CN113210909A - 一种改善镁合金cmt增材制造熔敷层表面性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，采用CMT工艺制备镁合金熔敷层，对其进行搅拌摩擦处理，加工时搅拌头后倾，手动调控搅拌头轴肩下压量，处理后的熔敷层质量良好且表面无凹槽、裂纹等缺陷。搅拌头的高速转动可以使搅拌区组织在大的应变和一定温度下发生动态再结晶，晶粒进一步细化，第二相也发生剧烈的破碎和溶解，组织的均匀化程度和表面硬度大幅提高。

Description

一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法
技术领域
本发明采用搅拌摩擦处理方法对镁合金的CMT熔敷层进行表面改性，该方法可消除熔敷层的内部缺陷，细化晶粒，提高镁合金熔敷层的表面硬度。
背景技术
冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer,CMT)作为一种无飞溅的新型焊接工艺技术采用外加回抽力促进熔滴发生短路过渡，同时在电压电流的波形控制方面进行了改进，极大地降低了焊接热输入，并具有更高的熔敷率和更出色的焊接稳定性。基于以上优点，CMT在针对镁合金等对热输入敏感的金属的焊接方面具有广阔的应用前景。
但即便如此，由于镁合金独特的性质使其在电弧熔敷成形时表现出与其它材料不同的特性，主要存在易氧化、熔敷成形层中气孔与热裂纹倾向大、显微组织晶粒粗大以及热应力倾向大等问题。镁与氧的亲和力大，在常温下即可形成氧化镁与氢氧化镁。此外，由于铸造工艺过程中除气不尽，铸造镁合金含气量过高，熔敷成形时铸件内的气体经固溶或扩散进入熔池，导致凝固时来不及逸出而形成气孔。由于镁合金的热导率大，易造成成形焊缝及近缝区过热，导致晶粒长大问题严重。因此有必要采用一种后处理技术，改善提高镁合金CMT熔敷层的组织与性能。
作为一种新型加工方法，搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)基于搅拌摩擦焊接原理，利用搅拌头的高速旋转和移动造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎以及伴随的动态再结晶，来细化晶粒、破碎粗大第二相、消除气孔等缺陷，从而显著改善合金显微组织，提高合金的力学性能。此外搅拌摩擦加工还具有以下一系列优点：不产生有害气体及噪音，绿色无污染；可实现高速加工；搅拌头形状、转速、前进速度等灵活可调，便于选择表面加工厚度、范围及调控加工区域组织；无需额外加热设备，能效高；操作简单，可重复性好；固态加工，对基体材料影响小，有效解决镁合金等材料热加工中易变形的问题。由此可以看出，在CMT增材制造后，对镁合金熔敷层进行搅拌摩擦加工可有效细化原本受热粗化的晶粒，同时伴有的第二相固溶可明显减少第二相组织，使熔敷层的强度及耐腐蚀性能得到很大提高。所以熔化焊结合表面搅拌摩擦加工将是改善镁合金增材制造构件组织性能的一种较佳工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对镁合金CMT熔敷成形层内存在的气孔、裂纹及粗大组织等问题，提供一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，采用搅拌摩擦处理技术对其进行改性处理，以期提高增材再制造零件的服役性能。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，对CMT外摆增材制造得到的熔敷层进行搅拌摩擦处理，将搅拌摩擦焊的搅拌针压入熔覆层中并使搅拌摩擦焊的轴肩与熔覆层保持压紧，对熔覆层进行搅拌摩擦焊处理，搅拌速度为300—800r/min，行走速度为30—80mm/min。
而且，搅拌头为锥形带螺纹搅拌针，长度为3—5mm，轴肩直径为10—15mm，搅拌针向后倾角为2—5°。
而且，进行搅拌摩擦处理，搅拌速度为500—800r/min，行走速度为30—60mm/min。
采用本课题组的摆焊方式进行镁合金增材制造，在进行后续搅拌摩擦处理，具体来说：使用冷金属过渡焊焊枪为增材制造过程提供热源且焊枪与工件表面保持垂直，在每一层增材制造中，CMT焊枪自起始位置开始，以这一层增材制造的中央线为对称轴进行外摆，以偏离增材制造中央线的一定角度运行到振幅顶点，再运行到增材制造中央线的位置，以形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，再以相同角度向相反方向进行外摆，运行到振幅顶点后，再运行到增材制造的中央线位置，以再形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，如此反复，以到达这一层增材制造的终点位置，以完成该层增材制造。
而且，偏离增材制造中央线的一定角度为30—60度，优选45度。
