双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法

摘要

双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法，所述的双丝为药芯焊丝和金属焊丝。堆焊时：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构调整金属焊丝和药芯焊丝的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构从焊枪前方将金属焊丝送至等离子弧的弧柱区域，金属焊丝融化形成熔池，药芯焊丝加热送丝机构将药芯焊丝加热至180℃～220℃后开始送丝，药芯焊丝的送丝时间延迟1～2秒，在金属焊丝形成熔池后，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入熔池中，插入深度为2～3mm，在控制代码的控制下，机器人驱动焊枪按照既定轨迹进行逐层堆积，轨迹运行完成后，堆积获得颗粒增强的金属基复合材料零件。

权利要求

1.双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征是：采用双丝分层堆积来制造颗粒增强金属基复合材料零件，所述的双丝为药芯焊丝和金属焊丝，其具体步骤为：A、制备药芯焊丝：采用轧拔法制备药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和外壳，药芯为陶瓷粉末和金属粉末的混合物，外壳为金属基体；

制备药芯焊丝前，采用球磨法将陶瓷粉末和金属粉末充分混合，陶瓷粉末和金属粉末的体积比根据零件颗粒增强相的目标体积含量决定，为保证陶瓷粉末被金属粉末包围，金属粉末与陶瓷粉末的体积比大于2；

B、程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立零件的三维模型，该模型不仅包含零件的几何信息，还包括陶瓷颗粒密度在空间上的变化；随后，利用切片软件依据零件的CAD模型进行分层切片处理，规划并获得零件的堆积路径，生成机器人运动和送丝速度的控制代码；

C、堆焊前材料预处理：堆焊前对金属基板进行表面打磨并清除氧化皮和油污，并根据目标复合材料的不同，选择与目标复合材料相配的药芯焊丝和金属焊丝，然后对药芯焊丝和金属焊丝进行烘干处理，冷却至室温待用；

D、堆焊前等离子焊枪和热丝装置的准备：在焊机上设置适合金属焊丝的焊接参数，将金属基板固定在工作台上，将等离子焊枪、金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构分别安装在机器人手臂上，焊机的正极与金属基板连接，负极与等离子焊枪的电极连接，药芯焊丝加热电源的正极与金属基板连接，负极与药芯焊丝加热送丝机构连接；

E、开始堆焊：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构来调整金属焊丝和药芯焊丝的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构从等离子焊枪前方将金属焊丝送至等离子弧的弧柱区域，置于等离子弧正下方，吸收等离子弧主要热量，金属焊丝融化形成熔池，药芯焊丝加热送丝机构将药芯焊丝加热至180℃～220℃后开始送丝，药芯焊丝的送丝时间要延迟1～2秒，在金属焊丝形成熔池后，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入熔池中，吸收等离子弧次要热量，插入深度为2～

3mm，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入，一方面避开等离子弧的弧柱高温中心，避免药芯焊丝中的药芯被过早熔化，另一方面将药芯焊丝送至熔池内部，便于药芯焊丝外壳熔化后药芯在金属流体动力作用下向整个熔池扩散；

F、逐层堆积成形：在控制代码的控制下，机器人驱动等离子焊枪按照既定轨迹进行逐层堆积，轨迹运行完成后，堆积获得颗粒增强的金属基复合材料零件；

堆积过程中亦能够通过改变药芯焊丝的送丝速度获得陶瓷颗粒浓度在空间位置上的变化；

G、零件后处理：根据金属基复合材料零件的冶金特性，选择合适的热处理方法，提高零件的整体力学性能，然后对零件表面精度要求高的区域进行切削加工，达到表面粗糙度的要求。

2.如权利要求1所述的双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征是：所述的金属粉末和陶瓷粉末的粉末粒径为5～150μm；

所述的药芯焊丝的直径为1.2～2.4mm，外壳的厚度为0.3～0.8mm；

所述的陶瓷粉末为氧化铝或者是碳化硅或者是碳化钛或者是二硼化钛；

所述的金属粉末为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料；

所述的外壳金属基体为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料；

所述的金属焊丝直径为1.2～2.4mm，材质为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

3.如权利要求1或2所述的双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征是：堆焊过程中，不同金属焊丝适用不同的焊接参数，同时，为了便于药芯焊丝插入熔池，堆焊过程采用有利于形成较大体积熔池的焊接参数；

