一种钛合金形件双电弧复合热源增材制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于快速成型制造技术领域，具体涉及一种钛合金形件双电弧复合热源增材制造方法。
【背景技术】
[0002]钛合金以其独特的综合性能，被广泛应用于航空航天领域。而增材制造技术目前也成为钛合金快速成型的重要手段。对于钛合金制品，目前主要采用激光粉末增材制造技术进行快速成型，而送丝方式增材制造技术金属沉积效率大、材料利用高、无烟尘污染，受到人们的越来越多的关注。为了避免顶丝、粘丝等问题，目前主要采用单TIG电弧作为热源，对钛合金丝材进行熔化，如名称为《一种钛合金结构件电弧增材制造方法》，公开号为102962547A的发明专利，由于TIG电弧热流密度小，移动速度慢，生产效率的提高受到限制；而采用MIG焊热源，金属丝材作为熔化极进行自熔，金属熔敷速率高，但同时钛合金形件受MIG焊电弧热影响较大；当热源移动及焊丝熔化较快时，为了保证焊缝成形，需要较大电流，易导致制品的组织及力学性能的急剧恶化。
[0003]为了增大金属熔敷率，提高焊速，同时又避免工件过热，损害焊件组织，有研究者提出了MIG+TIG双电极复合焊接工艺，如名称为《双电源双电极的高速焊接装置及其焊接方法》，公开号为102581446A的发明专利。该专利通过TIG焊旁路对MIG焊丝与焊件的电流分配进行调节，实现了工件低热输入、大熔敷率、高速焊接过程，从而为钛合金送丝方式的高效增材制造提供了保证。而文献《Study for TIG-MIG hybrid welding process》和《高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理》中MIG+TIG复合电弧焊接工艺机理与该发明专利所述不同，其主要是利用两者电弧的热作用改善焊缝成形，装置中并无分流作用。此外，相对于连接不同金属构件的焊接工艺，金属增材制造技术用于快速制备整个或部分构件，其对熔池形态、熔融金属凝固的成形、组织、性能要求更为严格。目前MIG+TIG双电极复合焊接工艺主要用于钢板、铝/镁合金等材料的焊接方面，尚未开展对钛合金形件MIG+TIG复合热源送丝增材制造方面的研究与应用。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是针对现有技术存在的问题和不足，提供一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，旨在不增加形件热输入条件下，增大金属熔敷率和焊接速度，提高钛合金送丝增材制造效率，解决传统TIG电弧送丝增材制造效率较低问题。
[0005]本发明是通过将MIG焊与TIG焊有机组合，以MIG电源、焊丝、基板(形件)组成主回路，而TIG焊电源、焊丝、TIG焊枪钨极组成旁路，焊丝由MIG焊枪送出。利用TIG焊回路对通过MIG焊丝与焊件的电流进行分化调节，以保证通过MIG焊丝较大电流时，减小作用于钛合金形件的热输入。因此，该工艺可通过增大电流，提高钛合金丝材焊丝的熔敷率及焊接速度，同时又避免了钛合金形件材料的过热，从而克服TIG电弧送丝增材制造时焊枪移动速度较低的问题，提高了生产效率。
[0006]技术方案:为达到上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
[0007]一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，包括如下步骤:
[0008]1、将MIG焊与TIG焊有效耦合，MIG焊电源正极与TIG焊电源正极相连，两者连接点与MIG焊枪相连，MIG焊电源负极与基板相连，TIG焊电源负极与TIG焊枪相连，形成MIG+TIG复合热源焊，即复合焊枪，焊丝由MIG焊枪送出，其中，MIG焊电源、焊丝、基板组成主回路，而TIG焊电源、焊丝、TIG焊枪组成旁路，用于对通过焊丝的电流进行分化；
[0009]2、将保护气体拖罩置于基板焊缝上方，并在沿焊接方向的一端向前依次安置TIG焊枪和MIG焊枪，其中TIG焊枪枪杆向后倾斜，与基板平面形成一 β角，并与保护气体拖罩相固定，MIG焊枪枪杆向前倾斜，与基板平面形成一 α角;TIG焊枪钨极端部到MIG焊枪焊丝的垂直距离为d;
[0010]3、在基板选取起弧点，先预通保护气体4_6s，然后打开焊接电源，依据焊道布局进行第一层堆焊焊接，每道堆焊层高为l_4mm，层宽为2-8mm;若焊层由多道焊缝组成，完成前一道焊缝后，依据设定布局，将复合焊枪侧移l_4mm后进行下一道堆焊，两道焊缝搭接宽度为
[0011]4、完成第一层形件后，关闭焊接电源进行收弧，并继续通保护气体3-6S;将复合焊枪提高1 -3mm，将其移至预定位置，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程；
[0012]5、重复步骤3和步骤4，直至完成钛合金形件的增材制造过程；
[0013]6、依据尺寸及精度要求，对钛合金形件进行热处理及机械加工。
[0014]上述步骤1中，所述的α角为60-80°，所述的β角为40_60°，所述的钨极端部到焊丝垂直距离d为5_10mm。
[0015]上述步骤3中，所述的焊接步骤是先启动MIG焊，再启动TIG焊，待l-2s，TIG焊钨极与焊丝间电弧稳定后，再按设定的焊接速度移动。
