CN105458470A - 一种钛合金形件双电弧复合热源增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金形件双电弧复合热源增材制造方法，步骤是将MIG焊与TIG焊有机组合，焊丝作为熔化极由MIG焊枪送出，在基板上进行堆焊；MIG电源正极与TIG电源正极相接，MIG电源负极与基板相接，MIG焊枪与MIG电源正极相连，TIG焊枪与TIG电源负极相连；MIG焊枪在前，TIG焊枪在后，利用TIG焊回路对焊丝的电流进行分流，使得通过焊丝的电流较大，而通过焊件的电流较小。在基板完成第一堆焊层后，将复合焊枪提升一个层高，进行第二层形件焊接，重复上述过程，制得由若干堆焊层叠加制成钛合金形件。本发明金属沉积率高、焊接速度快、焊件热输入少、形件组织及机械性能好，成本低，解决了传统钛合金单TIG电弧送丝增材制造时热输入大、焊接速度慢，焊件质量差和效率低的问题。

Description

一种钛合金形件双电弧复合热源增材制造方法
技术领域
本发明属于快速成型制造技术领域，具体涉及一种钛合金形件双电弧复合热源增材制造方法。
背景技术
钛合金以其独特的综合性能，被广泛应用于航空航天领域。而增材制造技术目前也成为钛合金快速成型的重要手段。对于钛合金制品，目前主要采用激光粉末增材制造技术进行快速成型，而送丝方式增材制造技术金属沉积效率大、材料利用高、无烟尘污染，受到人们的越来越多的关注。为了避免顶丝、粘丝等问题，目前主要采用单TIG电弧作为热源，对钛合金丝材进行熔化，如名称为《一种钛合金结构件电弧增材制造方法》，公开号为102962547A的发明专利，由于TIG电弧热流密度小，移动速度慢，生产效率的提高受到限制；而采用MIG焊热源，金属丝材作为熔化极进行自熔，金属熔敷速率高，但同时钛合金形件受MIG焊电弧热影响较大；当热源移动及焊丝熔化较快时，为了保证焊缝成形，需要较大电流，易导致制品的组织及力学性能的急剧恶化。
为了增大金属熔敷率，提高焊速，同时又避免工件过热，损害焊件组织，有研究者提出了MIG+TIG双电极复合焊接工艺，如名称为《双电源双电极的高速焊接装置及其焊接方法》，公开号为102581446A的发明专利。该专利通过TIG焊旁路对MIG焊丝与焊件的电流分配进行调节，实现了工件低热输入、大熔敷率、高速焊接过程，从而为钛合金送丝方式的高效增材制造提供了保证。而文献《StudyforTIG–MIGhybridweldingprocess》和《高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理》中MIG+TIG复合电弧焊接工艺机理与该发明专利所述不同，其主要是利用两者电弧的热作用改善焊缝成形，装置中并无分流作用。此外，相对于连接不同金属构件的焊接工艺，金属增材制造技术用于快速制备整个或部分构件，其对熔池形态、熔融金属凝固的成形、组织、性能要求更为严格。目前MIG+TIG双电极复合焊接工艺主要用于钢板、铝/镁合金等材料的焊接方面，尚未开展对钛合金形件MIG+TIG复合热源送丝增材制造方面的研究与应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的问题和不足，提供一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，旨在不增加形件热输入条件下，增大金属熔敷率和焊接速度，提高钛合金送丝增材制造效率，解决传统TIG电弧送丝增材制造效率较低问题。
本发明是通过将MIG焊与TIG焊有机组合，以MIG电源、焊丝、基板(形件)组成主回路，而TIG焊电源、焊丝、TIG焊枪钨极组成旁路，焊丝由MIG焊枪送出。利用TIG焊回路对通过MIG焊丝与焊件的电流进行分化调节，以保证通过MIG焊丝较大电流时，减小作用于钛合金形件的热输入。因此，该工艺可通过增大电流，提高钛合金丝材焊丝的熔敷率及焊接速度，同时又避免了钛合金形件材料的过热，从而克服TIG电弧送丝增材制造时焊枪移动速度较低的问题，提高了生产效率。
技术方案：为达到上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，包括如下步骤：
