CN118106590A - 一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，包括：焊接前准备、设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置、设置CMT电源和开启保护气体、根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力、完成负压电弧冷金属过渡热力协调焊接或增材制造过程；通过上述步骤，在液滴过渡过程中精准施加合适的抗冲击力与抗重力的负压电弧吸附力，减少常规正压电弧的熔滴飞溅、降低熔滴对熔池的冲击，使液滴更平顺、更低热输入地进入熔池，达到负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同行为，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量。
Description
技术领域
本发明涉及电弧冷金属过渡焊接与增材制造领域，具体涉及一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法。
背景技术
电弧焊接技术和电弧增材制造技术是以电弧作为热源的焊接技术和增材制造技术，由于电弧具有导电性强、能量集中、温度高的特点，使其电弧焊接技术和电弧增材制造技术具有效率高、成本低等优点；但由于热输入量大，往往在工作时容易造成飞溅和成形精度差等一系列缺陷，特别是在焊接和增材制造薄壁结构时，非常容易因为过大的热输入造成薄壁结构变形或者烧穿，进而导致工件报废。
冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer，CMT)由于具有无飞溅、极低的热输入和稳定的电弧的特点，在焊接领域和增材制造领域受到广泛研究和应用。针对上述问题，随之形成基于冷金属过渡的电弧焊接和增材制造技术，与传统技术相比，CMT电弧焊接或增材制造技术可以做到低热输入量、电弧稳定和精准熔丝量控制，这彻底打破了传统电弧焊接或者增材制造技术针对薄壁结构难以突破的研究现状。
但是，基于冷金属过渡的电弧焊接和增材制造技术也存在技术瓶颈：常规正压电弧的熔滴长大滴落的过程中，由于熔滴具有重力加速度的作用，容易造成电弧的熔滴飞溅和熔滴对熔池的冲击作用，这对焊接或增材制造超薄壁结构存在一定热力不协同，对焊接成形成性质量产生不利影响；同时CMT电弧增材制造(WAAM)技术是采用电弧为热源熔融丝材，逐层熔覆，由于CMT电弧增材制造是一个不断反复加热的过程，由于这种反复加热的生产方式，极易造成内部残余应力不断加大，存在热-力缺陷，热与力之间难于获得一个良好的平衡对增材制造成形成性质量产生不利影响。
鉴于此，本发明提出一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法以解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，通过在液滴过渡过程中精准施加合适的抗冲击力与抗重力的负压电弧吸附力，减少常规正压电弧的熔滴飞溅、降低熔滴对熔池的冲击，使液滴更平顺、更低热输入地进入熔池，达到负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同行为，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：焊接前准备：焊接前，将待焊工件或增材制造基板进行打磨或清洗污渍，并将打磨或清洗后的待焊工件或增材制造基板进行固定；
步骤2：设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置：将焊枪设置合适高度，选择合适的焊丝，确定合适工艺的参数；
步骤3：设置CMT电源和开启保护气体：开启气体保护阀门，再开启CMT电源；
