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

技术领域

本发明涉及先进金属材料增材制造技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

针对CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度低的问题，本发明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；该发明具有：增材钛合金构件表面精度高、增材效率高、成本低的优点。

本发明通过以下技术方案实现的：

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，包括下列步骤：

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，保证电弧层与激光层结合良好；

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。

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。

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。

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。

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。

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2.8-3.2mm，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。

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，需要控制激光焊缝熔深1-1.5mm。

优选的，第三步中，激光送粉立体成型使用激光送粉头焦点与电弧焊枪起弧点位于同一平面。

优选的，第三步中，充氩气环境氧含量低于50ppm,水含量低于50ppm。

优选的，第三步中，层间温度为100℃，层间等待时间30-60s。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：本发明技术将CMT电弧增材表面成型精度提高了三至四倍，解决了CMT电弧增材成型精度低，加工余量大的问题，同时有效提高了生产效率，降低了生产成本。

附图说明

图1(a)为激光立体成型技术改善CMT电弧增材钛合金构件示意图。

图中：1为真空充氩舱室，2为六轴机器人，3为CMT焊枪，4为激光熔覆头，5为激光电弧混合增材钛合金构件，6为增材用钛合金(TC4)基板，7为激光立体成型增材的钛合金内外壁，8为激光层与电弧层熔合界面，9为钛合金构件内部填充CMT电弧层。

图1(b)为单层CMT电弧焊缝与多层多道激光焊道搭接示意图。

图2(a)为本发明实例中三维扫描仪器扫描激光立体成型TC4钛合金构件表面成型精度云图。

图2(b)为本发明实例中三维扫描仪器扫描CMT电弧增材TC4钛合金构件表面成型精度云图。

图2(c)为本发明实例中激光层与电弧搭接宽度为1.5mm的三维扫描仪器扫描激光立体成型改善CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度云图。

图2(d)为本发明实例中激光层与电弧搭接宽度为0.9mm的三维扫描仪器扫描激光立体成型改善CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度云图。

图2(e)为本发明实例中激光层与电弧搭接宽度为1.9mm的三维扫描仪器扫描激光立体成型改善CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度云图。

具体实施方式

下面具体实施例对本发明进一步说明，所述为本发明的解释而不是限定。

本发明是通过使用激光立体成型技术提高CMT电弧增材钛合金构件表面成型精度。

本发明中TC4钛合金构件是这样实现的：

需要一个长度1000mm、宽度750mm、高度500mm，厚度为12mm的TC4钛合金框体构件，根据该钛合金构件模型尺寸，将模型优化成CMT电弧-激光立体成型复合增材模型，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，激光增材区域与CMT电弧增材区域设置搭接区形成激光-电弧熔合界面层，增材模型尺寸；长度1001mm，宽度751mm，高度504mm，厚度为13mm，增材模型内外壁加工余量0.5m，上下面加工余量为2mm，其中内部填充的电弧层厚度为10mm，内外壁激光层厚度为1.5mm，激光电弧熔合层厚度为1.5mm，电弧层使用直径1.2mm的TC4焊丝，激光层使用粒径为100μm的球形粉末；

前期研究表明，由于钛合金的表面张力大，润湿性差，CMT电弧增材钛合金焊道润湿角度θ在60°到150°之间，焊缝高度大于3mm，当润湿角度θ大于70°，激光焊道与电弧焊道无法搭接，故控制CMT电弧增材TC4焊道的润湿角度θ在60°-70°之间，焊缝高度h1在3-3.6m之间，因此本实施例钛合金构件模型内部使用直径1.2mm的钛合金丝，采用CMT电弧增材工艺材进行填充，单道焊缝宽度D1为10mm，焊缝高度h1为3.6mm，润湿角θ为60°；

经过实验验证当激光层与电弧层之间的搭接量Δd小于1mm时，激光层与电弧层之间无法搭接形成界面层，激光层无法沉积，当搭接量Δd大于1.8mm时，激光层与电弧层之间搭接过多，激光层与电弧层界面处高度增加，在下一层电弧增材时造成电弧不稳定，构件表面成型精度降低，图2(d)为激光层与电弧搭接宽度为0.9mm的三维扫描仪器扫描的钛合金构件表面成型精度云图，由图可以看出激光层几乎与电弧层几乎无结合，试样表面凹凸不平，成型精度极差,图2(e)为激光层与电弧搭接宽度为1.9mm的三维扫描仪器扫描钛合金构件表面成型精度云图，由图可以看出成型精度最低点与最高点相差1mm；

