（材料加工工程专业论文）铝合金tig电弧快速成型工艺的研究.pdf

摘要 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 技术是应用“离散一堆积” 原理，用逐点或逐层的成型方法制造物理模型、模具和零件的一种 现代制造技术。由于其加工周期短、成本低、加工形状灵活而成为 提高工业生产效率和产品竞争的关键技术。本文以5 35 6 铝合金为对 象，对钨极氩弧焊( t i g ) 的电弧快速成型工艺进行研究。 首先，试验研究了工艺参数对单道电弧成型宏观情况( 成型尺寸、 表面粗糙程度) 的影响。结果表明，单道成型形状高度与电弧电流、 电弧移动速度成反比，与送丝速度成正比；成型宽度与电弧电流、 送丝速度成正比，与电弧移动速度成反比。成型表面的粗糙程度随 电弧电流、电弧移动速度的增大而增大，随送丝速度的增大先呈现 减弱趋势后增大。同时，试验讨论了成型后冷却时间、电弧移动速 度、焊接路径对成型表面平整程度的影响；结果表明，本试验条件 下，焊接路径保持单一方向、焊道间间隔时间为2 r a i n 5 m i n ，层间冷 却时间逐渐增大的条件下，焊接过程稳定，焊件成型效果较好。 其次，研究了不同工艺参数对成型微观组织形态的影响。研究 结果表明，本试验条件下，成型组织为在0 c 固溶基体上弥散的分布着 大量的 3 ( m gsa l8 ) 相，同时存在少量的杂质相( f e m n ) a 16 。电弧电流 减小，焊接速度及送丝速度的增大均有利于 3 ( m g 5a l8 ) 相的增多，有 利于成型工件合金性能的提高。 最后，研究了不同工艺参数的匹配对成型微观组织均匀性的影 响。试验结果表明，本试验条件下，同层内焊道间间隔时间2 m i n ， 层间时间间隔均为1o m i n 或且先后依次为6 m i n 、1o m i n 、14 m i n 条件 下焊后获得的组织较为均匀。 关键词：快速成型；t i g 焊；铝合金 a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n gi sak i n do fn e wm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yw h i c h f a b r i c a t e sp h y s i c a lm o d e l ，m o u l da n dp a r t sw i t ht h e m e t h o do f p o i n t - b y - p o i n t o r l a y e r b y l a y e rb a s e do ns c a t t e r - a c c u m u l a t i o n i t b e c o m e sak i n do fc o m p e t i t i v et e c h n o l o g yd u et oi t ss h o r tp e r i o d ，l o w c o s ta n ds h a p i n gd i v e r s i t y t a k i n g5 3 5 6a i a l l o yf o re x a m p l e ，t h i s p a p e rp r e s e n t sa ni n v e s t i g a t i o no nt h er a p i dp r o t o t y p i n gp r o c e s so fg a s t u n g s t e na r ew e l d i n g ，f o r m i n gr e c t a n g u l a rp l a t e s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h e g e o m e t r ya n ds u r f a c em o r p h o l o g yo fs i n g l e p a s sl a y e r s l o ww e l d i n g c u r r e n t ，l o ww e l d i n gs p e e d ，h i g hw i r ef e e d i n gs