一种铸造铝合金结构件成型方法与流程

本发明涉及一种成型方法，具体涉及一种铸造铝合金结构件成型方法，属于铸造铝合金成型领域技术领域。

背景技术：

据统计，全世界每年各类铝材的消耗量约为4000万吨，约15%~25%用于铸造铝合金，由于铸造铝合金具有良好的铸造性能，在生产过程中，不需要强大的加工设备、节约金属、降低成本、减少工时。因此，被广泛应用在交通运输、压力容器、航空航天、军工及日常生活中。目前，铸造铝合金普遍采用压力铸造、低压铸造、砂型铸造及其他铸造方法生产成结构件，后经机械加工、表面处理或经清洗后装机使用。铸造铝合金铸件由于其加工方法的限制，很容易产生缩孔、疏松、裂纹、夹杂、针孔、气孔、偏析、组织不均匀、晶粒粗大等缺陷，且随机性很大(具体表现各方向力学性能不均)，不易被检测到，导致铸造铝合金构件存在不安定性，虽可以进行熔焊修补，但是易造成局部应力集中、未焊透、分层过烧等缺陷。

传统铸造工艺导致原材料利用率不足50%，结构复杂质量要求严格的结构件成品率低于30%，后续加工、热处理、调质处理周期长，成本高等问题，严重影响铸造铝合金结构件的使用寿命及使用领域。因此，有必要提出一种新的铸造铝合金成型方法扩大铸造铝合金的应用领域。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种铸造铝合金结构件成型方法，该技术方案克服现有铸造铝合金成型技术存在的缺陷，提高铸造铝合金结构件的力学性能，使结构件内部组织均匀，晶粒细小，无缺陷，并提高原材料利用率和成品率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种铸造铝合金结构件成型方法，其特征在于，所述成型方法包括以下步骤：1）铸造铝合金丝材制备；2）结构件分层；3）结构件成型。通过本方法制造的结构件，具有原材料利用率高、成品率高、加工余量小、组织均匀、晶粒细小、力学性能优异且各向均匀、无气孔及夹杂缺陷等优点，该发明可以满足“三航”、军工及高端铝制品领域对铸造铝合金结构件的要求，缩短了加工周期，降低了生产成本，提高了铸造铝合金结构件的安定性。

作为本发明的一种改进，所述步骤1）中铸造铝合金丝材制备具体如下：11）锻造，将直径为Φ8~12mm的铸造铝合金盘条进行3道快速锻造，各道次的线径为Φ6.0~8.0mm、、Φ4.8~6.0mm及Φ2.0~2.4mm，各道次的减径率为40~75%；

12）退火，在以上锻造道次间及锻造结束要分别进行退火处理，以释放加工应力，退火温度以能够使铝合金盘条充分软化，又不发生再结晶晶粒长大为宜；其中退火的温度为350℃—400℃，退火时间为1.5—2.5小时；

13）连拉，将锻造成型的直径为φ2.4mm~2.0mm的铸造铝合金丝材用拉丝机进行连拉，各拉丝模具间的变形量一致，最后将丝材穿过1个高聚晶定径模进行定径处理，得到直径为φ1.26-1.30mm的铝合金丝材，有选为φ1.27mm；

14）刮削，将定径后的铸造铝合金丝材依次穿过一个定位模、两个刮削模具、一个压光模具，进行表面处理，得到直径为φ1.18mm的铸造铝合金丝材；

15）超声波清洗，将表面处理后的铸造铝合金丝材进行单丝超声波清洗；超声波清洗的温度为40-90℃，时间为5-20秒；

16）表面光亮化钝化，将清洗后的铸造铝合金丝材依次通过光亮化溶液和钝化溶液，进行表面光亮化、钝化处理，并通过烘干处理，在丝材表现形成一层均匀的致密氧化层，防止不均匀氧化，以提高铸造铝合金丝材表面的光洁度，确保使用时送丝稳定；其中钝化后的温度为40-60℃，时间为10-20秒；烘干温度为80-100℃，时间为2-3秒；