[0016]上述步骤3-5，焊接工艺参数为:MIG焊接电流为100-250A，TIG焊接电流为100-250A，即通过焊丝的总电流为200-500A，焊接速度为l-2m/min，送丝速度为6-10m/min。
[0017]上述步骤3中，所述的保护气体为99.999%的高纯度纯氩气、氦气或两者混合气体，MIG焊保护气体流量为15-30L/min，TIG焊保护气体流量为12-25L/min，保护气体拖罩气体流量为20_40L/min。
[0018]上述步骤1中，所述的焊丝的材质为工业纯钛、TA7、TC1、TC4中的任一种，焊丝直径为1.0-1.6mm。
[0019]如上所述步骤3中，所述的基板的材质为碳钢或钛合金。
[0020]技术效果:本发明与现有技术相比，具有的主要优点和有益效果在于:
[0021](1)充分利用MIG焊可采用大电流、金属熔敷率高、热源运行速度快等特点，提高了钛合金增材制造生产效率。与TIG电弧送丝相比，本发明热源运行速度可提高80 %-350 %，从而有效解决了钛合金普通单TIG电弧送丝增材制造运行速度慢的问题。
[0022](2)以丝材金属作为熔化极，较TIG电弧送丝可以更好地避免高行进速度下粘丝、顶丝等问题的出现，进一步提高了加工过程的稳定性。
[0023](3)TIG焊旁路的分流作用则避免了钛合金形件的过热，与单MIG焊相比，热量减少40%-60%;与TIG电弧送丝相比，热量也可减少20-40%，进一步提升了形件的组织及力学性能。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法的示意图，
[0025]图中，1为MIG焊枪，2为焊丝，3为TIG焊枪，4为保护气体拖罩进气口，5为MIG焊电源，6为TIG焊电源，7为保护气体拖罩，8为基板，ItigSTIG焊焊接电流，Imig为MIG焊接电流，Itcltal为通过焊丝的总电流，α为MIG焊枪与基板平面之间的角度，β为TIG焊枪与基板平面之间的角度，d为钨极端部到焊丝的垂直距离。
[0026]图2，(a)为实施例1和实施例2钛合金形件示意图，(b)为焊枪扫描路径示意图，
[0027]图中:8为基板，9为钛合金形件，Η为钛合金形件高度，W为钛合金形件宽度。
[0028]图3，(a)为实施例3钛合金形件示意图，(b)为焊枪扫描路径示意图，
[0029]图中:8为基板，9为钛合金形件。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]如图1所示，为本发明的一种钛合金形件双电弧复合热源送丝增材制造方法，包括如下步骤:
[0032](1)将MIG焊电源5正极与TIG焊电源6正极相连，再与MIG焊枪1相连;MIG焊电源5负极与基板8相连，而TIG焊电源6负极与TIG焊枪3相连，形成MIG+TIG复合热源焊，即复合焊枪，而焊丝2由MIG焊枪1送出。由MIG焊电源5、焊丝2与基板(形件)8组成主回路，而TIG焊电源6、TIG焊枪3及焊丝2组成分流回路。
[0033](2)将保护气体拖罩7置于基板8焊缝上方，并在沿焊接方向的一端向前依次安置TIG焊枪3和MIG焊枪1，其中TIG焊枪3的枪杆向后倾斜，与基板8的平面形成一β角，并与保护气体拖罩7相固定，MIG焊枪1的枪杆向前倾斜，与基板8的平面形成一α角;TIG焊枪3的钨极端部到MIG焊枪1的焊丝的垂直距离为d;
[0034](3)在基板8选取起弧点，预通气4-6s，先启动MIG焊，再启动TIG焊，待l-2s复合电弧稳定后，依据焊道布局进行第一层堆焊焊接。若焊层由多道焊缝组成，完成前一道焊缝后，依据设定布局，将复合焊枪侧移l_4mm后进行下一道堆焊，两道焊缝搭接宽度为l-4mm。
[0035](4)完成第一层形件后，关闭焊接电源进行收弧，并继续通气3-6s;将复合焊焊枪提高1 -3mm，将其移至预定位置，再在第一焊层上进行第二层堆焊过程。
[0036](5)重复步骤(3)和(4)，直至完成钛合金制品或部件增材制造过程。
[0037](6)依据尺寸及精度要求，对制品/部件进行适当后续热处理及机械加工。
[0038]上述步骤(1)中，MIG焊枪1与TIG焊枪3在同一平面内，MIG焊枪1在前，TIG焊枪3在后，钨极端部到焊丝垂直距离d为5-10mm，MIG焊枪1与基板8平面角度α为60-80°，TIG焊枪3与基板8平面角度β为40-60°。
[0039]上述步骤(3)-(5)中，MIG焊接电流 Imig 为 100-250A，TIG 焊接电流 Itig 为 100-250Α，即通过焊丝的总电流Itotai为200-500A，焊接速度为l_2m/min，送丝速度为6-10m/min。
[0040]上述步骤(3)保护气体为99.999%高纯度氩气、氦气或两者混合气体，MIG焊保护气体流量为15-30L/min，TIG焊保护气体流量为12-25L/min，保护气体拖罩7气体流量为20-40L/mino
[0041 ] 上述步骤(3)中，焊接时，先启动MIG焊，再启动TIG焊，待l_2s，TIG焊钨极与焊丝2间电弧稳定后，进行高速堆焊焊接，每道堆焊层高为l_4mm，层宽为2-8mm。
[0042]如上所述步骤(1)中，焊丝2可为工业纯钛、TA7、TC1、TC4等钛合金焊丝以及其它可制作焊丝的钛及钛合金材料，焊丝2直径为1.0-1.6mm