p e e da r ep r e f e r r e dt o a c h i e v eh i g hh e i g h to ft h ed e p o s i t e dl a y e r ；w h i l eh i g hw e l d i n gc u r r e n t ， h i g hw i r ef e e d i n gs p e e d ，l o ww e l d i n gs p e e da r ep r e f e r r e dt oa c h i e v e h i g hw i d t ho ft h ed e p o s i t e dl a y e r i tw i l lg e tag o o dq u a l i t yo fd e p o s i t e d p r o d u c t s w h i l ek e e p i n gs i n g l e w e l d i n gr o u t e ，2 m i n - 5 m i n i n t e r v a l b e t w e e nw e l d i n gb e a d s ，g r a d u a l l yi n c r e a s i n gt i m ei n t e r v a lb e t w e e n w e l d i n gl a y e r s i t d e v e l o p sd i f f e r e n tb u i l d i n go fs t r u c t u r e sb yd i f f e r e n tw e l d i n g p a r a m e t e r s t h e r ea r el o t so f 3 ( m gsa 18 ) p h a s ed i s t r i b u t e di nt h e0 【s o l i d s o l u t i o n ，w i t hs o m ei m p u r i t yp h a s e 一( f e m n ) a i6a tt h es a m et i m e i tw i l l a c h i e v eag o o dq u a l i t yo fd e p o s i t e dp r o d u c t sw i t hm o r ep ( m g 5a ls ) p h a s e ，w h i c hc a nb ea c h i e v e db yl o ww e l d i n gc u r r e n t ，h i g hw e l d i n g s p e e da n dw i r ef e e d i n gr a t e d i f f e r e n tm a t c h i n go fw e l d i n gp a r a m e t e r sh a ss o m ee f f e c t o n h o m o g e n i z a t i o n o fl a y e r e d s t r u c t u r e s u n d e rt h es i t u a t i o no ft h i s e x p e r i m e n t ，i tw i l lg e tag o o dq u a l i t yo fd e p o s i t e dp r o d u c t sw i t h2 m i n i n t e r v a lb e t w e e nw e l d i n gb e a d s ，l o n gt i m ei n t e r v a l o r g r a d u a l l y i n c r e a s i n gt i m ei n t e r v a lb e t w e e nw e l d i n gl a y e r s k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；t i gw e l d i n g ；a 1 一a l l o y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗叁鲎有关保留、傻用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：立j 帮 导师签名： 签字日期： 加7 年月同 ， 翔绳岛 签字r 期：2 口7 年2 月莎同 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 随着科学技术的发展，人们对工业产品不断提出更新要求，以 满足人们不断变化的需求。