所述的焊接参数包括：焊接电流为120～250A，焊接速度为50～120mm/min，金属焊丝的送丝速度为1.6～3.6m/min，药芯焊丝的送丝速度为金属焊丝送丝速度的10%～60%，等离子弧气体流量0.5～1.5L/min，氩气保护气体流量10～20L/min。

说明书

双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及颗粒增强金属基复合材料和增材制造技术领域，特别是一种采用双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着增材制造技术的蓬勃发展，利用增材技术制造颗粒增强金属基复合材料零件的技术和应用研究持续增加。增材制造技术将颗粒增强金属基复合材料制备和形状制造融为一体，具有短流程、高效率和低成本等制造优势。

[0003] 颗粒增强金属基复合材料兼具金属的塑性、韧性和陶瓷的高强度、高刚度，从而显示出不同于基体合金的物理和机械性能，如较高的比强度、比刚度及更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等。颗粒增强金属基复合材料的传统制备方法有粉末冶金法、搅拌铸造法、真空压力浸渍法和共喷射沉积法。其中，粉末冶金法中的激光粉末烧结法和等离子弧熔积法都是具有增材技术属性的方法，均拥有良好的应用前景。

[0004] 激光粉末烧结法是一种典型的增材技术制备方法，所制零件性能优越，增强体分布均匀，但是制造成本比较高，不太适合中大型零件的制造。等离子弧熔积法制备颗粒增强金属基复合材料，则是利用等离子弧熔化原材料并分层堆积制造零件。相较而言，等离子弧熔积法是一种生产效率更高的增材方法，更适合中大型零件的制造。现有等离子弧熔积法的制造过程是：在基体金属的等离子弧焊过程中，向金属熔池喷射陶瓷粉末，逐层堆积形成零件。该制造过程存在如下问题：（1）现有的等离子弧熔积法一般采用保护气体送粉的方法将粉末送至熔池区域，陶瓷粉末利用率低；（2）由于熔池的表面反弹以及表面张力作用，陶瓷粉末难进入熔池内部，只有部分粉末覆着于熔池表面，难以与金属基体形成深层的混合。

发明内容

[0005] 本发明的目的是克服现有等离子弧熔积法存在的问题，提供一种采用双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法。

[0006] 本发明的技术方案是：双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，采用双丝分层堆积来制造颗粒增强金属基复合材料零件，所述的双丝为药芯焊丝和金属焊丝。其具体步骤为：

[0007] A、制备药芯焊丝：采用轧拔法制备药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和外壳，药芯为陶瓷粉末和金属粉末的混合物，外壳为金属基体。

[0008] 制备药芯焊丝前，采用球磨法将陶瓷粉末和金属粉末充分混合，陶瓷粉末和金属粉末的体积比根据零件颗粒增强相的目标体积含量决定，为保证陶瓷粉末被金属粉末包围，金属粉末与陶瓷粉末的体积比大于2。

[0009] 所述的金属粉末和陶瓷粉末的粉末粒径为5～150μm。

[0010] 所述的药芯焊丝的直径为1.2～2.4mm，外壳的厚度为0.3～0.8mm。

[0011] 所述的陶瓷粉末为氧化铝或者是碳化硅或者是碳化钛或者是二硼化钛。

[0012] 所述的金属粉末为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

[0013] 所述的外壳金属基体为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

[0014] B、程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立零件的三维模型，该模型不仅包含零件的几何信息，还包括陶瓷颗粒密度在空间上的变化；随后，利用切片软件依据零件的CAD模型进行分层切片处理，规划并获得零件的堆积路径，生成机器人运动和送丝速度的控制代码。