而且，焊枪干伸长为10-18mm，优选12—15mm，送丝速度为8-14m/min，优选10-13m/min，焊枪行走速度为10-90cm/min，优选30-70cm/min，冷金属过渡焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用12-25L/min，优选15-20L/min。
而且，进行外摆时采用三角摆动，频率选用1-5Hz，振幅选用1-15mm，优选6-8mm；CMT在振幅顶点位置停留时间为0.1—0.5s，优选0.2—0.3s；CMT在运行轨迹和增材制造中央线的交点位置停留时间为0.1—0.5s，优选0.2—0.3s。
本发明中首先采用CMT工艺制备镁合金熔敷层，通过摆焊方法获取润湿好、表面较为平整的熔敷层，再对其进行搅拌摩擦处理。加工时搅拌头后倾，手动调控搅拌头轴肩下压量，处理后的熔敷层质量良好且表面无凹槽、裂纹等缺陷。搅拌头的高速转动可以使搅拌区组织在大的应变和一定温度下发生动态再结晶，晶粒进一步细化，第二相也发生剧烈的破碎和溶解，组织的均匀化程度和表面硬度大幅提高。
附图说明
图1为本发明中镁合金CMT摆焊增材制造实物照片。
图2为本发明中搅拌摩擦处理所用搅拌头的实物照片。
图3为本发明中搅拌摩擦处理后镁合金CMT增材制造零件的实物照片。
图4为镁合金CMT增材制造试件和搅拌摩擦处理后的镁合金CMT增材制造试件的XRD物相分析。
图5为镁合金CMT增材制造试件和搅拌摩擦处理后的镁合金CMT增材制造试件微观组织照片。
图6为镁合金CMT增材制造试件和搅拌摩擦处理后的镁合金CMT增材制造试件的维氏硬度分布曲线图。
图7是本发明中镁合金CMT增材制造的工艺示意图(1)。
图8是本发明中镁合金CMT增材制造的工艺示意图(2)。
图9是本发明中对镁合金CMT增材制造后熔覆层进行搅拌摩擦的工艺示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明涉及的实验母材为AZ91镁合金，试件规格为300×150×6mm，焊丝选用直径为1.2mm的AZ91焊丝。采用镁合金程序，冷金属过渡技术进行镁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 Advanced 4000型焊机。搅拌摩擦处理设备是由苏州航天工程装备有限公司制造的HT-JM16×15/2型龙门式二维搅拌摩擦焊设备。
其主要实现步骤如下：
1.试验前，用钢丝刷将镁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的油污和脏物清洗干净并吹干，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。
2.设定焊接参数，采用摆焊方式进行镁合金增材制造，需要说明的是本申请是本课题组在采用外摆CMT实现镁合金的增材制造后进行后续处理的研究，故在本申请中首先予以说明外摆CMT实现镁合金增材制造的技术方案。
如附图7所示，在工作台上使用夹具进行基板的固定，以垂直基板方向为增材制造的沉积方向，以CMT自左向右进行第一层的增材制造，到达右侧截止处后，再由右向左进行下一层的增材制造，到达左侧截止处后，再由左向右进行下一层增材制造，以实现整个增材制造(即沉积过程)。在本实施例中仅仅进行单层多道的增材制造，形成一层镁合金即可。
如附图8所示，CMT焊枪的三角形摆动的示意图，从图7所示的增材制造过程中，自CMT焊枪位置向下观察(即进行俯视观察)，即可得到图8所示的轨迹。具体来说，在图8中，三角图线为CMT焊枪在一层增材制造中的运动轨迹，水平方向为每一层增材制造的中央线，在每一层增材制造中，CMT焊枪自起始位置开始，以这一层增材制造的中央线为对称轴进行外摆，以偏离增材制造的中央线一定角度运行到振幅顶点，再运行到增材制造的中央线位置，以形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，再以相同角度向相反方向进行外摆，运行到振幅顶点后，再运行到增材制造的中央线位置，以再形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，如此反复，以到达这一层增材制造的终点位置，以完成本层的增材制造。在图8中，偏离角度为45度，摆焊频率为5HZ，摆焊幅度为8mm，左右中三点停留时间为0.2s，送丝速度为12m/min，焊枪总体行走速度为0.6m/min，保护气体流量为15L/min。图1为本发明中镁合金材料的CMT熔敷层成形(即镁合金CMT增材制造)照片。焊接时采用往返式焊接，焊枪在上一道边界的基础上偏移6mm。由图1可见，采用CMT摆焊工艺已经改善镁合金熔敷层的接触角和表面形貌。
3.使用搅拌摩擦焊设备对镁合金CMT熔敷层进行搅拌摩擦处理
如图2所示，搅拌头为锥形带螺纹搅拌针，长度为5mm，轴肩直径为15mm，搅拌针向后倾角为2.5°。如附图9所示，在镁合金CMT增材制造得到熔覆层后，将搅拌摩擦焊的搅拌针压入熔覆层中并使搅拌摩擦焊的轴肩与熔覆层保持压紧，对熔覆层进行搅拌摩擦焊处理，搅拌速度为500r/min，行走速度为60mm/min，采用s型行走轨迹。处理后的表面形貌如图3所示，无凹槽、裂纹等缺陷。