步骤4：根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力：通过控制系统对CMT参数进行调整，根据电流波形和熔滴过渡状态，通过施加外加纵向磁场来形成和调整负压电弧吸附力的作用时刻、时长、频率和大小，其具体工艺过程如下：
(1)焊丝向下给进，增大电流，使电弧引燃，焊丝尖端熔化，在向上表面张力Fs和促进液滴脱落的电磁力Fem，熔滴逐渐长大，熔滴的初始重力Fg0逐渐增大；
(2)焊丝回抽来促进熔滴与焊丝分离并开始下落，电流降低并到达最小值，此时刻施加外加纵向磁场形成与重力相反、方向向上的吸附力Fi，克服方向向下的熔滴过渡的临界重力Fg1和冲击力，减少常规正压电弧的熔滴飞溅、降低熔滴对熔池的冲击，使熔滴平顺、低热输入进入熔池，实现负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同过程，达到无冲击、无飞溅、低热量的熔滴平顺可控过渡热力协同的良好效应，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量；
(3)焊丝回复到进给状态，电流上升到正常值，外加纵向磁场关闭，负压电弧吸附力消失，电弧重新正常燃烧，熔滴在焊丝末端逐渐形成，熔滴过渡依此过程循环往复。
步骤5：完成负压电弧冷金属过渡热力协调焊接或增材制造过程：切断电流，停止熔丝和熔滴过渡，关闭保护气体，将焊枪移动到安全位置。
进一步的，所述步骤4中负压电弧吸附力为-12～-418Pa，负压电弧吸附力的作用波形与CMT电流波形相反，负压电弧吸附力作用频率与CMT电流频率协同一致，负压电弧吸附力作用时间与CMT电流最低值时间一致，负压电弧吸附力作用时刻与熔滴在焊丝端部脱落开始过渡的时刻相一致，负压电弧吸附力大小可调节，在熔滴过渡过程中可变化，随熔滴的过渡速度和离熔池表面的距离成反比；
进一步的，所述步骤2中焊丝直径0.8～6mm、焊丝尖端距离工件或基板高度2～6mm、送丝速度0.1～40m/min、焊接速度10～600mm/s、焊丝干伸长量2～10mm，焊丝回抽量和进给量为1～10mm；
进一步的，所述所述步骤3中的保护气体种类为100％的氩气、或者100％氦气、或者氩气+二氧化碳的混合气体、或者二氧化碳气体、或者以氩气+氦气为主体+少量氢气+少量氧气的四元混合气体、或者以氩气+氦气为主体+少量氧气的三元混合气体，气体流量为8～38L/min；
进一步的，所述步骤4中负压电弧吸附力可以通过调节外加纵向磁场强度、频率、占空比、方式并与电弧电流匹配进而产生、调节、改变和控制负压电弧吸附力的大小、作用时长、作用时刻、作用频率，外加纵向磁场强度为0.02～4.8T，负压电弧吸附力是基于大气压力的相对压力，外加纵向磁场方式为连续交变磁场方式、或者间歇交变磁场方式、或者脉冲交变磁场方式；外加纵向磁场模式为固定纵向磁场模式、或者旋转纵向磁场模式、或者内外反向的纵向双磁场模式、或者上下反向的纵向双磁场模式；
进一步的，所述步骤4中的CMT电流与负压电弧吸附力关系呈现一一对应的负相关，变化规律随时间循环往复，直至完成焊接或增材制造,电压大小为10～60V，电流大小为30～480A；
进一步的，所述方法适用于铝合金材料、或者合金钢材料、或者镁合金材料、或者钛合金材料、或者不锈钢材料、或者钼合金材料、或者铜合金材料、或者铝铜异种材料、或者铝钢异种材料、或者硬质合金材料、或者稀有金属材料、或者难熔金属材料、或者高熵合金材料、或者中熵合金材料、或者金属基复合材料。
本发明的有益效果：通过在液滴过渡过程中精准施加合适的抗冲击力与抗重力的负压电弧吸附力，减少常规正压电弧的熔滴飞溅、降低熔滴对熔池的冲击，使液滴更平顺、更低热输入地进入熔池，达到负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同行为，减少因电弧增材制造打印过程中反复冷热交替产生的残余应力，对于薄壁结构乃至超薄壁结构具有减少因为热力不协同带来的变形乃至烧穿缺陷，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量。
