一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法技术

本发明专利技术提供了一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法。该方法包括以下步骤：根据所需的钛合金构件模型及尺寸，优化出CMT电弧

【技术实现步骤摘要】
一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法


[0001]本专利技术涉及先进金属材料增材制造
，具体为一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法。

技术介绍

[0002]钛及其合金由其高比强度、高比刚度、优异的生物相容性而广泛用于航空航天、压力容器、运动器材和生物医学等领域。钛合金的传统制造方法主要有机械加工、铸造和锻造，然而由于钛的氧化率高、弹性模量低、热导率低，难以热变形，在加工过程中，钛会与氧气发生反应，在表面形成一层硬化的氧化层，同时加工过程中产生的热量不会很快消散，导致大量热量积聚，这会加速刀具磨损。铸造可以借助模具直接形成大型部件，然而在高温下容易氧化，钛合金铸造需要专门的设备，根据不同形状的组件定制不同的的模具，这些额外的设备和程序将显着增加生产成本。此外，与其他金属相比，熔融钛合金具有较高的粘度，因此填充流动性较差，在凝固过程中容易出现气孔等缺陷。因此，铸造钛产品往往不能满足性能要求。类似于铸造工艺，锻造还需要昂贵的专用设备，另外具有复杂形状的大型部件也难以锻造。电弧增材设备设备成本低，加工程序简单，无需模具或专用设备，可直接生产近终形钛合金结构件。电弧增材制造技术根据热源的不同通常可分为3种类型:基于熔化极气体保护(GMAW)、基于钨极惰性气体保护(GTAW)和基于等离子弧焊(PAW)的电弧增材制造。以上传统的焊接电源热输入量大，电弧增材制造钛合金时易形成外延生长的β柱状晶粒。
[0003]冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)焊接电源具有热输入量低、熔滴过渡稳定等优势，将CMT焊接电源应用于增材制造技术，可实现大型钛合金增材结构件制备的低成本、高效率和高灵活性。虽然CMT增材具有高的增材效率，但是成形精度差、表面质量低，主要是因为在使用熔化极电弧增材钛合金时，钛氧化物的逸出功比钛金属低，表面氧化膜上容易形成阴极斑点并产生电弧，阴极斑点具有自动寻找金属氧化膜的特性，因此熔池充当阴极时，在熔池表面形成阴极斑点，在熔池表面氧化膜产生电弧，根据最小电压原理，电弧总是在最小的弧长处起弧，熔池表面氧化膜的不稳定会导致电弧漂移和两个极性的不稳定，这种不稳定性导致焊道的非线性和不规则沉积，使用CMT电弧增材钛合金时，称帝精度低，在增材时需要预留很大的加工余量才能获得所需的增材零件，因此在增材大型高精度钛合金结构件时受到限制。
[0004]激光立体增材技术可制造高表面质量、高致密度、高力学性能的复杂结构件，然而其低成形率的特点限制了该技术的应用。因此使用CMT电弧增材大尺寸高精度要求的钛合金构件时，急需要一种方法改善CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度。