4.通过线切割将搅拌摩擦处理后的镁合金CMT增材制造试样与未经表面改性的CMT增材制造试样切下，进行比对，包括：(1)镁合金CMT增材制造试件和搅拌摩擦处理后的镁合金CMT增材制造试件的XRD物相分析，如图4所示，(a)镁合金CMT增材制造试件，(b)镁合金CMT+FSP增材制造试件，搅拌摩擦处理后的镁合金CMT试件其α-Mg衍射峰明显提高，说明了搅拌摩擦处理使Al元素大量固溶进入到α-Mg中，使得以网状存在于晶界间的第二相β-Mg17Al12数量减少，分布更加弥散；(2)镁合金CMT增材制造试件和搅拌摩擦处理后的镁合金CMT增材制造试件微观组织对比，如图5所示，(a)镁合金CMT增材制造试件，(b)镁合金CMT+FSP增材制造试件，由于搅拌摩擦处理作用，试件晶粒更加细小、均匀化。
5.维氏硬度试验
取宏观组织形貌观察的横截面进行维氏硬度测试，实验参数为：100gf载荷,加载时间为15s。根据所得到的数据做出硬度曲线，如图6所示。搅拌摩擦处理后试样的维氏硬度要高于CMT熔敷层试样。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现镁合金CMT增材制造熔敷层的改性，经测试表现出与本发明基本一致的性能。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 (7)

1.一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，对CMT外摆增材制造得到的熔敷层进行搅拌摩擦处理，将搅拌摩擦焊的搅拌针压入熔覆层中并使搅拌摩擦焊的轴肩与熔覆层保持压紧，对熔覆层进行搅拌摩擦焊处理，搅拌速度为300—800r/min，行走速度为30—80mm/min；在CMT外摆增材制造中，使用冷金属过渡焊焊枪为增材制造过程提供热源且焊枪与工件表面保持垂直，在每一层增材制造中，CMT焊枪自起始位置开始，以这一层增材制造的中央线为对称轴进行外摆，以偏离增材制造中央线的一定角度运行到振幅顶点，再运行到增材制造中央线的位置，以形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，再以相同角度向相反方向进行外摆，运行到振幅顶点后，再运行到增材制造的中央线位置，以再形成一个CMT运行轨迹的等腰三角形，如此反复，以到达这一层增材制造的终点位置，以完成该层增材制造。
2.根据权利要求1所述的一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，搅拌头为锥形带螺纹搅拌针，长度为3—5mm，轴肩直径为10—15mm，搅拌针向后倾角为2—5°。
3.根据权利要求1所述的一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，进行搅拌摩擦处理，搅拌速度为500—800r/min，行走速度为30—60mm/min。
4.根据权利要求1所述的一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，进行外摆时采用三角摆动，频率选用1-5Hz，振幅选用1-15mm，CMT在振幅顶点位置停留时间为0.1—0.5s，CMT在运行轨迹和增材制造中央线的交点位置停留时间为0.1—0.5s，偏离增材制造中央线的一定角度为30—60度。
5.根据权利要求1所述的一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，进行外摆时采用三角摆动，频率选用1-5Hz，振幅选用6-8mm；CMT在振幅顶点位置停留时间为0.2—0.3s；CMT在运行轨迹和增材制造中央线的交点位置停留时间为0.2—0.3s；偏离增材制造中央线的一定角度为45度。
6.根据权利要求1所述的一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，在CMT外摆增材制造中，焊枪干伸长为10-18mm，送丝速度为8-14m/min，焊枪行走速度为10-90cm/min，冷金属过渡焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用12-25L/min。
7.根据权利要求1所述的一种改善镁合金CMT增材制造熔敷层表面性能的方法，其特征在于，在CMT外摆增材制造中，焊枪干伸长为12—15mm，送丝速度为10-13m/min，焊枪行走速度为30-70cm/min，冷金属过渡焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用15-20L/min。
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