的增加逐渐从220mm/min提高至250mm/min，弧压为15V~18V，搭接率为50%±5%，熔池的熔宽为7mm~9mm，熔高为2.0mm±0.5mm，并通过微调峰值电流为160A~180A、基值电流为130A~140A和送丝速度为2600mm/min~2900mm/min维持沉积稳定性；所述电弧熔丝增材制造沉积过程中，先将单层实体片层的温度降至与镁合金基板温度保持一致时再进行下一次单层实体片层的沉积；
步骤三、将步骤二中得到的成形件原位静置空冷缓慢降至室温，得到AZ41镁合金工件，如图4所示，该AZ41镁合金工件设计高度为100mm，总计沉积35层，实际高度达105mm。
图5~图8是本实施例制备的AZ41镁合金工件的0~10mm、30mm~40mm、60mm~70mm和90mm~100mm高度位置纵截面金相照片图，从图5~图8可知，该沉积态的AZ41镁合金工件块体从上至下分布均匀，平均晶粒尺寸为20μm±5μm。
经检测，本实施例制备的AZ41镁合金工件的X、Y、Z三个方向的室温拉伸性能接近，平均室温拉伸性能为：屈服强度100MPa±6MPa，抗拉强度240MPa±10MPa，延伸率18%±2%。
实施例2
如图1所示，本实施例的电弧熔丝增材制造方法采用TIG焊焊枪作为热源，以AZ80镁合金丝作为原材料，且AZ80镁合金丝中Al的质量分数为7.95%，Zn的质量分数为0.58%，Mn的质量分数为0.43%，其余为Mg，按照以下步骤进行：
步骤一、沉积前准备：
步骤101、首先利用计算机软件对目标块体AZ80镁合金工件（长×宽×高为100mm×100mm×100mm）进行三维建模，并对建立的模型进行切片化处理得到切层数据，再结合增材制造的单道沉积熔池宽度范围和搭接率规划切层不同部位的扫描路径，并导入增材制造设备中，由于目标产物为块体结构且各高度的横截面完全相同，故需规划一次切层扫描路径；
步骤102、将清洗干净的规格长×宽×厚为400mm×400mm×50mm的镁合金基板固定在增材制造设备中，以镁合金基板上表面作为增材制造基准面，然后调整TIG焊焊枪的枪头与镁合金基板的垂直距离为11mm±1mm，并通过陶瓷片对镁合金基板进行预热至120℃±10℃，如图2所示；
步骤103、将直径为φ1.6mm的AZ80镁合金盘丝固定在送丝系统中，并调整送丝系统出丝口使得AZ80镁合金盘丝与镁合金基板上表面的夹角为30°±2°，与TIG焊焊枪的枪头距离为5mm±0.5mm，同时通入流量为20L/min的氩气作为保护气；
步骤104、调整设置工艺参数包括送丝速度、枪头行走速度、峰值电流、基值电流、弧压、搭接率、熔池的熔宽和熔高；
步骤二、沉积：启动送丝系统，以电弧作为热源，使得AZ80镁合金盘丝按照 “工”字形往复直线沉积，完成该层单层实体片层的部分内部结构填充，然后沿内、外轮廓分别进行沉积，如图3所示，直至获得第一层单层实体片层，再继续电弧熔丝增材制造逐层沉积直至各单层实体片层逐层堆积，得到成形件；所述电弧熔丝增材制造沉积过程中枪头行走速度随着沉积高度的增加逐渐从200mm/min提高至230mm/min，弧压为18V~22V，搭接率为50%±5%，熔池的熔宽为10mm~12mm，熔高为2.5mm±0.5mm，并通过微调峰值电流为170A~190A、基值电流为140A~150A和送丝速度为2400mm/min~2700mm/min维持沉积稳定性；所述电弧熔丝增材制造沉积过程中，先将单层实体片层的温度降至与镁合金基板温度保持一致时再进行下一次单层实体片层的沉积；
步骤三、将步骤二中得到的成形件原位静置空冷缓慢降至室温，得到AZ80镁合金工件，如图9所示，该AZ80镁合金工件设计高度为100mm，总计沉积34层，实际高度达104mm。
图10~图13是本实施例制备的AZ80镁合金工件的0~10mm、30mm~40mm、60mm~70mm和90mm~100mm高度位置纵截面金相照片图，从图10~图13可知，该沉积态的AZ80镁合金工件块体从上至下分布均匀，平均晶粒尺寸为22μm±4μm。