技术实现思路

[0005]针对CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度低的问题，本专利技术的目的在于不降低电弧增材钛合金效率的前提下克服现有技术不足，将CMT电弧增材技术与激光立体增材技术两种技术进行复合，提出一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法，为
大型高精度钛合金构件的增材制造提供了新的思路；该专利技术具有：增材钛合金构件表面精度高、增材效率高、成本低的优点。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现的：
[0007]一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法，包括下列步骤：
[0008]第一步，根据增材钛合金构件模型尺寸，将模型优化成CMT电弧
‑
激光立体成型混合增材模型，即激光层
‑
激光/电弧界面层
‑
电弧层
‑
激光/电弧界面层
‑
激光层类“三明治”夹心结构模型，激光增材区域与CMT电弧增材区域设置搭接区形成激光
‑
电弧熔合界面结合层，保证电弧层与激光层结合良好；
[0009]第二步，设计CMT电弧和激光立体成型技术在模型中相对应的CMT电弧增材路径、激光重熔路径以及激光送粉立体增材路径和相应的增材设备运行程序，即钛合金构件模型内部使用CMT电弧增材工艺熔化钛合金丝材进行填充，电弧层边缘处使用激光进行重熔，重熔后沿着电弧层内壁外壁使用激光立体成型工艺熔化钛合金粉末进行搭接形成激光
‑
电弧熔合界面后继续在外壁区域进行填充；
[0010]第三步，将CMT电弧焊枪和激光送粉熔覆头复合在同一台机器人上，将增材装备、工作平台及钛合金增材基板至于真空充氩环境中，启动之前设定好的增材程序和增材工艺进行自动增材，设置层间温度和层间等待时间，直至完成整个构件增材。
[0011]优选的，第一步中，增材的激光层与CMT电弧增材层设置搭接区的宽度Δd在1.0
‑
1.8mm范围内。
[0012]优选的，第二步中，电弧层边缘处使用激光进行重熔，激光重熔电弧层宽度范围为a为1.5
‑
3mm，激光重熔功率为0.8
‑
1.2KW，重熔速度0.8
‑
0.85m/min。
[0013]优选的，第二步中，使用的钛合金丝材直径为1.2
‑
1.6m，控制单层电弧焊缝高度h1为3.2
‑
3.6mm，焊缝宽度D为6
‑
12mm，焊缝润湿角度θ为60
‑
70
°
，电弧增材工艺为：CMT焊接模式，焊接电流为160
‑
200A，送丝速度6
‑
8m/min，焊接速度0.48
‑
0.84m/min。
[0014]优选的，第二步中，CMT电弧焊缝为圆弧形焊道，呈不规则形状，为保证成型精度，需要控制每层激光层高度h2一致，需要增材n1(n＝h1/h2)层达到与电弧层相同高度，根每层激光焊道宽度为dn(d1，d2,
……
dn)、激光与电弧层的搭接宽度Δd、电弧焊道润湿角θ，通过公式计算每层激光焊道数量n2和焊道宽度dn，并在工艺数据库中调取激光立体成型工艺参数对调整以获取增材的从下到上的每层所需的激光焊缝宽度dn，相邻多道激光焊道间的搭接宽度为dn/2。
[0015]优选的，第二步中，激光送粉立体成型工艺使用的钛合金粉末粒径为80
‑
150μm范围球形粉末，根据电弧CMT单道焊缝尺寸控制激光单道焊缝高度h2为0.8
‑
1mm，宽度dn为2.8
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3.2mm，每层沉积时根据计算好的尺寸从工艺数据库中调取相应激光送粉立体成型增材工艺焊道的工艺参数以获得相应激光焊缝宽度，不同激光焊道宽度的工艺数据库中的工艺参数范围为：激光功率1.5
‑
2.2KW，焊接速度0.6
‑
0.72m/min,送粉气体流量7
‑
8.5L/min，送粉器转盘速度1
‑
2r/min。
[0016]优选的，第二步中，电弧层内壁外壁使用激光立体成型工艺熔化钛合金粉末进行搭接形成激光
‑
电弧熔合界面，需要控制激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法，其特征在于，包括以下步骤:第一步，根据增材钛合金构件模型尺寸，将模型优化成CMT电弧
‑
激光立体成型混合增材模型，即激光层
‑
激光/电弧界面层
‑
电弧层
‑
激光/电弧界面层
‑
激光层类“三明治”夹心结构模型，激光增材区域与CMT电弧增材区域设置搭接区形成激光
‑
电弧熔合界面结合层；第二步，设计CMT电弧和激光立体成型技术在模型中相对应的CMT电弧增材路径、激光重熔路径以及激光送粉立体增材路径和相应的增材设备运行程序，即钛合金构件模型内部使用CMT电弧增材工艺熔化钛合金丝材进行填充，电弧层边缘处使用激光进行重熔，重熔后沿着电弧层内壁外壁使用激光立体成型工艺熔化钛合金粉末进行搭接形成激光
‑
电弧熔合界面后继续在外壁区域进行填充；第三步，将CMT电弧焊枪和激光送粉熔覆头复合在同一台机器人上，将增材装备、工作平台及钛合金增材基板至于真空充氩环境中，启动之前设定好的增材程序和增材工艺进行自动增材，设置层间温度和层间等待时间，直至完成整个构件增材。2.根据权利要求1所述的一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法，其特征在于，第一步中，增材的激光层与CMT电弧增材层设置搭接区的宽度Δd在1.0
‑
1.8mm范围内。3.根据权利要求1所述的一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法，其特征在于，第二步中，电弧层边缘处使用激光进行重熔，激光重熔电弧层宽度范围为a为1.5
‑
3mm，激光重熔功率为0.8
‑
1.2KW，重熔速度0.8
‑
0.85m/min。4.根据权利要求1所述的一种提高CMT电弧增材制造钛合金构件表面成型精度的方法，其特征在于，第二步中，使用的钛合金丝材直径为1.2
‑
1.6m，控制单层电弧焊缝高度h1为3.2
‑
3.6mm，焊缝宽度D1为6
‑
12mm，焊缝润湿角度θ为60
‑
70
°
，电弧增材工艺为：CMT焊接模式，焊接电流为160
‑
200A，送丝速度6
‑
8m/min，焊接速度0....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈振文，王克鸿，彭勇，章晓勇，徐旋，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：