17）分盘和包装，将经过光亮化和钝化后的铸造铝合金丝材按照6~7kg/盘进行分盘，并进行真空包装，备用。

作为本发明的一种改进，所述步骤2）中结构件分层具体如下：

21）利用计算机软件（Solidworks、Pro-E、CAD、UG等）将三维数模分解到点、线、面；

22）根据分解后的数模及结构件型式，进行温度场和应力场模拟，平行度小于等于5mm以内的变形来确定成型路径及优化成型工艺参数；

23）将成型路径及优化的工艺参数转化成机器语言，并传输至机器人及焊接电源。

作为本发明的一种改进，所述步骤3）结构件成型具体如下，体积分数，在纯氩气（99.9999%）或者氩气（70~90%）-氦气（30~10%）混合气或氩气-氢气（0.1~0.3%）混合气等气氛的保护下，焊接电源采用优化的工艺参数将步骤1）制得的铸造铝合金丝材连续熔化，机器人按步骤2）确定的成型路径带动焊枪，配合连续送丝装置，逐层堆积形成铸造铝合金构件。

作为本发明的一种改进，所述步骤3）中，在每堆积一层或多层时，在堆积的上表面及两侧面进行切削、纳米化及抛光等处理；该技术方案可以保证上述成型方法制备的结构件的表面质量及尺寸要求。

作为本发明的一种改进，所述步骤3）中，每堆积一层或多层时，在堆积的上表面及两侧面进行轧制及锻造等处理；该技术方案提高结构件的力学性能及消除内部微气孔等缺陷。

作为本发明的一种改进，所述步骤3）中，在每堆积一层或多层时，进行局部或整体加热及冷却处理。该技术方案可以防止制备的结构件内部晶粒长大及局部应力过大。

相对于现有技术，本发明的优点如下：1）本发明可使铸造铝合金的快速成型，并实现边成型边加工，成品结构件可以经过少量加工后或不经加工直接装机应用；2）电弧熔丝增材制造直接制成铸造铝合金结构件，成品率大于90%，加工余量小于0.08mm，原材料利用率达95%以上；3）铸造铝合金材料通过电弧熔丝增材制造直接制成结构件，合金强度提高了10%，屈强比提高了5~10%，延伸率提高了100%，为铝合金结构件减薄、减轻提供了可能；4）与传统铸造比，电弧熔丝增材制造制成的铸造铝合金结构件的内部组织均匀、无气孔、夹杂和疏松等铸造缺陷，极大提高了结构件的安全性。

附图说明

图1 ZL114A电弧熔丝增材制造结构件组织图；

图2 ZL205A电弧熔丝增材制造结构件组织图；

图3为环形结构行走路径确定示意图；

图4为墙型结构行走路径确定示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明和介绍。

实施例1：一种铸造铝合金结构件成型方法，所述成型方法包括以下步骤：1）铸造铝合金丝材制备；2）结构件分层；3）结构件成型，通过本方法制造的结构件，具有原材料利用率高、成品率高、加工余量小、组织均匀、晶粒细小、力学性能优异且各向均匀、无气孔及夹杂缺陷等优点，该发明可以满足“三航”、军工及高端铝制品领域对铸造铝合金结构件的要求，缩短了加工周期，降低了生产成本，提高了铸造铝合金结构件的安定性；

所述步骤1）中铸造铝合金丝材制备具体如下：11）锻造，将直径为Φ8~12mm的铸造铝合金盘条进行3道快速锻造，各道次的线径为Φ6.0~8.0mm、、Φ4.8~6.0mm及Φ2.0~2.4mm，各道次的减径率为40~75%；

12）退火，在以上锻造道次间及锻造结束要分别进行退火处理，以释放加工应力，退火温度以能够使铝合金盘条充分软化，又不发生再结晶晶粒长大为宜；其中退火的温度为350℃—400℃，退火时间为1.5—2.5小时；

13）连拉，将锻造成型的直径为φ2.4mm~2.0mm的铸造铝合金丝材用拉丝机进行连拉，各拉丝模具间的变形量一致，最后将丝材穿过1个高聚晶定径模进行定径处理，得到直径为φ1.27mm的铝合金丝材；