本发明为目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
附图说明
图1是本发明的焊接电流与负压电弧吸附力随时间变化关系图；
图2是本发明的熔滴长大过程受力分析图；
图3是本发明的熔滴过渡过程受力分析图；
附图标记：1工件或增材制造基板；2焊丝；3电弧；4熔滴；5熔池；Fg0为初始重力；Fg1为临界重力；Fs为表面张力；Fi为负压电弧吸附力；Fem为电磁力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图3描述本发明所提供的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：焊接前准备：焊接前，将待焊工件或增材制造基板1进行打磨或清洗污渍，并将打磨或清洗后的待焊工件或增材制造基板1进行固定。
步骤2：设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置：将焊枪设置合适高度，选择合适的焊丝2，确定合适工艺的参数；
步骤3：设置CMT电源和开启保护气体：开启气体保护阀门，再开启CMT电源；
步骤4：根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力：通过控制系统对CMT参数进行调整，根据电流波形和熔滴过渡状态，通过施加外加纵向磁场来形成和调整负压电弧吸附力的作用时刻、时长、频率和大小，其具体工艺过程如下：
(1)焊丝2向下给进，增大电流，使电弧3引燃，焊丝2尖端熔化，在向上表面张力Fs和促进液滴4脱落的电磁力Fem，熔滴4逐渐长大，熔滴4的初始重力Fg0逐渐增大；
(2)焊丝2回抽来促进熔滴4与焊丝2分离并开始下落，电流降低并到达最小值，此时刻施加外加纵向磁场形成与重力相反、方向向上的吸附力Fi，克服方向向下的熔滴过渡的临界重力Fg1和冲击力，减少常规正压电弧的熔滴4飞溅、降低熔滴4对熔池5的冲击，使熔滴4平顺、低热输入进入熔池5，实现负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同过程，达到无冲击、无飞溅、低热量的熔滴平顺可控过渡热力协同的良好效应，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量；
(3)焊丝2回复到进给状态，电流上升到正常值，外加纵向磁场关闭，负压电弧吸附力消失，电弧3重新正常燃烧，熔滴4在焊丝末端逐渐形成，熔滴过渡依此过程循环往复；
步骤5：完成负压电弧冷金属过渡热力协调焊接或增材制造过程：切断电流，停止熔丝2和熔滴过渡，关闭保护气体，将焊枪移动到安全位置。
更加具体的实施例如下：
所述步骤4中负压电弧吸附力为-12～-418Pa，需要注意的是负号代表方向向上，图1中的负压电弧吸附力仅仅指代大小，负压电弧吸附力的作用波形与CMT电流波形相反，负压电弧吸附力作用频率与CMT电流频率协同一致，负压电弧吸附力作用时间与CMT电流最低值时间一致，负压电弧吸附力作用时刻与熔滴4在焊丝2端部脱落开始过渡的时刻相一致，负压电弧吸附力大小可调节，在熔滴过渡过程中可变化，随熔滴4的过渡速度和离熔池5表面的距离成反比。
所述步骤2中焊丝直径0.8～6mm、焊丝尖端距离工件或基板高度2～6mm、送丝速度0.1～40m/min、焊接速度10～600mm/s、焊丝干伸长量2～10mm，焊丝回抽量和进给量为1～10mm。
所述步骤3中的保护气体种类为100％的氩气、或者100％氦气、或者氩气+二氧化碳的混合气体、或者二氧化碳气体、或者以氩气+氦气为主体+少量氢气+少量氧气的四元混合气体、或者以氩气+氦气为主体+少量氧气的三元混合气体，气体流量为8～38L/min。
