一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法技术

本发明专利技术涉及增材制造的技术领域，公开了一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，方法包括以下步骤：S1、选取基板和焊丝，其中，对焊丝进行烘干，对基板表面进行打磨后洗净烘干；S2、根据预设路径，以电弧为热源，在基板上通过输送焊丝逐层电弧增材、层间搅拌摩擦加工和冷却，获得由若干数量的增材铝合金层层叠形成的增材制造铝合金，其中，在步骤S2中，搅拌摩擦加工搅拌头置于电弧热源的后方。本发明专利技术的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，可同步进行电弧增材制造和层间搅拌摩擦加工，通过搅拌摩擦加工引入的塑性变形来改善电弧增材铝合金的微观组织和提高力学性能，解决电弧增材制造铝合金缺陷多、组织粗大、力学性能低等问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法


[0001]本专利技术涉及增材制造的
，特别是涉及一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法。

技术介绍

[0002]铝合金由于其强度高、密度低等优点广泛应用于我国航空航天及汽车领域的高端装备中。随着重点领域高端装备对高性能服役、多功能集成的需求日益迫切，相关构件向着高强度、轻量化、复杂化、性能/功能一体化方向发展。传统的熔铸技术制造大尺寸构件时，对模具要求较高，且成形的产品存在偏析、组织不均等问题，逐渐难以满足现代科学技术的发展对铝合金材料越来越高的要求。传统的减材制造方法加工时往往有90％的材料被去除，对铝合金材料和刀具材料造成极大的浪费，增材技术的发展为解决这一问题提供了新的思路。
[0003]电弧增材制造技术是由焊接电弧熔化金属丝材，移动系统(数控设备或机器人)带动焊枪及金属熔池沿程序预设的成形路径逐层堆积，最终堆积出3D实体零件。电弧增材制造技术由于具有可成形零件尺寸大、设备简单、制造成本低、材料利用率和沉积效率高等优势，已成为中低复杂性大型锻件的合适替代制造方式，被认为是现今增材制造
的研究热点，常用于铝合金零部件的增材制造。线材+电弧增材制造技术中的脉冲变极性冷金属过渡(CMT)工艺能大幅降低增材过程的热输入，特别适合对如铝合金等对电弧热源比较敏感的金属的增材制造研究，能够改善金属电弧增材过程中的过程稳定性、成形特征及构件内部质量。但铝合金材料由于其热导率高、易吸氢等材料特性，在电弧增材制造过程中极易出现气孔、裂纹和粗大柱状晶等问题，导致增材成形的铝合金力学性能低，严重制约了铝合金电弧增材制造技术的发展和应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是通过在铝合金电弧增材制造过程中引入搅拌摩擦加工，通过联动设置，对增材的铝合金进行逐层的同步改性处理，利用搅拌摩擦头的旋压作用，改善电弧增材制造铝合金的组织性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，所述方法包括以下步骤：
[0006]S1、选取基板和焊丝，其中，对所述焊丝进行烘干，对所述基板的承载表面进行打磨后洗净烘干；
[0007]S2、根据预设路径，在所述基板的承载表面，以电弧为热源，通过所述焊丝逐层电弧增材和层间搅拌摩擦加工，获得由若干数量的增材铝合金层层叠形成的增材制造铝合金；
[0008]其中，在步骤S2中，将电弧增材和摩擦搅拌加工的装置及系统集成，实现联动控制，所述层间搅拌摩擦加工的搅拌头置于所述电弧热源的后方，且所述电弧热源与所述搅
拌头之间的距离为5－20mm。
[0009]作为优选方案，所述基板为与所述增材铝合金层成分相同的铝合金板材，且厚度为7－25mm。
[0010]作为优选方案，步骤S2中，采用脉冲变极性冷金属过渡工艺进行电弧增材。
[0011]作为优选方案，步骤S2中，所述层间搅拌摩擦加工的深度为0.5－1mm。
[0012]作为优选方案，步骤S2中，所述层间搅拌摩擦加工的搅拌头轴肩直径与所述增材铝合金层的宽度相等，且所述搅拌头的倾角为0－2.5
°
。
[0013]作为优选方案，步骤S2中，对所述层间搅拌摩擦加工过的增材铝合金层通过液氮冷却，所述液氮冷却的液氮喷头设置在搅拌摩擦加工的搅拌头的后方，且所述液氮喷头与所述搅拌头的距离为5－10mm，相邻的两层所述增材铝合金层中，在完成一层所述增材铝合金层的电弧增材及层间搅拌摩擦加工后，采用液氮冷却，使所述增材铝合金层的温度下降至50℃时，再进行下一层所述增材铝合金层的电弧增材。
[0014]作为优选方案，步骤S2中，所述层间搅拌摩擦加工的搅拌头的搅拌针外周壁开设有螺纹，所述搅拌针的长度为0.2－1mm。
