一种铝合金结构件电弧增材成型方法与流程

本发明涉及丝材电弧快速成形技术，具体地，涉及一种铝合金结构件电弧成型增材方法。

背景技术：

铝合金材料密度低，强度比接近或超过优质钢，且塑性好，在工业上得到广泛运用，尤其是2系高强度铝合金和5系防锈铝合金，因其优良特性在航空航天领域已经得到了大量应用。

电弧送丝增材制造技术是通过焊接原理，将熔化的焊丝堆积成三维结构形态的金属结构件的方法。相比于激光快速成型技术，电弧送丝增材制造技术具有成本低、成型效率高、成形组织致密等优点，特别适用于铝合金结构件的快速成形制造。

电弧增材成型方法影响结构件的几何形貌和成形过程中的稳定性，中国专利CN104005022 A公开了一种钛合金结构件电弧增材制造方法，其主要应用于环形截面钛合金结构件，主要特点是某一层相邻环形焊道采用相反的施焊方向，且起弧点旋转30～90°。此专利解决了环形截面钛合金结构件的制备。此专利的不足之处在于，对于铝合金结构件，随着成形过程热量累积，成形表面平整度不一，随着层数的增加，成形组织致密性和成形过程稳定性难以保障，此外，对于复杂截面结构件，此专利无法有效成型。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝合金结构件电弧增材成型方法，通过相邻层的反向成形方向、调整周向与径向搭接距离以及焊枪的特定角度旋转等方法，实现复杂截面铝合金结构件电弧增材过程的稳定和组织的致密性。

本发明提供以下技术方案：

一种铝合金结构件电弧增材成型方法，该方法通过在铝合金成型件上焊接若干层铝合金材料，包括以下步骤：(1)设定工作电流、送丝速度、焊缝宽度、焊丝直径的预定值；(2)在所述成型件执行第n+1层焊接，其中n+1层焊接包括r条焊道，其中相邻焊道的焊接路径方向相反；(3)完成第n+2层焊接，其中n+2层焊接包括r条焊道，第二层焊接的焊接路径与所述第一层焊接的焊接路径相反；(4)重复步骤2和步骤3，最终完成n+m层焊接，最终成型铝合金结构件，其中n＝1，2，3，···，；m＝4，5，6，···。

进一步地，在步骤2中，当n+1为奇数时，该层成型采用由内向外成型的方式，在所述成型件最内侧选取第一个起弧点，当焊接到距起弧点距离b时完成第一道焊接后，沿径向向外侧不熄弧焊接一定距离a并进行第二道焊接，重复焊接过程完成若干道焊道焊接，在完成该层焊接后沿垂直于该焊接平面的方向上移一定距离c。

进一步地，在步骤3中，当n+2为偶数时，该层成型采用有外向内的成型方式，在所述成型件最外侧选取第二个起弧点，第二个起弧点与第一个起弧点在角度上偏移θ角，在完成该层第一道的焊接后沿径向方向向内不熄弧焊接一定距离并进行第二道焊接，使得第一道焊接与第二道焊接的搭接距离为a，径向方向焊道搭接距离为b，重复焊接过程共完成r道焊接，并使焊枪再次旋转θ角。

进一步地，在步骤4中，重复步骤2和步骤3，最终完成56层焊接。

进一步地，a为3.6mm，b为2.8mm，c为1.8mm，r为7，θ为50°。

进一步地，在步骤3中，当n+2为偶数时，该层成型采用有外向内的成型方式，在所述成型件最外侧选取第二个起弧点，该起弧点沿偏移距离与总焊道长度的比例为k＝d/360，其中d*x≠360(x＝1,2,3,···)，在完成该层第一道焊接后，沿径向方向向内侧不熄弧焊接预定距离并进行第二道焊接，使得第一道与第二道焊道的搭接距离为a，径向方向焊道搭接距离为b，重复焊接过程共完成r道焊道，并使焊枪再次移动d/360总焊道长度。

进一步地，在步骤4中，重复步骤2和步骤3，最终完成66层焊接。

进一步地，a为4.9mm，b为3.8mm，c为2.3mm，r为7，d为50。

进一步地，电流为80-200A，送丝速度为4-10mm/s，焊接直径为0.8-2mm，焊缝宽度为3-10mm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明方法通过相邻层的反向成形方式，对不平整的表面起到了补偿作用，使得成形过程稳定，铝合金结构件成形组织致密，成分均匀，内部质量好；

(2)本发明方法无需添加表面检测环节，成形效率高，且材料去除率低，缩短制造周期并降低制造成本；

(3)本发明方法可形成复杂截面形状的铝合金结构件，提高了铝合金结构件几何形状成形能力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所述的实施例公开的一种铝合金典型结构件某截面扫描路径示意图；

图2为本发明所述的另一个实施例公开的一种铝合金复杂结构件某截面扫描路径示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种铝合金结构件电弧增材成型方法，该方法通过在铝合金成型件上焊接若干层铝合金材料，包括以下步骤：(一)设定工作电流、送丝速度、焊缝宽度、焊丝直径的预定值，其中，电流为80-200A，送丝速度为4-10mm/s，焊接直径为0.8-2mm，焊缝宽度为3-10mm；(二)焊枪在所述成型件执行第n+1层焊接，其中n+1层焊接包括r条焊道，其中相邻焊道的焊接路径方向相反；(三)完成第n+2层焊接，其中n+2层焊接包括r条焊道，第二层焊接的焊接路径与所述第一层焊接的焊接路径相反；(四)重复步骤2和步骤3，最终完成n+m层焊接，最终成型铝合金结构件，其中n＝1，2，3，···，；m＝3，4，5，···。

