一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法

1.本发明涉及增材制造的技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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技术领域的研究热点，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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为了实现上述目的，本发明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：
6.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；
7.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；
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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
°
。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.作为优选方案，所述焊丝的直径为1－2mm。
18.本发明实施例与现有技术相比，其有益效果在于：
19.本发明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
20.图1是本发明实施例的整体结构示意图；
21.图2是本发明实施例获得的铝合金的金相组织图；
22.图3是常规cmt增材方法获得的铝合金样件中的孔洞图；
23.图4是本发明实施例获得的铝合金样件中的孔洞图；
24.图5是本发明实施例和常规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；
25.图6是本发明实施例和常规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。
26.图中：
27.1、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
28.下面结合附图和实施例，对本发明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发明，但不用来限制本发明的范围。
29.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“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发明和简化描述，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发明的限制。
30.本发明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：
31.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；
32.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；
33.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。
34.在本发明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2置于电弧热源1的后方，电弧热源1与搅拌头2之间的距离为5－20mm，对每层电弧增材成形的增材铝合金层4依次进行旋压，能更好地将气体挤出，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制造成形增材铝合金层4中的氢含量，进而在增材铝合金层4中形成气孔，因此，烘干可降低成形的增材铝合金层4中形成气孔的可能性。优选地，电弧热源1与搅拌头2之间的距离优选为8mm、10mm、15mm。其中，采用脉冲变极性冷金属过渡工艺(cmt)进行电弧增材制造。
35.具体的，将电弧增材制造和摩擦搅拌加工的装置集成，实现联动控制，电弧增材时，焊丝的送丝速度为5.5－9.8m/min，电流为110－160a，电压为15－22v，搅拌摩擦加工的转速为500－2000rpm，焊接速度为20－150mm/min，搅拌头2为钢质搅拌头。
36.预设路径是指建立cad模型并进行切片，对cad模型进行成形路径规划并获得路径程序文件，将路径程序文件导入集成系统的控制模块，再根据路径程序文件进行逐层电弧增材和层间摩擦搅拌加工。
37.此外，所得的增材制造铝合金可根据成分、状态选择合适的热处理工艺进行处理，如退火或时效处理，以进一步提高铝合金的性能。
38.进一步的，基板3为与增材铝合金层4成分相同的铝合金板材，且厚度为7－25mm。基板3的成分与焊丝的成分相近，防止基板3与增材铝合金层4发生反应。此外，在进行增材制造的过程中，选择厚度较大的基板3，电弧增材过程中基板3不易变形，成形的效果更好。优选地，基板3的厚度优选为10mm、13mm、16mm，且效果更佳。
39.进一步的，步骤s2中，层间搅拌摩擦加工的深度为0.5－1mm。对深度范围内的材料进行旋压改性，对更深的材料仅有压力的作用。仅加工一定深度的材料可减少成形试样飞
边等问题，且不会使每层厚度减少过多。通过层间搅拌摩擦加工对电弧增材成形的增材铝合金层4进行旋压，不仅有利于气体排出，降低成形铝合金中的气孔含量，且可改变增材铝合金层4的晶粒形貌，使晶粒细化，避免出现粗大柱状晶等的问题，显著提高增材铝合金层4的力学性能。优选地，加工深度优选为0.6mm、0.7mm、0.8mm。
40.进一步的，步骤s2中，层间搅拌摩擦加工时的搅拌头2轴肩直径与增材铝合金层4的宽度相等，可保证层间改性处理时增材铝合金层4的表面均被加工，对搅拌头2设置0－2.5
°