这样，一方面，工业产品越来越向多品 种、小批量、高精度和复杂的几何形状方向发展；另一方面，为了 保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期，生产周期， 更新周期越来越短。在这种形势下，减少新产品上市时间和小批量 柔性制造就成为提高工业生产效率和产品竞争的关键【1 3 1 。 快速成型技术即是在这种背景下应运而生的。快速成型( r a p i d p r o t o t y p i n g 简称r p ) 技术是应用“离散一堆积”原理，用逐点或逐层 的成型方法制造物理模型、模具和零件的一种观念全新的现代制造 技术。它是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造 技术( s f f ) 、材料去除成型( m p r ) 、材料增加成型( m a p ) 技术以及它们 的集成。通俗地说，快速成型技术就是利用三维c a d 的数据，通过 快速成型机，将层层的材料堆积成实体原型。与传统的铸、锻、 轧、焊、车、铣、刨、磨等一系列加工过程相比，原型制造的加工 过程大大缩短了加工周期并降低了产品研制的成本，对促进企业产 品创新、提高产品竞争力有积极的推动作用。 快速成型技术有以下特点： ( 1 ) 制造成型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用： ( 2 ) 成型的复制性、互换性高； ( 3 ) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更 显优越； ( 4 ) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造 费用降低5 0 ，加工周期节约7 0 以上； ( 5 ) 高度技术集成，实现了设计制造一体化 4 - 6 】。 快速成型技术从问世以来，出现了十几种不同的方法。目前， 研究较多的直接成型方法有：光固化成型( s l a ) 、熔丝沉积成型 ( f d m ) 、选择性激光烧结( s l s ) 、薄材叠层制作( l o m ) 1 7 1 。然而，这 些成型系统的应用还多限于大型公司、研究机构和大学，一般的用 第一章绪论 户还很少。这是由于迄今为止，多数成功实现商业化的快速成型工 艺所使用的成型材料是光敏树脂、塑料、纸张、蜡、尼龙等非金属 材料；而对于金属材料，即使是选择性激光烧结、激光熔敷等新工 艺，也存在所制造的零件致密度差、机械和冶金性能不好、需要进 行后续处理等缺点，限制了其应用范围的进一步扩展。效率方面， 快速成型技术的“快速”是相对于传统产品设计的周期较长而言的，即 体现在显著缩短产品开发设计的周期上。其实，目前传统的快速成 型工艺制造产品原型的时间并不算短，通常需要几小时、几天、几 周不等【8 1 1 】。 鉴于此种情况，低成本、高质量的金属材料快速成型工艺的研 究成为了国内外的一个研究热点。利用焊接电弧进行快速成型就是 在此种背景下产生的。电弧焊设备简单、生产效率较高；同时，由 于其焊接过程中熔滴过渡、电流、电压、焊接速度等焊接参量均可 控，有望得到性能较好的成品。 1 2 国内外研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代末，联邦德国k r u p p 、t h y s s e n 钢铁制造公司 及瑞士s u l z e r 公司首先开始开发成型焊接工艺，将焊接工艺用于制造 全由焊缝金属组成的大型压力容器【1 2 ，1 3 】。研究表明，成型焊接工艺 不仅效率高，而且由于焊缝金属具有较高强度和硬度，使得最终制 造出的零部件非常耐用。