14）刮削，将定径后的铸造铝合金丝材依次穿过一个定位模、两个刮削模具、一个压光模具，进行表面处理，得到直径为φ1.18mm的铸造铝合金丝材；

15）超声波清洗，将表面处理后的铸造铝合金丝材进行单丝超声波清洗；超声波清洗的温度为40-90℃，时间为5-20秒；

16）表面光亮化钝化，将清洗后的铸造铝合金丝材依次通过光亮化溶液和钝化溶液，进行表面光亮化、钝化处理，并通过烘干处理，在丝材表现形成一层均匀的致密氧化层，防止不均匀氧化，以提高铸造铝合金丝材表面的光洁度，确保使用时送丝稳定；其中钝化后的温度为40-60℃，时间为10-20秒；烘干温度为80-100℃，时间为2-3秒；

17）分盘和包装，将经过光亮化和钝化后的铸造铝合金丝材按照6~7kg/盘进行分盘，并进行真空包装，备用。

所述步骤2）中结构件分层具体如下：

21）利用计算机软件（Solidworks、Pro-E、CAD、UG等）将三维数模分解到点、线、面；

22）根据分解后的数模及结构件型式，进行温度场和应力场模拟，平行度小于等于5mm以内的变形来确定成型路径及优化成型工艺参数；

23）将成型路径及优化的工艺参数转化成机器语言，并传输至机器人及焊接电源。

所述步骤3）结构件成型具体如下，体积分数，在纯氩气（99.9999%）或者氩气（70~90%）-氦气（30~10%）混合气或氩气-氢气（0.1~0.3%）混合气等气氛的保护下，焊接电源采用优化的工艺参数将步骤1）制得的铸造铝合金丝材连续熔化，机器人按步骤2）确定的成型路径带动焊枪，配合连续送丝装置，逐层堆积形成铸造铝合金构件。

所述步骤3）中，在每堆积一层或多层时，在堆积的上表面及两侧面进行切削、纳米化及抛光等处理；该技术方案可以保证上述成型方法制备的结构件的表面质量及尺寸要求。

所述步骤3）中，每堆积一层或多层时，在堆积的上表面及两侧面进行轧制及锻造等处理；该技术方案提高结构件的力学性能及消除内部微气孔等缺陷。

所述步骤3）中，在每堆积一层或多层时，进行局部或整体加热及冷却处理。该技术方案可以防止制备的结构件内部晶粒长大及局部应力过大。

该技术方案铸造铝合金材料通过电弧熔丝增材制造直接制成结构件，合金强度提高了10%，屈强比提高了5~10%，延伸率提高了100%，为铝合金结构件减薄、减轻提供了可能，电弧熔丝增材制造制成的铸造铝合金结构件的内部组织均匀、无气孔、夹杂和疏松等铸造缺陷，极大提高了结构件的安全性。

应用实施例1：

以ZL114A为例：

1）ZL114A丝材的制备：

11）．将直径为Φ11mm的ZL114A盘条锻造成直径为Φ6.0mm的丝材；

12）．对Φ6.0mm的ZL114A合金丝材进行去应力退火，退火制度为350℃保温1.5个小时，冷却方式为空冷；

将直径为Φ6.0 mm的ZL114A合金丝材进一步锻造成直径为Φ4.8mm的丝材；

对Φ4.8mm的ZL114A丝材进行去应力退火，退火制度为350℃保温1.5个小时，冷却方式为空冷；

将直径为Φ4.8 mm的ZL114A丝材进一步锻造成直径为Φ2.0 mm的丝材；

13）．使用拉丝机进行连拉，依次通过等变形量的拉丝模具5个，最后通过一个内径Φ1.27mm的高聚晶定径模具，制成Φ1.27mm的ZL114A 铝合金丝材；

14）．Φ1.27mm的ZL114A丝材依次通过定径模具Φ1.25mm-刮削模具Φ1.23mm-刮削模具Φ1.21mm-压光模具Φ1.18mm，制成Φ1.18mm的ZL114A丝材；

