CN108067705A - 一种cmt-超声冲击复合增材制造的方法 - Google Patents

一种cmt-超声冲击复合增材制造的方法 Download PDF

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胡绳荪
田银宝
申俊琦
王志江
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Abstract

本发明公开了一种CMT‑超声冲击复合增材制造的方法，在CMT电弧增材制造的同时对已成形的构件表面进行超声冲击处理，构件表面发生塑性变形，在使成形构件组织致密的同时，使其内部气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者被消除；同时，超声冲击部分作用能量通过构件传导至CMT的液态熔池中，以降低气泡在熔池液体中的溶解度，提高气泡的上浮速度，缩短气泡在熔池中的时间，从而减少成形构件中的气孔数量和气孔体积，同时通过超声冲击，焊接接头表面发生明显的塑性变形，近表层微观组织被击碎，从而接头表面的晶粒得到细化。

Description

一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造领域，尤其涉及一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法。
背景技术
冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)技术是奥地利福尼斯公司在钢与铝焊接、无飞溅引弧技术以及微连接技术基础之上开发成功的一种低热输入量焊接工艺。CMT技术的创新之处在于将熔滴过渡与送丝过程相结合，真正实现了无飞溅焊接；由于对熔滴过渡过程的有效控制，在降低焊接热输入的同时可以实现金属构件电弧增材制造的成形控制。增材制造(additive manufacturing,AM)技术是通过采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的切削加工技术，是一种自下而上材料累加的制造方法。但是，利用CMT焊接技术进行金属构件电弧增材制造时，成形构件组织一般较为疏松，特别是铝/镁合金成形构件中还会形成较多的气孔，不仅会减少成形构件的有效承载面积，同时也易引起应力集中，从而降低金属增材制造构件的使用性能。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，使用CMT与超声冲击复合加工的方法，在实现金属构件电弧增材制造的同时，减少CMT电弧增材制造过程中构件的气孔数量和气孔体积，改善构件组织疏松程度，从而提高增材制造构件的致密度。
本发明通过下述技术方案予以实现：
一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，在CMT电弧增材制造的同时对已成形的构件表面进行超声冲击处理，构件表面发生塑性变形，在使成形构件组织致密的同时，使其内部气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者被消除；同时，超声冲击部分作用能量通过构件传导至CMT的液态熔池中，以降低气泡在熔池液体中的溶解度，提高气泡的上浮速度，缩短气泡在熔池中的时间，从而减少成形构件中的气孔数量和气孔体积。
而且，超声冲击部分作用能量通过构件传导至CMT的液态熔池中，体积较大的气泡被冲击成若干个气泡，有助于气泡的逸出。
而且，超声冲击设备输出端始终垂直于成形构件表面(即超声冲击设备的输出端位于成形构件表面的法线方向，从法线方向进行冲击)，并对已成形构件表面完全(即焊缝表面)进行冲击。
而且，超声冲击的频率为10-20kHz，优选15-20kHz。
而且，在焊接方向上，CMT电弧在前，超声冲击在后，CMT电弧中心与超声冲击位置的距离为10—20mm。
按照上述的方法完成CMT-超声冲击复合增材制造后，将单独CMT电弧增材制造的试样和CMT-超声冲击复合增材制造的试样通过线切割将其切下，进行对比。通过打磨抛光后，在光学显微镜下观看试件横截面的气孔以及试件形貌，由于超声冲击作用，试件表面发生塑性变形，在试件内部(距试件表面近距离)的气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者气孔被消除，同时通过超声冲击，焊接接头表面发生明显的塑性变形，近表层微观组织被击碎，从而接头表面的晶粒得到细化。
附图说明
图1为本发明CMT-超声冲击复合增材制造方法设备结构示意图；
图2为利用本发明技术方案进行CMT-超声冲击复合增材制造和单独CMT电弧增材制造的试件横截面形貌(1)，其中(a)为CMT-超声冲击复合增材制造(b)为单独CMT电弧增材制造；
图3为利用本发明技术方案进行CMT-超声冲击复合增材制造和单独CMT电弧增材制造的试件宏观形貌；
图4为利用本发明技术方案进行CMT-超声冲击复合增材制造和单独CMT电弧增材制造的试件横截面形貌(2)，其中(a)为CMT-超声冲击复合增材制造(b)为单独CMT电弧增材制造；
图5为本发明中超声冲击针与焊缝的作用示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
本发明涉及的金属电弧增材制造实验基板为铝合金6061，基板尺寸为300×150×4mm，焊丝选用ER4043。采用直流冷金属过渡技术(cold metal transfer,CMT)进行铝合金电弧增材制造试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced4000型焊机。
试验前用钢丝刷将铝合金基板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；设定焊接参数，送丝速度为5m/min，焊枪总体行走速度为8mm/s，气体流量为20L/min；
将天津天东恒科技发展有限公司生产的超声冲击机(枪)放置在CMT焊枪之后对已成形的铝合金试件进行超声冲击，将频率调为18kHz；采用多排多针冲击头冲击焊缝表面，冲击过程枪头垂直于接头表面，确保已成形表面被完全冲击(超声冲击枪详见中国专利2013102016550，200610014768X)。
将单独CMT电弧增材制造的试样和CMT-超声冲击复合增材制造的试样通过线切割将其切下，进行对比，包括：(1)对已成形表面进行超声冲击(CMT-超声冲击复合增材制造)与完全没有超声冲击(CMT电弧增材制造)的试件进行对比。(2)仅在一侧进行CMT-超声冲击复合增材制造，与单独CMT电弧增材制造的另一侧进行对比。通过打磨抛光后，在光学显微镜下观看试件横截面的气孔以及试件形貌，如附图2-4所示，由于超声冲击作用，试件表面发生塑性变形，在试件内部(距试件表面一定距离)的气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者气孔被消除。
本发明又选用镁合金AZ31和钛合金TA15作为金属电弧增材制造实验基板，采用与上述铝合金相同的试验尺寸、参数和设备进行实验，得到结果与上述实验结果相同。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，其特征在于，在CMT电弧增材制造的同时对已成形的构件表面进行超声冲击处理，构件表面发生塑性变形，在使成形构件组织致密的同时，使其内部气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者被消除；同时，超声冲击部分作用能量通过构件传导至CMT的液态熔池中，以降低气泡在熔池液体中的溶解度，提高气泡的上浮速度，缩短气泡在熔池中的时间，从而减少成形构件中的气孔数量和气孔体积。
2.根据权利要求1所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，其特征在于，超声冲击部分作用能量通过构件传导至CMT的液态熔池中，体积较大的气泡被冲击成若干个气泡，有助于气泡的逸出。
3.根据权利要求1所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，其特征在于，超声冲击设备输出端始终垂直于成形构件表面，即超声冲击设备的输出端位于成形构件表面的法线方向，从法线方向进行冲击，并对已成形构件表面即焊缝表面进行完全冲击。
4.根据权利要求1所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，其特征在于，超声冲击的频率为10-20kHz，优选15-20kHz。
5.根据权利要求1所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，其特征在于，在焊接方向上，CMT电弧在前，超声冲击在后，CMT电弧中心与超声冲击位置的距离为10—20mm。
6.如权利要求1-5之一所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法在铝合金6061增材制造中应用。
7.如权利要求1-5之一所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法在镁合金AZ31增材制造中应用。
8.如权利要求1-5之一所述的一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法在钛合金TA15增材制造中应用。
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