1、将MIG焊与TIG焊有效耦合，MIG焊电源正极与TIG焊电源正极相连，两者连接点与MIG焊枪相连，MIG焊电源负极与基板相连，TIG焊电源负极与TIG焊枪相连，形成MIG+TIG复合热源焊，即复合焊枪，焊丝由MIG焊枪送出，其中，MIG焊电源、焊丝、基板组成主回路，而TIG焊电源、焊丝、TIG焊枪组成旁路，用于对通过焊丝的电流进行分化；
2、将保护气体拖罩置于基板焊缝上方，并在沿焊接方向的一端向前依次安置TIG焊枪和MIG焊枪，其中TIG焊枪枪杆向后倾斜，与基板平面形成一β角，并与保护气体拖罩相固定，MIG焊枪枪杆向前倾斜，与基板平面形成一α角；TIG焊枪钨极端部到MIG焊枪焊丝的垂直距离为d；
3、在基板选取起弧点，先预通保护气体4-6s，然后打开焊接电源，依据焊道布局进行第一层堆焊焊接，每道堆焊层高为1-4mm，层宽为2-8mm；若焊层由多道焊缝组成，完成前一道焊缝后，依据设定布局，将复合焊枪侧移1-4mm后进行下一道堆焊，两道焊缝搭接宽度为1-4mm；
4、完成第一层形件后，关闭焊接电源进行收弧，并继续通保护气体3-6s；将复合焊枪提高1-3mm，将其移至预定位置，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；
5、重复步骤3和步骤4，直至完成钛合金形件的增材制造过程；
6、依据尺寸及精度要求，对钛合金形件进行热处理及机械加工。
上述步骤1中，所述的α角为60-80°，所述的β角为40-60°，所述的钨极端部到焊丝垂直距离d为5-10mm。
上述步骤3中，所述的焊接步骤是先启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s，TIG焊钨极与焊丝间电弧稳定后，再按设定的焊接速度移动。
上述步骤3-5，焊接工艺参数为：MIG焊接电流为100-250A，TIG焊接电流为100-250A，即通过焊丝的总电流为200-500A，焊接速度为1-2m/min，送丝速度为6-10m/min。
上述步骤3中，所述的保护气体为99.999％的高纯度纯氩气、氦气或两者混合气体，MIG焊保护气体流量为15-30L/min，TIG焊保护气体流量为12-25L/min，保护气体拖罩气体流量为20-40L/min。
上述步骤1中，所述的焊丝的材质为工业纯钛、TA7、TC1、TC4中的任一种，焊丝直径为1.0-1.6mm。
如上所述步骤3中，所述的基板的材质为碳钢或钛合金。
技术效果：本发明与现有技术相比，具有的主要优点和有益效果在于：
(1)充分利用MIG焊可采用大电流、金属熔敷率高、热源运行速度快等特点，提高了钛合金增材制造生产效率。与TIG电弧送丝相比，本发明热源运行速度可提高80％-350％，从而有效解决了钛合金普通单TIG电弧送丝增材制造运行速度慢的问题。
(2)以丝材金属作为熔化极，较TIG电弧送丝可以更好地避免高行进速度下粘丝、顶丝等问题的出现，进一步提高了加工过程的稳定性。
(3)TIG焊旁路的分流作用则避免了钛合金形件的过热，与单MIG焊相比，热量减少40％-60％；与TIG电弧送丝相比，热量也可减少20-40％，进一步提升了形件的组织及力学性能。
附图说明
图1为本发明的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法的示意图，
图中，1为MIG焊枪，2为焊丝，3为TIG焊枪，4为保护气体拖罩进气口，5为MIG焊电源，6为TIG焊电源，7为保护气体拖罩，8为基板，Itig为TIG焊焊接电流，Imig为MIG焊接电流，Itotal为通过焊丝的总电流，α为MIG焊枪与基板平面之间的角度，β为TIG焊枪与基板平面之间的角度，d为钨极端部到焊丝的垂直距离。
图2，(a)为实施例1和实施例2钛合金形件示意图，(b)为焊枪扫描路径示意图，
图中：8为基板，9为钛合金形件，H为钛合金形件高度，W为钛合金形件宽度。
图3，(a)为实施例3钛合金形件示意图，(b)为焊枪扫描路径示意图，