[0015] C、堆焊前材料预处理：堆焊前对金属基板进行表面打磨并清除氧化皮和油污，并根据目标复合材料的不同，选择与目标复合材料相配的药芯焊丝和金属焊丝，然后对药芯焊丝和金属焊丝进行烘干处理，冷却至室温待用。

[0016] 所述的金属焊丝的直径为1.2～2.4mm，材质为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

[0017] D、堆焊前等离子焊枪和热丝装置的准备：在焊机上设置适合金属焊丝的焊接参数，将金属基板固定在工作台上，将等离子焊枪、金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构分别安装在机器人手臂上，焊机的正极与金属基板连接，负极与等离子焊枪的电极连接，药芯焊丝加热电源的正极与金属基板连接，负极与药芯焊丝加热送丝机构连接。

[0018] E、开始堆焊：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构来调整金属焊丝和药芯焊丝的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构从等离子焊枪前方将金属焊丝送至等离子弧的弧柱区域，置于等离子弧正下方，吸收等离子弧主要热量，金属焊丝融化形成熔池。

[0019] 药芯焊丝加热送丝机构将药芯焊丝加热至180℃～220℃后开始送丝，药芯焊丝的送丝时间要延迟1～2秒，在金属焊丝形成熔池后，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入熔池中，吸收等离子弧次要热量，插入深度为2～3mm，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入，一方面避开等离子弧的弧柱高温中心，避免药芯焊丝中的药芯被过早熔化，另一方面将药芯焊丝送至熔池内部，便于药芯焊丝外壳熔化后药芯在金属流体动力作用下向整个熔池扩散。

[0020] 堆焊过程中，不同金属焊丝适用不同的焊接参数。同时，为了便于药芯焊丝插入熔池，堆焊过程采用有利于形成较大体积熔池的焊接参数。

[0021] 所述的焊接参数包括：焊接电流为120～250A，焊接速度为50～120mm/min，金属焊丝的送丝速度为1.6～3.6m/min，药芯焊丝的送丝速度为金属焊丝送丝速度的10%～60%，等离子弧气体流量0.5～1.5L/min，氩气保护气体流量10～20L/min。

[0022] F、逐层堆积成形：在控制代码的控制下，机器人驱动等离子焊枪按照既定轨迹进行逐层堆积，轨迹运行完成后，堆积获得颗粒增强的金属基复合材料零件。

[0023] 堆积过程中亦能够通过改变药芯焊丝的送丝速度获得陶瓷颗粒浓度在空间位置上的变化。

[0024] G、零件后处理：根据金属基复合材料零件的冶金特性，选择合适的热处理方法，提高零件的整体力学性能，然后对零件表面精度要求高的区域进行切削加工，达到表面粗糙度的要求。

[0025] 本发明与现有技术相比具有如下特点：

[0026] 1、本发明采用双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件，堆焊过程中，将药芯焊丝直接插入熔池，运用机械作用将含陶瓷粉末的药芯输送到熔池内部，创造性地解决了陶瓷粉末由于熔池表面张力的阻碍难以进入熔池内部的难题。

[0027] 2、本发明采用的药芯焊丝的药芯为陶瓷粉末和金属粉末的混合物，制备药芯焊丝前将两种粉末充分混合，能够有效避免陶瓷粉末随丝进入熔池后集聚成块，有利于陶瓷颗粒相在零件中的均匀分布。

[0028] 3、本发明采用的药芯焊丝的药芯作用并非传统的脱氧、安定电弧、调节合金成分或制造保护焊渣，而是向熔池输送陶瓷增强颗粒。

[0029] 4、本发明同时融合增材制造技术，将颗粒增强材料的制备和零件形状的制造集成一体，极大地提高了生产效率，具有良好的应用前景。

[0030] 以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

[0031] 附图1为采用双丝等离子堆焊增材制造碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件的示意图；

[0032] 附图2为采用双丝等离子堆焊增材制造碳化钛颗粒增强Inconel625合金基体复合材料零件的示意图；

[0033] 附图3为药芯焊丝的截面示意图；

[0034] 附图4为碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件剖面的增强相分布图。

具体实施方式

[0035] 实施例一：本实施例采用双丝等离子堆焊增材制造碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件，其具体步骤为：