所述步骤4中负压电弧吸附力可以通过调节外加纵向磁场强度、频率、占空比、方式并与电弧电流匹配进而产生、调节、改变和控制负压电弧吸附力的大小、作用时长、作用时刻、作用频率，外加纵向磁场强度为0.02～4.8T，负压电弧吸附力是基于大气压力的相对压力，外加纵向磁场方式为连续交变磁场方式、或者间歇交变磁场方式、或者脉冲交变磁场方式；外加纵向磁场模式为固定纵向磁场模式、或者旋转纵向磁场模式、或者内外反向的纵向双磁场模式、或者上下反向的纵向双磁场模式。
所述步骤4中的CMT电流与负压电弧吸附力关系呈现一一对应的负相关，变化规律随时间循环往复，直至完成焊接或增材制造，电压大小为10～60V，电流大小为30～480A。
所述方法适用于铝合金材料、或者合金钢材料、或者镁合金材料、或者钛合金材料、或者不锈钢材料、或者钼合金材料、或者铜合金材料、或者铝铜异种材料、或者铝钢异种材料、或者硬质合金材料、或者稀有金属材料、或者难熔金属材料、或者高熵合金材料、或者中熵合金材料、或者金属基复合材料。
实施例一
本实施例的负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，具体包括以下步骤：
第一步，增材制造前准备：将2219铝合金作为基板，对2219铝合金进行打磨或清洗污渍，并将打磨或清洗后的2219铝合金进行固定，基板1厚度为1.5mm、预热温度30～80℃；
第二步，设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置：将焊枪设置合适高度，选择合适的焊丝，确定合适工艺的参数，选用2219铝合金焊丝为丝材，焊丝2直径1.2mm、焊丝2尖端距离基板1高度2.5mm、送丝速度15～21m/min、焊接速度26～100mm/s、焊丝2干伸长量2～4mm，焊丝2回抽量和进给量为2～3mm；
第三步，设置CMT电源和开启保护气体：开启气体保护阀门，再开启CMT电源，100％氩气保护，气体流量为17～20L/min；
第四步，根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力：通过控制系统对CMT参数进行调整，根据电流波形和熔滴过渡状态，通过施加外加纵向磁场来形成和调整负压电弧吸附力的作用时刻、时长、频率和大小，其具体工艺过程如下：(1)如图2所示，焊丝2向下给进，增大电流至90～110A，使电弧3引燃，焊丝2尖端熔化，在向上表面张力Fs和促进熔滴4脱落的电磁力Fem，熔滴4逐渐长大，熔滴的初始重力Fg0逐渐增大；(2)如图3所示，焊丝2回抽来促进熔滴4与焊丝2分离并开始下落，电流降低至25～50A，此时刻施加外加纵向磁场形成与重力相反、方向向上的吸附力Fi，其大小为-30～-80Pa，克服方向向下的熔滴过渡的临界重力Fg1和冲击力，减少常规正压电弧的熔滴4飞溅、降低熔滴4对熔池5的冲击，使熔滴4平顺、低热输入进入熔池5，实现负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同过程，达到无冲击、无飞溅、低热量的熔滴平顺可控过渡热力协同的良好效应，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量。(3)焊丝2回复到进给状态，电流上升到正常值，外加纵向磁场关闭，负压电弧吸附力消失，电弧3重新正常燃烧，熔滴4在焊丝2末端逐渐形成。负压电弧吸附力可以通过调节外加纵向磁场强度、频率、占空比、方式并与电弧电流匹配进而产生、调节、改变和控制负压电弧吸附力的大小、作用时长、作用时刻、作用频率，外加纵向磁场强度为0.12～0.18T，负压电弧吸附力是基于大气压力的相对压力，磁场方式为纵向间歇交变磁场方式。
如图1所示，负压电弧吸附力的作用波形与CMT电流波形相反，负压电弧吸附力作用频率与CMT电流频率协同一致，负压电弧吸附力作用时间与CMT电流最低值时间一致，负压电弧吸附力作用时刻与熔滴在焊丝端部脱落开始过渡的时刻相一致，负压电弧吸附力大小可调节，在熔滴过渡过程中可变化，随熔滴的过渡速度和离熔池表面的距离成反比。CMT电流与负压电弧吸附力关系呈现一一对应的负相关，变化规律随时间循环往复，直至完成增材制造,电压大小为18～22V。