经检测，本实施例制备的AZ80镁合金工件的X、Y、Z三个方向的室温拉伸性能接近，平均室温拉伸性能为：屈服强度150MPa±5MPa，抗拉强度280MPa±10MPa，延伸率9%±1.6%。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，该方法采用TIG焊焊枪作为热源，以AZ系镁合金丝作为原材料，按照以下步骤进行：
步骤一、沉积前准备：
步骤101、首先利用计算机软件对目标镁合金工件进行三维建模，并对建立的模型进行切片化处理得到切层数据，再结合增材制造的单道沉积熔池宽度范围和搭接率规划切层不同部位的扫描路径，并导入增材制造设备中；
步骤102、将清洗干净的镁合金基板固定在增材制造设备中，以镁合金基板上表面作为增材制造基准面，然后调整TIG焊焊枪的枪头与镁合金基板的垂直距离为10mm~12mm，并通过陶瓷片对镁合金基板进行预热；
步骤103、将AZ系镁合金盘丝固定在送丝系统中，并调整送丝系统出丝口使得AZ系镁合金盘丝与镁合金基板上表面的夹角为30°±2°，与TIG焊焊枪的枪头距离为5mm±0.5mm，同时在TIG焊焊枪同轴通入流量为20L/min~25L/min的氩气作为保护气；
步骤104、调整设置工艺参数包括送丝速度、枪头行走速度、峰值电流、基值电流、弧压、搭接率、熔池的熔宽和熔高；
步骤二、沉积：启动送丝系统，以电弧作为热源，使得AZ系镁合金盘丝按照步骤101中导入增材制造设备中的切层不同部位的扫描路径进行电弧熔丝增材制造沉积，在步骤102中预热后的镁合金基板上形成单层实体片层，继续电弧熔丝增材制造沉积工艺，直至各单层实体片层按照设定路径逐层堆积，得到成形件；
所述电弧熔丝增材制造沉积过程中首先通过调整工艺参数包括送丝速度、枪头行走速度、峰值电流、基值电流、弧压，以获得设置的熔池的熔宽和熔高，然后选定搭接率并在沉积过程中保持其他参数不变，仅通过调节送丝速度、峰值电流、基值电流进行电弧熔丝增材制造沉积；
步骤三、将步骤二中得到的成形件原位静置空冷缓慢降至室温，得到镁合金工件。
2.根据权利要求1所述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤102中所述镁合金基板的厚度为40mm~60mm。
3.根据权利要求1所述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤102中所述镁合金基板的预热温度为100℃~150℃。
4.根据权利要求1所述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤103中所述AZ系镁合金盘丝的直径为φ1.2mm~φ1.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤二中所述电弧熔丝增材制造沉积过程中送丝速度为2400mm/min~2900mm/min，枪头行走速度为200mm/min~250mm/min，峰值电流为160A~190A，基值电流为130A~150A，弧压为15V~22V，搭接率为45%~60%，设置的熔池的熔宽为8mm~12mm，熔高为10mm~30mm。
6.根据权利要求1所述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤二中所述电弧熔丝增材制造沉积过程中，先将单层实体片层的温度降至与镁合金基板温度保持一致时再进行下一次单层实体片层的沉积。
7.根据权利要求1所述的一种通用于AZ系镁合金的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，当目标镁合金工件的壁厚大于15mm且无法通过单道或双道沉积进行直接沉积时，步骤二中采用先按照“工”字形往复直线或曲线路径沉积，完成该层单层实体片层的部分内部结构填充，然后沿内、外轮廓分别进行沉积，直至获得该层单层实体片层，再按照相同方式逐层沉积得到成形件。
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