图中：8为基板，9为钛合金形件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，包括如下步骤：
(1)将MIG焊电源5正极与TIG焊电源6正极相连，再与MIG焊枪1相连；MIG焊电源5负极与基板8相连，而TIG焊电源6负极与TIG焊枪3相连，形成MIG+TIG复合热源焊，即复合焊枪，而焊丝2由MIG焊枪1送出。由MIG焊电源5、焊丝2与基板(形件)8组成主回路，而TIG焊电源6、TIG焊枪3及焊丝2组成分流回路。
(2)将保护气体拖罩7置于基板8焊缝上方，并在沿焊接方向的一端向前依次安置TIG焊枪3和MIG焊枪1，其中TIG焊枪3的枪杆向后倾斜，与基板8的平面形成一β角，并与保护气体拖罩7相固定，MIG焊枪1的枪杆向前倾斜，与基板8的平面形成一α角；TIG焊枪3的钨极端部到MIG焊枪1的焊丝的垂直距离为d；
(3)在基板8选取起弧点，预通气4-6s，先启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s复合电弧稳定后，依据焊道布局进行第一层堆焊焊接。若焊层由多道焊缝组成，完成前一道焊缝后，依据设定布局，将复合焊枪侧移1-4mm后进行下一道堆焊，两道焊缝搭接宽度为1-4mm。
(4)完成第一层形件后，关闭焊接电源进行收弧，并继续通气3-6s；将复合焊焊枪提高1-3mm，将其移至预定位置，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程。
(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成钛合金制品或部件增材制造过程。
(6)依据尺寸及精度要求，对制品/部件进行适当后续热处理及机械加工。
上述步骤(1)中，MIG焊枪1与TIG焊枪3在同一平面内，MIG焊枪1在前，TIG焊枪3在后，钨极端部到焊丝垂直距离d为5-10mm，MIG焊枪1与基板8平面角度α为60-80°，TIG焊枪3与基板8平面角度β为40-60°。
上述步骤(3)-(5)中，MIG焊接电流Imig为100-250A，TIG焊接电流Itig为100-250A，即通过焊丝的总电流Itotal为200-500A，焊接速度为1-2m/min，送丝速度为6-10m/min。
上述步骤(3)保护气体为99.999％高纯度氩气、氦气或两者混合气体，MIG焊保护气体流量为15-30L/min，TIG焊保护气体流量为12-25L/min，保护气体拖罩7气体流量为20-40L/min。
上述步骤(3)中，焊接时，先启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s，TIG焊钨极与焊丝2间电弧稳定后，进行高速堆焊焊接，每道堆焊层高为1-4mm，层宽为2-8mm。
如上所述步骤(1)中，焊丝2可为工业纯钛、TA7、TC1、TC4等钛合金焊丝以及其它可制作焊丝的钛及钛合金材料，焊丝2直径为1.0-1.6mm
如上所述步骤(3)中，基板8为碳钢或钛合金。
实施例1
如图2(a)和(b)所示，钛合金形件9高度H为120mm，宽度W为20mm，由100层堆焊层形成，每层堆焊层高1.2mm，每层13道堆焊焊接。焊接工艺平台：由Fronius数字化MIG焊机与松下TIG焊机组成复合热源焊接装置，MIG焊枪1在前，TIG焊枪3在后；采用直径为1.2mmTC4焊丝2，选用TC4钛合金为基板8。其具体步骤如下：
(1)在基板起弧位置预通气5s，首先启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s，电弧稳定后进行第一层第一道堆焊焊接。
(2)第一道堆焊结束后，将复合焊枪转动180°，然后将其侧移1.5mm，反向进行第一层第二道堆焊焊接，焊缝间搭接1mm；如此重复，再完成其余11道堆焊焊接，然后进行收弧；收弧后，持续送气4s。
(3)将复合焊枪提高1.5mm，移至第一层第起弧位置，起弧后进行第二层第一道堆焊焊接，堆焊焊接。
(4)第二层第一道堆焊完成后，将复合焊枪转动180°，然后将其侧移1.5mm，反向进行第二层第二道堆焊焊接，焊缝间搭接1mm；如此重复，再完成其余11道堆焊焊接，然后进行收弧；收弧后，持续送气4s。
