CN113732442B - 一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法 - Google Patents

一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法，本发明以电弧作为热源，在镁合金基体上形成高温液态熔池，镁合金丝材采用前送丝方式进入熔池，依靠电弧和熔池联合加热熔化，当热源移动后凝固形成固态金属，沿预定轨迹逐步累加增材成形目标零件。本发明在大气环境下可正常使用，理论上可实现任意形状和尺寸的结构件，通过工艺控制可保证构件内部为均匀的细小等轴晶。相比铸造和压力加工镁合金构件，本发明具有绿色环保、成品率高、流程简单、加工周期短的优点。

Description

一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法
技术领域
本发明属于镁合金构件成型领域，具体涉及一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法。
背景技术
镁及其合金具有密度小、比强度高、抗屏蔽效果好等诸多优点，在航空、航天、汽车、电子等领域均有广泛得应用，符合当下轻量化浪潮对材料的要求。按成形工艺特点，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大差异。铸造镁合金主要用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等；变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。Mg-AI-Zn(AZ)系镁合金属于中等强度高塑性镁合金，是目前牌号最多、应用最广的镁合金系，据统计在欧洲有85％以上的Mg-Al-Zn系镁合金产品为铸件。镁合金铸件可实现复杂形状结构，但由于镁合金化学性质活泼且热膨胀系数高，在生产中会出现变形、缩孔、裂纹等较难消除的铸造缺陷，造成良品率低、生产成本高，且强度低，一般不能用于承力结构。由于镁密排六方的晶体结构，镁合金本征韧性差，压力加工难度大，难以实现复杂结构的良好成形，且一般存在力学性能各向异性。此外，铸造或压力加工需配合热处理工艺以实现内部组织性能的均匀性，造成了工艺流程的延长和复杂形。
综合而言，现有成形方法难以高效率、低成本地实现具有复杂结构且性能要求高的镁合金构件，为实现结构轻量化目标，需要提出一种更为有效、成本低、质量高的成形方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法，能够在大气环境下直接应用，不需要热处理，力学性能即可高于同成分铸件、接近同成分锻件。理论上能够实现任意形状和尺寸的镁合金构件成形，且内部为全等轴晶，显著降低力学性能各向异性，适于高质量复杂结构成形需求，是对现有镁合金构件加工方法的重要补充。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
S1，将焊枪由执行机构移动至镁合金基板上某一位置作为起点；
S2，开启焊枪，起弧后得到高温电弧，基板局部在电弧热作用下形成高温液态熔池，同时将镁合金丝材通过送丝机构送入熔池，并依靠电弧和熔池联合加热熔化成液态；
S3，焊枪内部通有高纯氩气，在熔池上方形成局部保护气氛，防止氧化，焊枪随执行结构按照预设轨迹逐步移动，高温熔池随即开始冷却凝固形成固态金属；
S4，逐步累加堆叠成形，完成目标零件的近净增材成形。
S2中，送丝机构采用前送丝方式。
焊枪的热源类型为交流钨极氩弧焊。
焊枪的交流频率≥60Hz。
焊枪的平均电流60～120A。
焊枪的平均电压13～15V。
送丝机构中镁合金丝材直径0.8～1.6mm。
送丝机构放入送丝速度为1.5～3.5m/min。
焊枪的热源移动速度0.15～0.35m/min。
堆叠的层厚≤1.2mm。
与现有技术相比，本发明以电弧作为热源，在镁合金基体上形成高温液态熔池，镁合金丝材采用前送丝方式进入熔池，依靠电弧和熔池联合加热熔化，当热源移动后凝固形成固态金属，沿预定轨迹逐步累加增材成形目标零件。本发明在大气环境下可正常使用，理论上可实现任意形状和尺寸的结构件，通过工艺控制可保证构件内部为均匀的细小等轴晶。相比铸造和压力加工镁合金构件，本发明具有绿色环保、成品率高、流程简单、加工周期短的优点。
附图说明
图1为实施例的取样位置示意图；
图2为实施例中电弧熔丝增材成形AZ31镁合金墙体组织分布图；其中，(a)为上部，(b)为中部，(c)为下部；
图3为实施例中晶粒直径EBSD统计测量结果；其中，(a)为EBSD晶粒形貌图；(b)为晶粒直径统计结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明包括以下步骤：
S1，将焊枪由执行机构移动至镁合金基板上某一位置作为起点；
S2，开启焊枪，起弧后得到高温电弧，基板局部在电弧热作用下形成高温液态熔池，同时将镁合金丝材通过送丝机构采用前送丝的方式送入熔池，并依靠电弧和熔池联合加热熔化成液态；
S3，焊枪内部通有高纯氩气，在熔池上方形成局部保护气氛，防止氧化，焊枪随执行结构按照预设轨迹逐步移动，高温熔池随即开始冷却凝固形成固态金属；
S4，逐步累加堆叠成形，完成目标零件的近净增材成形。
焊枪的热源类型为交流钨极氩弧焊。焊枪的交流频率≥60Hz。焊枪的平均电流60～120A。焊枪的平均电压13～15V。送丝机构中镁合金丝材直径0.8～1.6mm。送丝机构放入送丝速度为1.5～3.5m/min。焊枪的热源移动速度0.15～0.35m/min。堆叠的层厚≤1.2mm。
实施例：
基于交流钨极氩弧焊电源，交流频率200Hz，平均电流75Hz，电压13～15V，AZ31镁合金丝材直径1.2mm，送丝速度2.5m/min，移动速度0.25m/min，控制层厚0.6～0.7mm，在同成分AZ31镁合金基板上多层单道累加成形65mm高直臂墙，从墙体上、中、下三个位置切取样品观察其金相组织，如图1和图2所示，横截面和中心纵截面均显示为等轴晶，经电子背散射衍射EBSD统计平均晶粒尺寸为24.7μm。依据GB T 228.1-2010测试样品力学性能，结果如表1和图3所示。经分析，打印态AZ31镁合金存在一定量的气孔，气孔的存在相应减小了有效承载面积，导致强度相比同成分锻件(GB/T 26637-2011和ASTM B91-17标准)略低，但仍表现出良好的强韧性能，表明了本发明技术的有效性。通过严格控制工艺可以显著减少气孔数量和尺寸，性能还将进一步提升。
表1电弧增材与ASTM标准锻态AZ31镁合金力学性能对比
Figure BDA0003262487490000041

Claims (3)

1.一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将焊枪由执行机构移动至镁合金基板上某一位置作为起点；
S2，开启焊枪，起弧后得到高温电弧，基板局部在电弧热作用下形成高温液态熔池，同时将镁合金丝材通过送丝机构送入熔池，并依靠电弧和熔池联合加热熔化成液态；焊枪的交流频率≥60Hz，焊枪的平均电流60～120A，焊枪的平均电压13～15V，焊枪的热源移动速度0.15～0.35m/min；送丝机构中镁合金丝材直径0.8～1.6mm，送丝机构放入送丝速度为1.5～3.5m/min；
S3，焊枪内部通有高纯氩气，在熔池上方形成局部保护气氛，防止氧化，焊枪随执行结构按照预设轨迹逐步移动，高温熔池随即开始冷却凝固形成固态金属；
S4，逐步累加堆叠成形，堆叠的层厚≤1.2mm，完成目标零件的近净增材成形。
2.根据权利要求1所述的一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法，其特征在于，S2中，送丝机构采用前送丝方式。
3.根据权利要求1所述的一种电弧熔丝增材成形全等轴细晶镁合金构件的方法，其特征在于，焊枪的热源类型为交流钨极氩弧焊。
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