的倾角可使被加工材料的流动性更好，有助于对组织进行改性。优选地，搅拌头2的倾角优选为1
°
、1.5
°
、2
°
。
41.进一步的，步骤s2中，对层间搅拌摩擦加工过的每层增材铝合金层4通过液氮冷却，液氮冷却的液氮喷头5设置在搅拌摩擦加工的搅拌头2的后方，且液氮喷头5与搅拌头2的距离为5－10mm，相邻的两层增材铝合金层4中，在完成一层增材铝合金层4的电弧增材及层间搅拌摩擦加工后，采用液氮冷却，使增材铝合金层4的温度下降至50℃时，再进行下一层增材铝合金层4的电弧增材。通过设置液氮喷头5在搅拌头2的后方，可对已经搅拌摩擦加工过的增材铝合金层4进行同步冷却，使增材铝合金层4的改性效果更好，其中，液氮的流量应根据铝合金的大小进行调整，使液氮作用在增材铝合金层4并汽化后所吸收的热量能满足冷却要求；在完成一层增材铝合金层4的加工并待温度降到50℃后才进行下一层增材铝合金层4电弧增材，这有利于已完成的增材铝合金层4成形和性能提升，制造完成的铝合金形状更接近cad模型。优选地，液氮喷头5与搅拌头2的距离优选为6mm、7mm、8mm。
42.进一步的，步骤s2中，层间搅拌摩擦加工的搅拌头2的搅拌针外周壁开设有螺纹，搅拌针的长度为0.2－1mm。搅拌针外周壁的螺纹有助于提高搅拌摩擦加工的旋压过程中被加工位置材料的流动性，搅拌针只对每一层一定厚度范围内的组织进行改性，并在加工过程中对已完成的下方增材铝合金层组织具有挤压作用。优选地，搅拌针的长度优选为0.4mm、0.6mm、0.8mm，且效果更佳。
43.进一步的，步骤s2中，电弧增材过程中采用惰性气体对增材铝合金层4的表面进行保护，保护气体的气流量为12－18l/min。具体的，保护气体为氮气，纯度为99.99％，通过保护气体隔绝空气，可降低成形铝合金在增材制造的过程中被氧化的程度。优选地，气流量优选为13l/min、15l/min、17l/min。
44.进一步的，焊丝的直径为1－2mm。焊丝的直径与增材制造中的送丝机有关。
45.以制备al－mg合金为例，采用本发明实施例的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，具体步骤如下：
46.焊丝选择直径为1.2mm的5356铝合金焊丝，基板3的材料为5083铝合金，基板3的尺寸为200mm
×
250mm
×
16mm，在进行增材制造之前，焊丝放入烘箱烘干，将基板3表面的氧化皮打磨，用丙酮清洗干净并烘干；
47.搅拌头2设置在电弧热源1后方的10mm处，液氮喷头5设置在搅拌头2后方的8mm处；
48.建立cad模型并进行切片，对cad模型进行成形路径规划并获得路径程序文件，将路径程序文件导入集成系统的控制模块；
49.增材制造的电流为135a，电压为19.4v，送丝速度为7.8m/min，增材制造中的送丝机焊枪设置在距离基板15mm的位置，使成形的试样更加接近cad模型；
50.层间搅拌摩擦加工中的搅拌头2轴肩直径为22mm，搅拌针长度为0.8mm，搅拌摩擦
加工的转速为500rpm，焊接速度为60mm/min；
51.液氮流量为1000mm3/s；
52.根据路径程序文件逐层依次进行增材制造、层间摩擦搅拌加工及液氮冷却；
53.得到200mm
×
70mm
×
22mm的电弧增材成形al－mg合金，
54.其中，层间搅拌摩擦加工的深度为0.6mm。
55.得到的al－mg合金的金相组织以及采用本方法和常规cmt方法获得al－mg合金的孔洞对比图和拉伸性能曲线对比图如图2至6所示，从图2所示，本方法获得的al－mg合金晶粒为细小的等轴晶组织。如图3和图4所示，本方法得到的al－mg合金气孔尺寸明显小于常规cmt方法得到的合金，合金中基本无大尺寸的气孔出现，al－mg合金具有很高的致密性。如图5和图6所示，本方法得到的al－mg合金气的屈服强度和抗拉强度分别达到132mpa和275mpa，同时延伸率高达22％，力学性能明显优于常规cmt方法得到的al－mg合金。
56.综上，本发明实施例提供一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，可有效减少增材制造铝合金中的气孔缺陷，并对增材铝合金层的晶粒形貌进行改性，在表层产生细小的晶粒，显著提高上层堆积时晶粒的形核率，细化晶粒，避免粗大枝晶或柱状晶形成，进而对增材制造铝合金达到控形控性的目的，而且采用层间搅拌摩擦加工处理可实现多方向、多自由度的改性处理，也可以边增材边处理，方法柔性好，便于自动化。
57.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
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
°
。6.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，对所述层间搅拌摩擦加工过的每层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。7.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的搅拌针外周壁开设有螺纹，所述搅拌针的长度为0.2－1mm。8.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，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。9.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，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。10.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：所述焊丝的直径为1－2mm。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：刘莉 林志成 赵运强 刘喆 苗澍 董春林
受保护的技术使用者：广东省科学院中乌焊接研究所
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/3/8