根据增材模型中内外壁激光层厚度为1.5mm，其优化后的激光层与电弧层结构如图1(b)所示，其中设置激光层与电弧层搭接宽度Δd为1.5mm，激光焊道高度h2为0.9mm，因此需要增材4层激光可以增材到单道电弧层相同高度。由于CMT电弧增材TC4焊道为弧形，不仅要保证每层激光层与电弧层搭接宽度Δd为1.5mm，还要保证每层激光层外壁对齐沿着竖直方向增材，因此需要计算每层激光层最外侧到电弧层边缘的距离Ln，Ln根据结构图带入下列公式(1)进行计算，计算处Ln后，再根据相应工艺参数对应的焊道宽度计算每层激光层焊缝宽度和数量:

Ln＝dn+D1/2-√2(h1-(n-1)h

本实施例中，Δd为1.5mm，h1为3.6mm，h2为0.9mm，D1为10mm，带入公式(1)计算L1为1.5mm，L2为1.9mm，L3为2.25mm，L4为3.55mm，因此设置第一层增材1道激光焊道，第二层增材2道激光焊道，第三层增材2道激光焊道，第三层增材4道激光焊道，其中每层激光区域与电弧层根部搭接区的宽度均为1.5mm，激光层高度0.9mm，因此计算出第一层单道焊缝宽度3mm，第二层焊缝宽度2.2mm，激光层搭接宽度为1.1mm；第三层焊缝宽度2.6mm，激光层搭接宽度为1.3mm；第四层焊缝宽度2.39mm，激光焊道搭接宽度为1.195mm；

激光层焊缝宽度以及焊道数量确定完毕后，在激光工艺数据库中调取相应焊缝宽度的工艺参数；

然后设计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所用的机器人、CMT焊机、激光器及激光送粉器的运行程序。

程序步骤如下，电弧层增材完后，使用激光重熔电弧层内外3mm边缘，单道激光重熔宽度为3mm，重熔后使用激光立体成型工艺熔化粒径为100μm球形TC4钛合金粉末，激光送粉沿着电弧层内壁外壁激光增材，每增材一层电弧层需要增材8道4层激光层，第一层增材1道激光焊道，第二层增材2道激光焊道，第三层增材2道激光焊道，第三层增材3道激光焊道，第四层增材3道激光焊道，四层激光层增材完毕后，增材第二层电弧层及相邻的激光层。

程序和工艺设计完毕，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，真空充氩环境氧含量维持在20-50ppm,水含量50ppm，然后启动编制好的CMT电弧和激光送粉立体成型增材程序和增材工艺进行自动增材，设置层间温度为100℃、层间等待时间为50s，直至完成整个构件增材；

CMT电弧增材使用的工艺：焊接电流为160A，送丝速度6m/min,焊接速度0.55m/min，摆动宽度8mm；

激光重熔工艺为：激光功率为1KW，重熔速度0.8m/min；

此计算的第一层单道焊缝宽度3mm，第二层焊缝宽度2.2mm，激光层搭接宽度为1.1mm；第三层焊缝宽度2.6mm，激光层搭接宽度为1.3mm；第四层焊缝宽度2.39mm，激光焊道搭接宽度为1.195mm；

激光送粉立体成型增材工艺为：第一层激光功率1.8KW,焊接速度0.6m/min,送粉气体流量7L/min，送粉器转盘速度1r/min；第二层激光功率1.5KW,焊接速度0.6m/min,送粉气体流量7L/min，送粉器转盘速度1r/min；第三层激光功率1.7KW,焊接速度0.65m/min,送粉气体流量7L/min，送粉器转盘速度1r/min；第四层激光焊道激光功率为1.6KW,焊接速度0.68m/min,送粉气体流量7L/min，送粉器转盘速度1.1r/min。

TC4钛合金构件增材完成后，使用激光三维扫描仪对构件表面进行扫描，并与激光立体增材TC4钛合金构件和CMT电弧增材TC4钛合金构件表面成型精度进行对比，其表面成型精度云图如2(a)、2(b)、2(c)所示，具体数值如表1所示，激光立体成型增材TC4钛合金构件表面成型精度最低点与最高点差值为0.3931mm；CMT电弧增材TC4钛合金构件表面成型精度最低点与最高点差值为1.5438mm；激光立体成型技术改善CMT电弧增材TC4钛合金构件表面成型精度最低点与最高点差值为0.4083mm,激光立体成型技术改善CMT电弧增材TC4钛合金构件表面成型精度与CMT电弧增材TC4钛合金构件相比，成型精度显著提高，提高了3.7倍，大大减少了增材构件的加工量，降低了生产成本。

表1不同增材方式及不同激光与电弧层搭接量条件下的TC4增材构件表面精度

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