19 8 5 19 91 年期间，美国b a b c o c k & w i l c o x 公司总共投入上千万美元用于开发成型熔化( s h a p em e l t i n g ) 技术，使 用g m a w 和等离子一m i g 混合焊，生产出了材料为奥氏体不锈钢或者 是n i 基合金的大型零部件，并为成型熔化技术申请了4 项专利【1 4 , 1 5 】。 此后，随着r p 技术的出现，将焊接工艺与r p 的基本原理相结合用于 产品零部件的原型制造或者直接制造成为新的研究热点。2 0 世纪9 0 年代初期，美国r o l l s r o y c e 航空集团致力于三维焊接( 3 dw e l d i n g ) 技 术的研究。英国n o t t i n g h a m 大学j d s p e n c e r 等利用g a n t r y6 轴焊接 机器人和g m a w 工艺实现零件的三维焊接成型，机器人和焊接工艺 参数由s i e m e n sr c m 可编程数字机器人控制器控制，通过简单的温 度控制装置对焊接的热输入量进行控制，从而降低了成型零件的表 面粗糙度值，此外还做了零件的显微组织分析、表面粗糙度和残余 应力的测量【1 6 1 。葡萄牙m i n h o 大学，澳大利亚w o l l o n g o n g 大学的 2 第一章绪论 f e r n a n d or i b e r i o 博士和j o h nn o r r i s h 教授利用机器人熔化焊接工艺实 现了零件的三维焊接熔敷成型。美国s o u t h e rm e t h o d i s t 大学r k o v a e e v i c 教授的研究小组对基于三维焊接熔敷的快速成型技术进行 了深入研究。开发了用于制造金属零件的基于焊接工艺( 包括l a w 、 g m a w 、g t a w 等) 和数控技术相结合的实体自由成型技术。该研 究首次尝试通过控制快速成型焊接熔敷工艺中的熔深和热输入，以 期实现分层制造【1 7 ”】。h e a t h e re b e a r d s l e y 在其博士论文工作中对 基于三维焊接熔敷成型技术中的熔滴形成和熔敷的机理进行了研 究，通过视觉传感系统对焊接过程中的熔滴过渡进行精确控制。此 外，还对焊接熔深作了有限元数值模拟计算【四】。美国t u f t s 大学 c h a r a l a b o sc d o u m a n i d i s 与y o n g m i n k w a k 使用g m a w 焊接工艺实 现金属零件快速成型，同时采用以等离子弧加热的所谓扫描焊接 ( s c a nw e l d i n g ) 的方法进行焊后局部在线热处理，提高焊接成型零件 的质量【2o 2 1 】。f o u r l i g k a sn i k o l a o s 研究了一种基于机器人等离子弧焊 接熔敷的快速成型技术，并且研究了熔敷过程中的热流和质量过渡 机理，用于控制成型零件的质量，此外还研究了利用热扫描焊对成 型零件进行在线局部热处理以提高零件的冶金性能和机械性能 2 2 1 。 美国肯塔基大学的z h a n gy u m i n g 与国内哈尔滨工业大学的王其隆教 授合作，采用一种特殊的焊接工艺可控惯量的熔滴过渡m a g 焊 ( c o n t r o l l e di n e r t i a ld r o p l e tt r a n s f e rm a gw e l d i n g ，c i d t - m a g w ) ， 进行焊接熔敷快速成型制造 2 3 , 2 4 。19 9 8 年8 月，在美国得克萨斯州 奥斯汀召开的第九届实体自由建造论坛上，韩国、印度和德国的两 个研究小组提出了利用焊接熔敷工艺与铣削法相结合的混合制造新 概念 2 5 , 2 6 。 国内对于焊接熔敷快速成型技术的研究则尚处于起步跟进阶 段，为数不多的研究者作了初步的探讨 2 7 3 0 。 迄今为止，就应用焊接电弧进行金属快速成型而言，在熔化极 气体保护焊( g m a w ) 、非熔化极气体保护焊( g t a w ) 、等离子弧焊 ( p a w ) 快速成型方面已经取得了一定的成果。 1 2 1 应用非熔化极气体保护焊( g t a w ) 进行快速成型 非熔化极气体保护焊是利用非熔化的材料做电极，外加气体作 为保护介质的一种电弧焊方法。其优点在于电弧和熔池可见性好， 操作方便；没有熔渣或熔渣很少，无需焊后清理等【3 1 1 。 