(5)重复步骤(2)-(4)，直至完成其余焊层的堆焊焊接，形成钛合金形件。
上述步骤，焊接工艺规范参数为：MIG焊枪与基板平面角度为75°，TIG焊枪与基板平面角度为60°，钨极端部到焊丝垂直距离为6mm，MIG焊接电流为190A，TIG焊接电流为140A，即通过焊丝的总电流为330A，送丝速度为6.7m/min，焊接速度为1.2m/min，MIG焊保护气体流量为20L/min，TIG焊保护气体流量为15L/min，保护气体拖罩气体流量为20L/min。
实施例2
如图2(a)和(b)所示，钛合金形件9高H为100mm，宽度W为15mm，由100层堆焊层形成，每层堆焊层高1.0mm，每层10道堆焊焊接。焊接工艺平台：由Fronius数字化MIG焊机与松下TIG焊机组成复合热源焊接装置，MIG焊枪1在前，TIG焊枪3在后；采用直径为1.2mmTC1焊丝2，选用TC1钛合金为基板8。其具体步骤如下：
(1)在基板8起弧位置预通气5s，启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s，电弧稳定后进行第一层第一道堆焊焊接。
(2)第一道堆焊结束后，将复合焊枪转动180°，然后将其侧移1.5mm，反向进行第一层第二道堆焊焊接，焊缝间搭接1mm；如此重复，再完成其余8道堆焊焊接，然后进行收弧；收弧后，持续送气4s。
(3)将焊枪提高1.2mm，移至第一层第起弧位置，起弧后进行第二层第一道堆焊焊接，堆焊焊接。
(4)第二层第一道堆焊完成后，将焊枪转动180°，然后将其侧移1.5mm，反向进行第二层第二道堆焊焊接，焊缝间搭接1mm；如此重复，再完成其余8道堆焊焊接，然后进行收弧；收弧后，持续送气4s。
(5)重复步骤(2)-(4)，直至完成其余焊层的堆焊焊接，形成钛合金形件9。
上述步骤，焊接的工艺规范参数为：MIG焊枪1与基板8的平面之间的角度为75°，TIG焊枪3与基板8平面之间的角度为60°，钨极端部到焊丝垂直距离为6mm，MIG焊接电流180A，TIG焊焊接电流为120A，即通过焊丝的总电流为300A，送丝速度为6.3m/min，焊接速度为1.2m/min，MIG焊保护气体流量为16L/min，TIG焊保护气体流量为12L/min，保护气体拖罩气体流量为18L/min。
实施例3
如图3(a)和(b)所示，钛合金形件9高度为250mm，内径与外径分别为200mm和260mm，由100层堆焊层形成，每层堆焊层高2.5mm，每层15道堆焊焊接。焊接工艺平台：由Fronius数字化MIG焊机与松下TIG焊机组成复合热源焊接装置，MIG焊枪1在前，TIG焊枪3在后；采用直径为1.6mmTC4焊丝2，选用TC4钛合金为基板8；焊接过程中，基板固定于变位机上，仅变位机转动，焊枪固定不动，仅作侧移。其具体步骤如下：
(1)在基板8起弧位置预通气6s，首先启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s，电弧稳定后，变位机逆时针转动，进行第一层第一道顺时针堆焊焊接。
(2)第一道堆焊结束，变位机不停止，持续逆时针转动，复合焊枪向外侧移2.5mm，顺时针进行第一层第二道堆焊焊接，焊缝间搭接2mm，如此重复，再完成其余13道堆焊焊接，然后进行收弧；收弧后持续送气4s，然后停止送气。相较于专利《一种钛合金结构件电弧增材制造方法》，本发明热源行进过程中，变位机不停止及反转，不仅提高了加工效率，也使得形件受热更加均匀，从而进一步提升了形件质量稳定性。
(3)将复合焊枪提高2.5mm，移至第一层第一道起弧点，变位机逆时针旋转40°，然后参照步骤(1)，进行第二层第一道堆焊焊接，即不同层起弧位置不同，两者相差40-60°。
(4)完成第二层第一道堆焊后，变位机不停止，持续逆时针转动，复合焊枪向外侧移2.5mm，顺时针进行第二层第二道堆焊焊接，焊缝间搭接2mm，如此重复，再完成其余13道堆焊焊接，然后进行收弧；收弧后持续送气4s，然后停止送气。
(5)重复步骤(3)-(4)，直至完成其余焊层的堆焊焊接，形成钛合金形件9。