进一步地，在步骤二中，当n+1为奇数时，该层成型采用由内向外成型的方式，在所述成型件最内侧选取第一个起弧点，当焊接到距起弧点距离b时完成第一道焊接后，沿径向向外侧不熄弧焊接一定距离a并进行第二道焊接，重复焊接过程完成若干道焊道焊接，在完成该层焊接后沿垂直于该焊接平面的方向上移一定距离c。

进一步地，在步骤三中，当n+2为偶数时，该层成型采用有外向内的成型方式，在所述成型件最外侧选取第二个起弧点，第二个起弧点与第一个起弧点在角度上偏移θ角，在完成该层第一道的焊接后沿径向方向向内不熄弧焊接一定距离并进行第二道焊接，使得第一道焊接与第二道焊接的搭接距离为a，径向方向焊道搭接距离为b，重复焊接过程共完成r道焊接，并使焊枪再次旋转θ角。

进一步地，可参照图1的实施例，合金结构件的截面形状为典型的圆环形截面，高度为100mm，厚度为23mm。基板材料为5A05铝合金板材，焊丝牌号为5356，直径1.2mm，保护气体为99.999％高纯氩气，流量20L/mi n，焊接电流为160A，送丝速度7mm/s，焊道宽5mm，高1.8mm。某截面扫描路径如图1所示，具体步骤为：1、如图1a所示，在成型件最内侧选取第一个起弧点，由内向外开始第一层第一道的焊接；2、当焊接到距起弧点距离b时即完成了第一层第一道焊接，此时沿径向方向向外侧不熄弧焊接一定距离a并进行第二道焊接，第一道与第二道的搭接距离为a＝3.6mm，径向方向焊道搭接距离为b＝2.8mm；3、重复步骤2完成另外5个焊道，第一层成形全部完成，在收弧点收弧并沿垂直于焊接平面的方向上移一定距离1.8mm；4、第二层成形采用由外向内的成形方式，如图1b所示，焊枪在成型件最外侧选取第二个起弧点，该起弧点与第一个起弧点在角度上偏移θ＝50°，开始第二层第一道的焊接；5、同步骤2中所述方法，完成第二层第一道后，沿径向方向向内侧不熄弧焊接一定距离并进行第二道焊接，使得第一道与第二道搭接距离为3.6mm，径向方向焊道搭接距离为2.8mm；6、重复步骤5直至第二层成形全部完成；7、焊枪再次旋转θ＝50°，重复步骤2至步骤6，完成剩余层的焊接，共完成56层堆积，最终成形结构致密的5系铝合金结构件。

进一步地，针对不同的成型截面可使用不同的成型途径。在步骤3中，当n+2为偶数时，该层成型采用有外向内的成型方式，在所述成型件最外侧选取第二个起弧点，该起弧点沿偏移距离与总焊道长度的比例为k＝d/360，其中d*x≠360(x＝1,2,3,···)，在完成该层第一道焊接后，沿径向方向向内侧不熄弧焊接预定距离并进行第二道焊接，使得第一道与第二道焊道的搭接距离为a，径向方向焊道搭接距离为b，重复焊接过程共完成r道焊道，并使焊枪再次移动d/360总焊道长度。

具体地，参照图2的实施例，铝合金结构件的截面形状为复杂的圆环形截面，高度为150mm，厚度为15mm。焊接电源为Fronius TPS 3200 CMT，焊枪装夹在ABB IRB 1410六轴机器人上，基板材料为2A12铝合金板材，焊丝为2A12成分定制焊丝，直径1.2mm，保护气体为99.999％高纯氩气，流量25L/min，焊接电流为200A，送丝速度9mm/s，焊道宽7.5mm，高2.3mm。截面扫描路径如图2所示，具体步骤为：1、如图2a所示，在成型件最内侧选取第一个起弧点，由内向外开始第一层第一道的焊接；2、当焊接到距起弧点距离b时即完成了第一层第一道焊接，此时沿径向方向向外侧不熄弧焊接一定距离a并进行第二道焊接，第一道与第二道的搭接距离为a＝4.9mm，径向方向焊道搭接距离为b＝3.8mm；3、重复步骤2进行另外3个焊道焊接，第一层成形全部完成，在收弧点收弧并沿垂直于焊接平面的方向上移一定距离2.3mm；4、第二层成形采用由外向内的成形方式，由于截面为复杂曲面，不能按照旋转角度定义下一个起弧点，这里通过起弧点沿曲线移动的距离占总的焊接距离定义，其比值取50/360。如图2b所示，焊枪在成型件最外侧选取第二个起弧点，开始第二层第一道的焊接；5、同步骤2中所述方法，完成第二层第一道后，沿径向方向向内侧不熄弧焊接一定距离并进行第二道焊接，使得第一道与第二道搭接距离为4.9mm，径向方向焊道搭接距离为3.8mm；6重复步骤5直至第二层成形全部完成；7、焊枪再次移动50/360总焊道长度，重复步骤2至步骤6，完成剩余层的焊接，共完成66层堆积，最终成形结构致密的2系铝合金结构件。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。