第五步，完成负压电弧冷金属过渡热力协调增材制造过程：切断电流，停止熔丝2和熔滴过渡，关闭保护气体，将焊枪移动到安全位置。
实施例二
本实施例的负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，具体包括以下步骤：
第一步，增材制造前准备：将6061铝合金作为基板1，对6061铝合金进行打磨或清洗污渍，并将打磨或清洗后的6061铝合金进行固定，基板1厚度为2.5mm、预热温度30～80℃；
第二步，设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置：将焊枪设置合适高度，选择合适的焊丝，确定合适工艺的参数，选用6061焊丝为丝材，焊丝2直径2.4mm、焊丝2尖端距离基板1高度5mm、送丝速度4～8m/min、焊接速度8～15mm/s、焊丝2干伸长量4～6mm，焊丝2回抽量和进给量为1～3mm；
第三步，设置CMT电源和开启保护气体：开启气体保护阀门，再开启CMT电源，100％的氩气保护，气体流量为16～24L/min；
第四步，根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力：通过控制系统对CMT参数进行调整，根据电流波形和熔滴过渡状态，通过施加外加纵向磁场来形成和调整负压电弧吸附力的作用时刻、时长、频率和大小，其具体工艺过程如下：(1)如图2所示，焊丝2向下给进，增大电流至100～120A，使电弧3引燃，焊丝2尖端熔化，在向上表面张力Fs和促进熔滴4脱落的电磁力Fem，熔滴4逐渐长大，熔滴的初始重力Fg0逐渐增大；(2)如图3所示，焊丝2回抽来促进熔滴4与焊丝2分离并开始下落，电流降低至30～60A，此时刻施加外加纵向磁场形成与重力相反、方向向上的吸附力Fi，其大小为-60～-120Pa，克服方向向下的熔滴过渡的临界重力Fg1和冲击力，减少常规正压电弧的熔滴4飞溅、降低熔滴4对熔池5的冲击，使熔滴4平顺、低热输入进入熔池5，实现负压电弧冷金属过渡增材制造的热力协同过程，达到无冲击、无飞溅、低热量的熔滴平顺可控过渡热力协同的良好效应，收获更好的增材制造成形成性质量。(3)焊丝2回复到进给状态，电流上升到正常值，外加纵向磁场关闭，负压电弧吸附力消失，电弧3重新正常燃烧，熔滴4在焊丝2末端逐渐形成。负压电弧吸附力可以通过调节外加纵向磁场强度、频率、占空比、方式并与电弧电流匹配进而产生、调节、改变和控制负压电弧吸附力的大小、作用时长、作用时刻、作用频率，外加纵向磁场强度为0.24～0.32T，负压电弧吸附力是基于大气压力的相对压力，磁场方式为纵向连续交变磁场方式。
如图1所示，负压电弧吸附力的作用波形与CMT电流波形相反，负压电弧吸附力作用频率与CMT电流频率协同一致，负压电弧吸附力作用时间与CMT电流最低值时间一致，负压电弧吸附力作用时刻与熔滴在焊丝端部脱落开始过渡的时刻相一致，负压电弧吸附力大小可调节，在熔滴过渡过程中可变化，随熔滴的过渡速度和离熔池表面的距离成反比。CMT电流与负压电弧吸附力关系呈现一一对应的负相关，变化规律随时间循环往复，直至完成增材制造,电压大小为45～80V。
第五步，完成负压电弧冷金属过渡热力协调增材制造过程：切断电流，停止熔丝2和熔滴过渡，关闭保护气体，将焊枪移动到安全位置。
实施例三
本实施例的负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，具体包括以下步骤：
第一步，焊接前准备：将镀锌双相钢钢板作为工件1，对镀锌双相钢钢板进行打磨或清洗污渍，并将打磨或清洗后的镀锌双相钢钢板进行固定，工件1厚度为6mm、预热温度30～80℃；