上述步骤中，焊接工艺规范参数为：MIG焊枪与基板平面角度为75°，TIG焊枪与基板平面角度为60°，钨极端部到焊丝垂直距离为6mm，MIG焊接电流220A，TIG焊焊接电流为180A，即通过焊丝的总电流为400A，送丝速度为7.5m/min，焊接速度为1.0m/min，MIG焊保护气体流量为20L/min，TIG焊保护气体流量为15L/min，保护气体拖罩气体流量为20L/min。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：所述钛合金形件由若干堆焊层叠加制成，其方法包括以下步骤：
(1)将MIG焊与TIG焊有效耦合，MIG焊电源正极与TIG焊电源正极相连，两者连接点与MIG焊枪相连，MIG焊电源负极与基板相连，TIG焊电源负极与TIG焊枪相连，形成MIG+TIG复合热源焊，即复合焊枪，焊丝由MIG焊枪送出，其中，MIG焊电源、焊丝、基板组成主回路，而TIG焊电源、焊丝、TIG焊枪组成旁路，用于对通过焊丝的电流进行分化；
(2)将保护气体拖罩置于基板焊缝上方，并在沿焊接方向的一端向前依次安置TIG焊枪和MIG焊枪，其中TIG焊枪枪杆向后倾斜，与基板平面形成一β角，并与保护气体拖罩相固定，MIG焊枪枪杆向前倾斜，与基板平面形成一α角；TIG焊枪钨极端部到MIG焊枪焊丝的垂直距离为d；
(3)在基板选取起弧点，先预通保护气体4-6s，然后打开焊接电源，依据焊道布局进行第一层堆焊焊接，每道堆焊层高为1-4mm，层宽为2-8mm；若焊层由多道焊缝组成，完成前一道焊缝后，依据设定布局，将复合焊枪侧移1-4mm后进行下一道堆焊，两道焊缝搭接宽度为1-4mm；
(4)完成第一层形件后，关闭焊接电源进行收弧，并继续通保护气体3-6s；将复合焊枪提高1-3mm，将其移至预定位置，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；
(5)重复步骤3和步骤4，直至完成钛合金形件的增材制造过程；
(6)依据尺寸及精度要求，对钛合金形件进行热处理及机械加工。
2.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(2)所述的α角的大小为60-80°，所述的β角的大小为40-60°，所述的钨极端部到焊丝垂直距离d为5-10mm。
3.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(3)所述的焊接步骤是先启动MIG焊，再启动TIG焊，待1-2s，TIG焊钨极与焊丝间电弧稳定后，再按设定的焊接速度移动。
4.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(3)至步骤(5)所述焊接的工艺参数为：MIG焊接电流为100-250A，TIG焊接电流为100-250A，即通过焊丝的总电流为200-500A，焊接速度为1-2m/min，送丝速度为6-10m/min。
5.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(3)所述的保护气体为99.999％的高纯度纯氩气、氦气或两者混合气体，MIG焊保护气体流量为15-30L/min，TIG焊保护气体流量为12-25L/min，保护气体拖罩气体流量为20-40L/min。
6.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(1)所述的焊丝的材质为工业纯钛、TA7、TC1、TC4中的任一种。
7.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(1)所述的焊丝的直径为1.0-1.6mm。
8.根据权利要求1所述的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，其特征在于：步骤(3)所述的基板的材质为碳钢或钛合金。
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