第一章绪论 国外学者h w a n g 和rk o v a c e v i c 应用变极性非熔化极气体保护 焊对铝进行快速成型 3 2 】。随后，o u y a n gj h ；w a n gh ：k o v a c e i v i cr 则采用变极性钨极氩弧焊对5 3 s 6 铝合金进行快速成型，并对焊接过 程控制以及焊后铝合金的微观组织结构进行了研究 3 3 j 。h u i j u n w a n g ，w e n h u ij i a n g 等人以4 0 4 3 铝合金为研究对象，采用变极性钨 极氩弧焊进行快速成型。探讨了焊接电流、电弧长度、焊接速度、 送丝速度对熔敷层金属尺寸的影响。同时对焊后铝合金的宏观状 态、微观组织以及表面粗糙度进行了分析【l 。 大量的试验结果表明。快速成型的效果，主要取决于三方面的 因素：基体的预热：电弧长度的监视与控制：热输入的控制。其中 热输入的控制主要由电弧电压( 电弧长度) 、焊接电流、焊接速度和送 丝速度决定。焊后试件的熔敷层高度与焊接电流、焊接速度成反比， 与送丝速度成正比：熔敷层宽度与焊接电流成正比与焊接速度、 送丝速度成反比。 焊接成型的形状主要由焊接热输入决定。试验表明1 3 4 。第一层 的焊接所需要的能量最大，以后各层逐层递减直至达到热平衡( 材 料吸热与向外界散热相等) ，之后各层则以固定不便的热输入进行焊 接。同时。在对焊接熟过程进行控制的条件下，将会得到怠好的表 面成型：与无热输入控制相比表面粗糙度明显降低，如图1 1 所示。 另外，在对熔池形状的各影响参数中，焊接电弧的长度起重要作用。 焊后台金的微观结构中，后期焊接的各层中晶粒较为细小，而前期 焊接的部分则呈现出晶粒粗大的组织形态，如图1 2 所示。成品的侧 边缘处有等轴晶出现。试验表明，焊后冷却速度对微观结构有很大 的影响，快冷条件下得到的晶粒较好。 ( 4 ) 存在热辅 控制条件下表面状态( b ) 无热输入控制条件下表面状态 图i l4 0 4 3 铝台金快速成型表面状春 第一章绪论 黼 ( a ) 顶层的微观组织结构( b ) 区域a 中沉淀的微观组织结构( c ) 区域a 中上都组 织的高放太倍数下微观结构( d ) 区域a 中下部组织的高放大倍数下微观结构 图1 24 0 4 3 铝合金顶层的微观组织结构 采用非熔化极气体保护焊对金属或合金进行快速成型，通过对 焊接参数的调节可以得到较好的成型形状及表面。但是，焊后晶体 的微观组织不均匀，各处硬度不等，并出现较大的差异，使其性能 受到影响。 1 2 2 应用熔化极气体保护焊( g m a w ) 进行快速成型 熔化极气体保护焊是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工 件之间的电弧作为焊接热源来熔化焊丝和母材，形成熔池和焊缝的 焊接方法。其特点在于：具有广泛的适用性；采用焊丝作为电极， 可选用高密度电流，生产效率高】。 y u m i n gz h a n g ， y i w e ic h e n ，p e n e , j i ul i ， a l a nt m a l e 对熔 化极气体保护焊的快速成型进行了初步的研究。建立了试件的数学 模型，对试件的分层切片方法进行了研究。并对成型精度进行了研 究t 3 s 。研究表明采用非熔化极气体保护焊可以对金属进行较好的 成型。成型的质量与焊接路径密切相关。图】3 是利用电弧进行环状 成型时的结果。其中1 3 ( a ) 是常规焊接的结果；1 - 3 ( b ) 为采用特殊焊 接路径( 图l - 4 ) 条件下的结果。可见选取好的焊接路径是保证成型精 度的重要因素。利用控制焊接电流及速度可以控制成型的形状。从 初始阶段较大的焊接电流及速度平稳的过渡到稳定状态，再至结柬 第一章绪论 阶段的小电流及焊速，可以保证成型形状的精确( 图1 - 5 、1 6 ) 。 同时，有的学者对熔化极气体保护焊的熔滴过渡行为进行了研 究【3 6 1 3 7 】玷晏嘉明一瞒一滴的付清甫肯下啦刑撕罩吊杆 詹。 常规焊接条件下成型结果：( b 1 采用特殊路径条件下成型结果 误差较大 无明显误差 圈1 - 3 不同成型路径f 的成型结果 图l 一4 环状成型试不同层的不同路径 ：卜_ 兰一 & ： 么露蕊葱暖凰眵 图1 5 矩形成型时焊接速度的控制 6 第一章绪论 脚l - 6 控制始末速度条件下成型结果 熔化极气体保护焊快速成型的研究仍停留在初步阶段。