第二步，设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置：将焊枪设置合适高度，选择合适的焊丝，选用高强钢焊丝为丝材，焊丝2直径3mm、焊丝2尖端距离工件高度3mm、送丝速度12～18m/min、焊接速度20～30mm/s、焊丝2干伸长量6～8mm，焊丝2回抽量和进给量为3～6mm；
第三步，设置CMT电源和开启保护气体：开启气体保护阀门，再开启CMT电源，100％的氦气保护，气体流量为14～20L/min；
第四步，根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力：通过控制系统对CMT参数进行调整，根据电流波形和熔滴过渡状态，通过施加外加纵向磁场来形成和调整负压电弧吸附力的作用时刻、时长、频率和大小，其具体工艺过程如下：(1)如图2所示，焊丝2向下给进，增大电流至160～240A，使电弧3引燃，焊丝2尖端熔化，在向上表面张力Fs和促进熔滴4脱落的电磁力Fem，熔滴4逐渐长大，熔滴的初始重力Fg0逐渐增大；(2)如图3所示，焊丝2回抽来促进熔滴4与焊丝2分离并开始下落，电流降低至40～100A，此时刻施加外加纵向磁场形成与重力相反、方向向上的吸附力Fi，其大小为-160～-240Pa，克服方向向下的熔滴过渡的临界重力Fg1和冲击力，减少常规正压电弧的熔滴4飞溅、降低熔滴4对熔池5的冲击，使熔滴4平顺、低热输入进入熔池5，实现负压电弧冷金属过渡焊接的热力协同过程，达到无冲击、无飞溅、低热量的熔滴平顺可控过渡热力协同的良好效应，收获更好的焊接成形成性质量。(3)焊丝2回复到进给状态，电流上升到正常值，外加纵向磁场关闭，负压电弧吸附力消失，电弧3重新正常燃烧，熔滴4在焊丝2末端逐渐形成。负压电弧吸附力可以通过调节外加纵向磁场强度、频率、占空比、方式并与电弧电流匹配进而产生、调节、改变和控制负压电弧吸附力的大小、作用时长、作用时刻、作用频率，外加纵向磁场强度为0.28～0.36T，负压电弧吸附力是基于大气压力的相对压力，磁场方式为纵向连续交变磁场方式。
如图1所示，负压电弧吸附力的作用波形与CMT电流波形相反，负压电弧吸附力作用频率与CMT电流频率协同一致，负压电弧吸附力作用时间与CMT电流最低值时间一致，负压电弧吸附力作用时刻与熔滴在焊丝端部脱落开始过渡的时刻相一致，负压电弧吸附力大小可调节，在熔滴过渡过程中可变化，随熔滴的过渡速度和离熔池表面的距离成反比。CMT电流与负压电弧吸附力关系呈现一一对应的负相关，变化规律随时间循环往复，直至完成焊接,压大小为6～18V。
第五步，完成负压电弧冷金属过渡热力协调焊接过程：切断电流，停止熔丝2和熔滴过渡，关闭保护气体，将焊枪移动到安全位置。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：焊接前准备：焊接前，将待焊工件或增材制造基板进行打磨或清洗污渍，并将打磨或清洗后的待焊工件或增材制造基板进行固定；
步骤2：设置CMT工艺参数和调整焊枪相对位置：将焊枪设置合适高度，选择合适的焊丝，确定合适工艺的参数；
步骤3：设置CMT电源和开启保护气体：开启气体保护阀门，再开启CMT电源；
步骤4：根据CMT电流波形和熔滴过渡状态，控制和施加适配的负压电弧吸附力：通过控制系统对CMT参数进行调整，根据电流波形和熔滴过渡状态，通过施加外加纵向磁场来形成和调整负压电弧吸附力的作用时刻、时长、频率和大小，其具体工艺过程如下：
(1)焊丝向下给进，增大电流，使电弧引燃，焊丝尖端熔化，在向上表面张力Fs和促进液滴脱落的电磁力Fem，熔滴逐渐长大，熔滴的初始重力Fg0逐渐增大；
(2)焊丝回抽来促进熔滴与焊丝分离并开始下落，电流降低并到达最小值，此时刻施加外加纵向磁场形成与重力相反、方向向上的负压电弧吸附力Fi，克服方向向下的熔滴过渡的临界重力Fg1和冲击力，减少常规正压电弧的熔滴飞溅、降低熔滴对熔池的冲击，使熔滴平顺、低热输入进入熔池，实现负压电弧冷金属过渡焊接与增材制造的热力协同过程，达到无冲击、无飞溅、低热量的熔滴平顺可控过渡热力协同的良好效应，收获更好的焊接或增材制造成形成性质量；