15）超声波清洗，将表面处理后的铸造铝合金丝材进行单丝超声波清洗；超声波清洗的温度为40-90℃，时间为5-20秒；

16）、17）．将上述Φ1.18mm的ZL114A丝材，依次通过清洗槽、光亮化溶液槽、钝化溶液槽及烘干筒，并分成7kg/盘，真空包装后备用；

2）将外圆φ500mm、内圆φ450mm，高度为500mm的圆环结构通过计算机进行分解，确定行走路径：参见图3，

依次进行如下操作：①-提高2.2mm-②-提高2.2mm -①-提高2.2mm -②-提高2.2mm ……；

工艺参数确定为：单层增长高度2.2mm、成型速度0.5~0.8m/min，送丝速度6~8m/s，电流85~120A；

3）在99.9999%氩气保护下，气体流量为20~25Nm³/h，机器人按照上述成型路径，焊接电源按照上述工艺参数，进行逐层堆积；

4）每当堆积15层（即约33mm）时，对内壁表面进行抛光、对外壁表面进行切削处理，使其厚度保证δ=25±0.2mm，最终制成外圆φ500mm±0.1、内圆φ450mm±0.1，高度为500mm±0.1mm的圆环结构的ZL114A堆积体；

5）对圆环体进行热处理，热处理制度参考ZL114A T6制度，将热处理后的圆环体与传统铸造合金切取试样（T6）性能比较如表1：

电弧熔丝增材制造制成结构件的金相组织如1示，可以看出组织均匀，晶粒细小，α-Al固溶体+β-Si共晶析出物均匀分布。

应用实施例2：

以ZL205A为例：

1）ZL205A丝材的制备：

11）．将直径为Φ12mm的ZL205A盘条锻造成直径为Φ6mm的丝材；

12）．对Φ6.0mm的ZL205A丝材进行去应力退火，退火制度为380℃保温2个小时，冷却方式为空冷；

将直径为Φ6.0mm的ZL205A丝材进一步锻造成直径为Φ2.4mm的丝材；

对Φ2.4mm的ZL205A丝材进行去应力退火，退火制度为380℃保温2个小时，冷却方式为空冷；

13）．使用拉丝机进行连拉，依次通过等变形量的拉丝模具6个，最后通过一个内径Φ1.27mm的高聚晶定径模具，制成Φ1.27mm的ZL205A铝合金丝材；

14）．Φ1.27mm的ZL205A丝材依次通过定径模具Φ1.25mm-刮削模具Φ1.23mm-刮削模具Φ1.21mm-压光模具Φ1.18mm，制成Φ1.18mm的ZL205A丝材；

15）超声波清洗，将表面处理后的铸造铝合金丝材进行单丝超声波清洗；超声波清洗的温度为40-90℃，时间为5-20秒；

16）、17）．将上述Φ1.18mm的ZL205A丝材，依次通过清洗槽、光亮化溶液槽、钝化溶液槽及烘干筒，并分成7kg/盘，真空包装后备用；

2）将长度L=500mm、高度H=500mm、厚度δ=25mm的墙型结构件通过计算机进行分解，确定如下行走路径：参见图4，

依次进行如下操作：①-②-③-提高2.3mm-④-⑤-⑥-提高2.3mm -①-②-③-提高2.3mm -④-⑤-⑥-提高2.3mm ……；

工艺参数确定为：单层增长高度2.3mm、成型速度0.6~0.8m/min，送丝速度7~10m/s，电流80~120A；

3）在99.9999%氩气保护下，气体流量为20~25Nm³/h，机器人按照上述成型路径，焊接电源按照上述工艺参数，进行逐层堆积；

4）每当堆积10层（即约23mm）时，对侧壁表面进行切削处理，使其厚度保证δ=25±0.1mm，最终制成长度L=500±0.5mm，高度H=500±0.5mm，厚度δ=25±0.1mm的ZL205A堆积墙体；

5）对墙体进行热处理，热处理制度参考ZL205A T6制度，将热处理后的墙体与传统铸造合金切取试样（T6）性能比较如表2：

电弧熔丝增材制造制成结构件的金相组织如图2示，可以看出组织均匀，晶粒细小，α-Al固溶体+θ-Al2Cu共晶析出物均匀分布。

需要说明的是上述实施例，仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述方法的基础上所作出的等同变换均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。