[0036] A、制备药芯焊丝：运用轧拔法制备药芯焊丝7，药芯焊丝7包括药芯药芯7-1和外壳7-2。根据目标复合材料的组分选择药芯7-1的材质和外壳7-2金属基体的材质，本实施例目标复合材料的组分为碳化硅颗粒增强铝基复合材料，药芯7-1为碳化硅陶瓷粉末和铝粉末的混合物，采用球磨法将碳化硅陶瓷粉末和铝粉末充分混合，碳化硅陶瓷粉末和铝粉末含量的比例为1:2，碳化硅陶瓷粉末和铝粉末的粉末粒径为50～70μm，外壳7-2的金属基体为铝，药芯焊丝7的直径为1.2mm，外壳7-2的厚度为0.3mm。

[0037] B、程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立零件的三维模型，该模型不仅包含零件的几何信息，还包括陶瓷颗粒密度在空间上的变化；随后，利用切片软件依据零件的CAD模型进行分层切片处理，规划并获得零件的堆积路径，生成机器人运动和送丝速度的控制代码。

[0038] C、堆焊前材料预处理：金属基板8采用厚度为15mm的铝合金基板，堆焊前对金属基板8进行表面打磨并清除氧化皮和油污，对金属焊丝3和药芯焊丝7进行烘干处理，然后冷却至室温待用。

[0039] 根据目标复合材料的组分选择金属焊丝3，本实施例目标复合材料的组分为碳化硅颗粒增强铝基复合材料，金属焊丝3为铝焊丝ER1100，直径为1.2mm。

[0040] D、堆焊前的准备工作：将金属基板8安装固定在工作台上，将等离子焊枪4、金属焊丝送丝机构2及药芯焊丝加热送丝机构5分别安装在机器人手臂上，焊机1的正极与与金属基板8连接，负极与等离子焊枪4的电极连接，药芯焊丝加热电源6的正极与与金属基板8连接，负极与药芯焊丝加热送丝机构5连接。

[0041] E、开始堆焊：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构2及药芯焊丝加热送丝机构5来调整金属焊丝3和药芯焊丝7的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构2从等离子焊枪4前方将金属焊丝3送至等离子弧10的弧柱区域，置于等离子弧10正下方，吸收等离子弧10主要热量，金属焊丝3融化形成熔池9，药芯焊丝加热送丝机构5将药芯焊丝7加热至200℃后开始送丝，药芯焊丝7的送丝时间要延迟1～2秒，在金属焊丝3形成熔池9后，药芯焊丝7从等离子弧10的弧柱外插入熔池9中，吸收等离子弧10次要热量，插入深度为2～3mm，药芯焊丝7从等离子弧10的弧柱外插入，一方面避开等离子弧10的弧柱高温中心，避免药芯焊丝7中的药芯7-1被过早熔化，另一方面将药芯焊丝7送至熔池9内部，便于药芯焊丝7外壳7-2熔化后药芯7-1在金属流体动力作用下向整个熔池9扩散。

[0042] 堆焊过程中，金属焊丝3和药芯焊丝7的送丝速度分别为1.8m/min和1.0m/min，焊接电流120A，焊接速度80mm/min，等离子弧10气体流量0.8L/min，保护气体氩气11流量15L/min。

[0043] F、逐层堆积成形：在控制代码的控制下，机器人驱动等离子焊枪4依照单道多层的堆积轨迹进行逐层堆积，轨迹运行完成后，获得成形碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件12。

[0044] 堆积过程中亦能够通过改变药芯焊丝7的送丝速度获得陶瓷颗粒浓度在空间位置上的变化。

[0045] G、零件后处理：根据金属基复合材料零件的冶金特性，选择合适的热处理方法，提高碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件12的整体力学性能，然后对碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件12表面精度要求高的区域进行切削加工，达到表面粗糙度的要求。

[0046] 对碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件12进行检测，利用电火花放电线切割获得碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件12的剖面，再用光学金相显微镜观察堆积层微观形貌，碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件12的增强相分布如附图4所示，从附图4中看出，陶瓷增强相与金属相的混合较为充分，未见陶瓷粉末团聚现象。