(3)焊丝回复到进给状态，电流上升到正常值，外加纵向磁场关闭，负压电弧吸附力消失，电弧重新正常燃烧，熔滴在焊丝末端逐渐形成，熔滴过渡依此过程循环往复。
步骤5：完成负压电弧冷金属过渡热力协调焊接或增材制造过程：切断电流，停止熔丝和熔滴过渡，关闭保护气体，将焊枪移动到安全位置。
2.根据权利要求1所述的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于，所述步骤4中负压电弧吸附力为-12～-418Pa，负压电弧吸附力的作用波形与CMT电流波形相反，负压电弧吸附力作用频率与CMT电流频率协同一致，负压电弧吸附力作用时间与CMT电流最低值时间一致，负压电弧吸附力作用时刻与熔滴在焊丝端部脱落开始过渡的时刻相一致，负压电弧吸附力大小可调节，在熔滴过渡过程中可变化，随熔滴的过渡速度和离熔池表面的距离成反比。
3.根据权利要求1所述的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于，所述步骤2中焊丝直径0.8～6mm、焊丝尖端距离工件或基板高度2～6mm、送丝速度0.1～40m/min、焊接速度10～600mm/s、焊丝干伸长量2～10mm，焊丝回抽量和进给量为1～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于，所述步骤3中的保护气体种类为100％的氩气、或者100％氦气、或者氩气+二氧化碳的混合气体、或者二氧化碳气体、或者以氩气+氦气为主体+少量氢气+少量氧气的四元混合气体、或者以氩气+氦气为主体+少量氧气的三元混合气体，气体流量为8～38L/min。
5.根据权利要求1所述的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于，所述步骤4中负压电弧吸附力通过调节外加纵向磁场强度、频率、占空比、方式并与电弧电流匹配进而产生、调节、改变和控制负压电弧吸附力的大小、作用时长、作用时刻、作用频率，外加纵向磁场强度为0.02～4.8T，负压电弧吸附力是基于大气压力的相对压力，外加纵向磁场方式为连续交变磁场方式、或者间歇交变磁场方式、或者脉冲交变磁场方式；外加纵向磁场模式为固定纵向磁场模式、或者旋转纵向磁场模式、或者内外反向的纵向双磁场模式、或者上下反向的纵向双磁场模式。
6.根据权利要求1所述的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于，所述步骤4中的CMT电流与负压电弧吸附力关系呈现一一对应的负相关，变化规律随时间循环往复，直至完成焊接或增材制造，电压大小为10～60V，电流大小为30～480A。
7.根据权利要求1所述的一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法，其特征在于，所述方法适用于铝合金材料、或者合金钢材料、或者镁合金材料、或者钛合金材料、或者不锈钢材料、或者钼合金材料、或者铜合金材料、或者铝铜异种材料、或者铝钢异种材料、或者硬质合金材料、或者稀有金属材料、或者难熔金属材料、或者高熵合金材料、或者中熵合金材料、或者金属基复合材料。
Priority Applications (1)
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| CN202410316666.1A CN118106590A (zh) | 2024-03-20 | 2024-03-20 | 一种负压电弧冷金属过渡热力协同焊接与增材制造方法 |
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|---|---|---|---|
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2024
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