对于成 型试件的性能、表面粗糙度、焊接应力的研究则较少。 1 2 3 应用等离子弧焊( p a w ) 进行快速成型 等离子弧是利用等离子枪将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成 高温、高电离度、高能量密度及高焰流速速度的电弧。其特点在于 等离子弧的能量密度和等离子流力较大，焊接效率高 3 1 i 。 atm a l e ，ywc h e n ，pj l i 和y m z h a n g 对于等离子弧焊 接条件下，试件的性能、熔池的控制进行了分析p s - 3 9 ，并采用等离 子弧作为热源对不同的金属进行快速成型的研究【4 0 】。研究表明，非 转移弧等离子弧焊可咀满足快速成型的基本要求，同时与激光热源 相比，具有一定的优势。等离子成型过程中，可采用c o2 气体做前后 冷却。影响成型速度的关键是控制为焊接热输入，即控制焊接电流、 等离子气流的流速、喷嘴尺寸、等离子喷嘴的摆动幅度以及喷嘴距 工件的距离。其中，电流的大小、喷嘴与工件的距离、焊接速度的 大小和金属的热导率决定了焊后金属变形的方向及程度。热传导率 高的金属在焊后呈现出较小的变形。因此，高热导率、低熔点的金 属成为了等离子快速成型的首选材料。此外，焊后试件中心处的硬 度出现高峰，向两侧逐渐递减至恒定不变。 迄今为止，等离子弧金属快速成型的研究仍停留在工艺参数的 作用方面且尚未取得较为理想的数据，而焊后试件的性能研究、 成型精度、焊后应力问题还有待解决。 除此之外，d m cs a n t o s 等人建立了快速成型的三维模型【4o 】： c h a r a l a b o sd o u m a n i d i s 等人对于焊接热过程进行了讨论【42 】：d t p h a m 等人则对各种快速成型方法进行了比较h ”。 第一章绪论 1 3 电弧快速成型工艺存在的问题 电弧快速成型工艺以其独特的优势而备受人们关注。然而，成 型过程中的逐层堆积以及电弧焊接中多参数的工艺调节为电弧成型 带来了一定的困难【10 1 。 l 、成型精度问题 成型零件的精度包括几何尺寸精度和表面粗糙度两方面的内 容。电弧焊接过程中，可调参数多，焊接熔池形状可控性较差，焊 接过程稳定性较低。因此，在电弧成型中，材料的逐层堆积时，对 于零件的形状控制就相对较为困难。 2 、残余应力的控制 焊接过程中热输入的不均匀性使得焊后零件必然存在一定的残 余应力。在逐层堆积的过程中，更是由于应力的叠加而对成型零件 产生不可忽视的影响。同时，后层对前层甚至前几层的再热作用使 得热输入的控制更为困难，应力控制也更为复杂。 3 、热输入的控制 电弧焊接过程的可控参数较多，大量的研究表明，焊接热输入 的控制在成型过程中起重要的作用。因此，各参数的协调控制是成 型过程中至关重要的问题。 4 、成型零件的性能 成型零件的性能是人们所追寻的最终目标。由于焊接过程的复 杂性使焊缝的组织及性能转变过程相当复杂，电弧快速成型是通过 叠层堆焊进行的，所以热循环过程比一般焊接过程复杂得多，零件 的组织及性能变化更加复杂，增加了控制的难度。 1 4 本课题主要研究内容 本课题拟采用交流钨极氩弧焊( a c t i g ) 作为焊接热源，对铝合 金的快速成型进行研究。通过焊接参数、焊接方式的调整，对铝合 金进行矩形成型。课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 分别讨论焊接速度、送丝速度以及焊接电流对成型产品表面 状态即表面粗糙度的影响； ( 2 ) 分别讨论焊接速度、送丝速度以及焊接电流对成型产品尺寸 的影响； 8 第一章绪论 ( 3 ) 讨论不同的工艺参数对单层单道焊后成型微观组织形态的影 响： ( 4 ) 讨论多种焊接参数的匹配对多层多道焊后成型组织均一性的 影响。 9 第二章试验材料及试验方法 2 1 试验材料 第二章试验材料及试验方法 本课题主要采用5 3 5 6 a 1 作为研究对象。5 3 5 6 铝合金是一种热处 理不可强化的变形铝合金，具有良好的焊接性能；同时此系合金是 铝合金中密度最小、耐腐蚀性最高的合金，在焊接领域中有着广泛 的应用。