[0015]作为优选方案，步骤S2中，电弧增材过程中采用保护气体对所述增材铝合金层的表面进行保护，所述保护气体的气流量为12－18L/min。
[0016]作为优选方案，步骤S2中，电弧增材时，所述焊丝的送丝速度为5.5－9.8m/min，电流为110－160A，电压为15－22V。
[0017]作为优选方案，所述焊丝的直径为1－2mm。
[0018]本专利技术实施例与现有技术相比，其有益效果在于：
[0019]本专利技术实施例的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法中，电弧增材和搅拌摩擦加工的装置及系统联动控制，可同步进行层间搅拌摩擦加工，且层间搅拌摩擦加工的搅拌头置于电弧热源的后方，电弧热源与搅拌头之间的距离为5－20mm，对每层电弧增材成形的增材铝合金层依次进行旋压，能更好地将气体排出，并细化晶粒，改善制造过程中产生的气孔和出现粗大柱状晶等问题，提高增材制造铝合金的力学性能。此外，将焊丝与基板烘干，可避免焊丝和基板上有水汽，水汽存在会增加增材铝合金层中的氢含量，进而在增材铝合金层中形成气孔，因此，烘干可降低增材铝合金层中形成气孔的可能性。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例的整体结构示意图；
[0021]图2是本专利技术实施例获得的铝合金的金相组织图；
[0022]图3是常规CMT增材方法获得的铝合金样件中的孔洞图；
[0023]图4是本专利技术实施例获得的铝合金样件中的孔洞图；
[0024]图5是本专利技术实施例和常规CMT增材方法获得的铝合金平行于增材方向即水平方向拉伸性能曲线对比图；
[0025]图6是本专利技术实施例和常规CMT增材方法获得的铝合金垂直于增材方向即竖直方向拉伸性能曲线对比图。
[0026]图中：
[0027]1、电弧热源；2、搅拌头；3、基板；4、增材铝合金层；5、液氮喷头。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0029]在本专利技术的描述中，应当理解的是，本专利技术中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。
[0030]本专利技术实施例优选实施例的一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，方法包括以下步骤：
[0031]S1、选取基板3和焊丝，其中，对焊丝进行烘干，对基板3的承载表面进行打磨后洗净烘干；
[0032]S2、根据预设路径，在基板3的承载表面，以电弧为热源，通过焊丝逐层电弧增材和层间搅拌摩擦加工，获得由若干数量的增材铝合金层4层叠形成的增材制造的铝合金；
[0033]其中，在步骤S2中，将电弧增材和摩擦搅拌加工的装置及系统集成，实现联动控制，层间搅拌摩擦加工的搅拌头2置于电弧热源1的后方，且电弧热源1与搅拌头2之间的距离为5－20mm。
[0034]在本专利技术的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法中，电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：S1、选取基板和焊丝，其中，对所述焊丝进行烘干，对所述基板的承载表面进行打磨后洗净烘干；S2、根据预设路径，在所述基板的承载表面，以电弧为热源，通过所述焊丝逐层电弧增材和层间搅拌摩擦加工，获得由若干数量的增材铝合金层层叠形成的增材制造铝合金；其中，在步骤S2中，将电弧增材和摩擦搅拌加工的装置及系统集成，实现联动控制，所述层间搅拌摩擦加工的搅拌头置于电弧热源的后方，且所述电弧热源与所述搅拌头之间的距离为5－20mm。2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，其特征在于：所述基板为与所述增材铝合金层成分相同的铝合金板材，且厚度为7－25mm。3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，其特征在于：步骤S2中，采用脉冲变极性冷金属过渡工艺进行电弧增材。4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，其特征在于：步骤S2中，所述层间搅拌摩擦加工的深度为0.5－1mm。5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，其特征在于：步骤S2中，所述层间搅拌摩擦加工的搅拌头轴肩直径与所述增材铝合金层的宽度相等，且所述搅拌头的倾角为0－2.5
°

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，林志成，赵运强，刘喆，苗澍，董春林，
申请(专利权)人：广东省科学院中乌焊接研究所，
类型：发明
国别省市：