[0047] 实施例二：本实施例采用双丝等离子堆焊增材制造碳化钛颗粒增强Inconel 625合金基体复合材料零件，其具体步骤为：

[0048] A、制备药芯焊丝：运用轧拔法制备药芯焊丝7，药芯焊丝7包括药芯7-1和外壳7-2，根据目标复合材料的组分选择药芯7-1的材质和外壳7-2金属基体的材质，本实施例目标复合材料的组分为碳化钛颗粒增强Inconel 625合金基体复合材料，药芯7-1为碳化钛陶瓷粉末和Inconel 625合金粉末，采用球磨法将碳化钛陶瓷粉末和Inconel 625合金粉末充分混合，碳化钛陶瓷粉末和Inconel 625合金粉末含量的比例为1:3，碳化钛陶瓷粉末和Inconel 625合金粉末的粉末粒径为45～95μm，外壳7-2的金属基体为Inconel 625合金，药芯焊丝7的直径为1.2mm，外壳7-2的厚度为0.3mm。

[0049] B、程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立零件的三维模型，该模型不仅包含零件的几何信息，还包括陶瓷颗粒密度在空间上的变化；随后，利用切片软件依据零件的CAD模型进行分层切片处理，规划并获得零件的堆积路径，生成机器人运动和送丝速度的控制代码。

[0050] C、堆焊前材料预处理：金属基板8采用厚度为15mm的Q235钢基板，堆焊前对金属基板8进行表面打磨并清除氧化皮和油污，对金属焊丝3和药芯焊丝7进行烘干处理，然后冷却至室温待用。

[0051] 根据目标复合材料的组分选择药芯7-1的材质和外壳7-2金属基体的材质，本实施例目标复合材料的组分为碳化钛颗粒增强Inconel 625合金基体复合材料，金属焊丝3为Inconel 625合金焊丝，直径为1.2mm。

[0052] D、堆焊前的准备工作：将金属基板8安装固定在工作台上，将等离子焊枪4、金属焊丝送丝机构2及药芯焊丝加热送丝机构5分别安装在机器人手臂上，焊机1的正极与与金属基板8连接，负极与等离子焊枪4的电极连接，药芯焊丝加热电源6的正极与与金属基板8连接，负极与药芯焊丝加热送丝机构5连接。

[0053] E、开始堆焊：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构2及药芯焊丝加热送丝机构5来调整金属焊丝3和药芯焊丝7的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构2从等离子焊枪4前方将金属焊丝3送至等离子弧10的弧柱区域，置于等离子弧10正下方，吸收等离子弧10主要热量，金属焊丝3融化形成熔池9，药芯焊丝加热送丝机构5将药芯焊丝7加热至200℃后开始送丝，药芯焊丝7的送丝时间要延迟1～2秒，药芯焊丝7从等离子弧10的弧柱外插入熔池9中，吸收等离子弧10次要热量，插入深度为2～3mm，药芯焊丝7从等离子弧10的弧柱外插入，一方面避开等离子弧10的弧柱高温中心，避免药芯焊丝7中的药芯7-1被过早熔化，另一方面将药芯焊丝7送至熔池9内部，便于药芯焊丝7外壳7-2熔化后药芯7-1在金属流体动力作用下向整个熔池9扩散。

[0054] 堆焊过程中，金属焊丝3和药芯焊丝7的送丝速度分别为1.6m/min和0.8m/min，焊接电流240A，焊接速度100mm/min，等离子弧10气体流量1.0L/min，保护气体氩气11流量15L/min。

[0055] F、逐层堆积成形：在控制代码的控制下，机器人驱动等离子焊枪4依照单道多层的堆积轨迹进行逐层堆积，堆积成形300mm×300mm×40mm块状零件13，再利用火花放电线切割制成标准拉伸试样。

[0056] 堆积过程中亦能够通过改变药芯焊丝7的送丝速度获得陶瓷颗粒浓度在空间位置上的变化。