由于其与大部分铝基合金的兼容性良好，因此是一种最通 用的铝基填充合金。有好的强度和输送性能，广泛用于车辆、化学、 食品、船舶等行业。 5 3 5 6 铝合金的密度为2 6 4 9 c m 3 ，固相线和液相线温度分别为 5 7 4 、6 3 8 。其化学成分如表2 1 ，基本性能如表2 2 t 4 4 4 8 1 。 表2 - 15 3 5 6a i 的化学成分( w t ) 其它元素 s if ec um n m g c rz nt ia l 单个总和 0 0 5 4 5 0 0 5 0 0 6 n 0 2 50 4 00 100 10 s 0 0 5s 0 1 5余量 o 2 05 5o 2 00 2 0 表2 25 3 5 6 a i 的性能 热膨胀系数体积系数比热容热导率 热性能 g m ( m k 1 m 3 ( m3 k 、j ( k g 。k 、w ( m k 、 2 2 37 0 x 1 0 69 0 4l l6 电导率电阻率 电阻温度系数 电学 i a c sn q mn q m k - 1 性能 o 状态 h 3 8 状态o 状态h 3 8 状态o 状态 h 3 8 状态 2 95 9 4o 1o 1 加工 退火温度热加工温度 特性 3 4 52 6 0 5 1 0 注：各项性能指标均为2 0 条件下测得。 l o 第二章试验材料及试验方法 试验选用基体为6 0 6l 铝板。6 0 6l 铝合金具有与超硬铝相媲美的 强度以及良好的高温塑性，是结构用材的常用材料，其化学成分如 表2 3 所示。 表2 3 6 0 6 1a 1 的化学成分( w t ) c u m g m nf es iz n t i n ia l 0 4 3o 7 50 2 2o 3 61 2 6 o 1 5 0 0 5 0 0 5 余量 2 2 试验装置 试验装置如图2 1 所示。试验采用钨极氩弧焊机，并配用相应的 旁送丝机构。氩弧焊焊枪及送丝嘴利用一套特制的二维夹具固定于 垂直于直线工作台的正上方，此二维夹具可以在一定的空间内独立 的调整焊枪和送丝嘴的水平及竖直方位。焊接之前，先将直线工作 台调至水平，并将工作台清理干净；再将清洗后的基体水平置于工 作台上。调整二维夹具，确保焊枪的钨极头与从送丝嘴处送出的 图2 1 试验装置示意图 1 1 体 工 作 厶 口 第二章试验材料及试验方法 焊丝处于同一平面内。竖直方向移动焊枪至距基体3 m m 处，即确保 电弧长度为3 m m 且固定不变。焊接过程中，固定焊枪及焊丝位置不 变，工作台做水平运动( 即相当于工件固定不动，焊枪及焊丝水平移 动) 。启动水平工作台，先燃弧，后送丝；焊接至一定焊道长度后， 停止送丝，再熄弧，最后停止工作台运动。 2 3 试验方法 2 3 1 试验准备 试验选用5 3 5 6 a 1 焊丝作为试验材料。基体采用厚度为6 m m 的 6 0 6l 铝板。试验前，采用线切割将基体切割成2 0 0 x8 0 m m 的板条， 先用丙酮溶液对基体进行清洗，再用4 0 0 # 水砂纸进行机械打磨，最 后将其用布试擦干净。 2 3 2 不同工艺参数条件下单层单道焊接 焊接电弧保持3 m m ，气流量l0 l m i n 不变，分别改变焊接电流、 焊接速度、送丝速度，分析各参数对成型的影响。试验参数如表2 4 所示。 2 3 3 单层多道焊接 保持焊接电弧3 m m ，焊接气流量10 l m i n ，焊接电流l8 0 a ，送 丝速度为3 0 m m i n 不变；分别对各焊道之间的冷却时间间、各焊道 的焊接速度、相邻焊道的焊接路线进行改变，研究不同条件下的成 型效果。 l 、改变各道焊接之间的冷却时间 冷却时间分别取用lr a i n ( 即连续焊接) 、2 m i n 、5 m i n 、10 m i n ；进 行3 道焊接。道与道之间的搭接程度控制在搭接1 4 l 3 左右。 2 、改变各道焊接的焊接速度 第一组：焊接速度v w = 3 5 m m s 、3 6 m m s 、3 7 m m s ； 第二组：焊接速度v 。= 3 5 m m s 、3 7 m m s 、3 9 m m s ； 每块试板均进行单层3 道焊接。道与道之间的搭接程度同样控 制在l 4 l 3 左右。 3 、改变焊接行走路线 1 2 第二章试验材料及试验方法 第一组：来回直线行走，各道之间进行连续焊接； 第二组：来回直线行走，各道之间冷却时间为lm i n ； 第三组：来回直线行走，各道之间冷却时间为2 m i n ； 每块试板均进行单层3 道焊接。道与道之间的搭接程度同样控 制在l 4 l 3 左右。 表2 4 单层单道成型工艺 电流( a )送丝速度( m m i n )焊接速度( m m s ) 1 5 1 8 2 1 2 4 118 02 74 o 3 o 3 3 3 6 3 9 2 5 3 0 3 5 4 0 2 l8 03 o 4 5 5 o 5 5 6 0 l6 0 17 0 18 0 319 03 o4 0 2 0 0 2 l0 2 2 0 2 3 4 双层多道焊接 保持焊接电弧弧长3 m m ，气流量l0 l m i n ，焊接电流l8 0 a ，送 第二章试验材料及试验方法 丝速度为3 0 m m i n ，焊接速度3 5 m m s ，焊道间冷却时间为2 m i n 不 变，进行第一层3 道焊道的焊接成型。分别改变层与层之间的冷却 时间、第二层成型时焊道之间的冷却时间、第二层成型时焊道的焊 接速度，并研究各参数对焊接成型的影响。 1 、改变层与层之间的冷却时间 第二层焊接工艺：焊接电弧弧长3 m m ，焊接电流l8 0 a ，送丝速 度为3 0 m m i n ，焊接速度3 5 m m s ，焊道间冷却时间为2 m i n ； 两层间冷却时间分别取5 m i n 、10 m i n 、15 m i n ； 2 、改变第二层成型时焊道之间的冷却时间 第二层焊接工艺：焊接电弧弧长3 m m ，焊接电流l8 0 a ，送丝速 度为3 0 m m i n ，焊接速度3 5 m m s ，两层间冷却时间为5 m i n ； 第二层焊道间的冷却时间为别取lm i n 、2 m i n 。3 m i n ； 3 、改变第二层成型时焊道的焊接速度 第二层焊接工艺：焊接电弧弧长3 m m ，焊接电流l8 0 a ，送丝速 度为3 0 m m i n ，焊接速度3 5 m m s ，焊道间冷却时间为2 m i n ，两层 间的冷却时间为10 m i n ； 第二层焊道的焊接速度分别取3 5 m m s ，3 6 m m s ，3 7 m m s 。 2 3 5 多层多道焊接 保持焊接电弧弧长为3 m m ，焊接气流量10 l m i n ，焊接电流 18 0 a ，送丝速度为3 0 m m i n ，焊接速度3 5 m m s ，同层内焊道间冷 却时间为2 m i n 不变，分别改变层间的冷却时间，研究其成型效果。 l 、层间恒冷却时间 三层四道成型，各层间冷却时间均为10 m i n 。 2 、层间变冷却时间 四层四道成型，各层间冷却时间分别为6 m i n 、8 m i n 、l0 m i n ；6 m i n 、 10 m j n 、14 m i n 。 2 4 试验分析方法 2 4 1 成型尺寸测量 利用游标卡尺对单道成犁焊道的余高、熔宽进行测量，比较各 工艺参数对成型尺寸的影响。 1 4 第二章试验材料及试验方法 2 4 2 数值拟和。 利用0 r ig i n 对焊道成型尺寸进行3 次多项式拟和，建立单道焊 道成型尺寸与焊接工艺参数的关系。 2 4 3 金相组织观察 线切割截取成型试件的横截面进行分析。对此界面分别用2 8 0 # 、4 0 0 # 、8 0 0 # 、l2 0 0 # 、2 0 0 0 # 水砂纸进行机械打磨，再用抛 光机进行抛光。用酒精将试件清洗干净，最后用混合酸( h f 1 m l ， h c l 1 5 m l ，h n 0 3 2 5 m l ，h2 0 9 5 m 1 ) 溶液进行腐蚀，腐蚀时间为 15 m i n 。在金相显微镜下观察成型材料的微观组织、焊道之间的结合 情况。所用显微镜为日本奥林巴斯公司o l y m p u s d p 7 0 万能金相显 微镜，其放大倍数为5 0 10 0 0 倍。 2 5 本章小结 本章对试验所选材料及其与试验相关的主要性能进行了介绍。 同时介绍了试验装置、主要试验方案以及试验所选用的分析方法。 本课题将依照此方案进行试验，并逐项进行研究和分析。 第三章工艺参数对成型表面的影响 第三章工艺参数对成型表面的影响 利用钨极氩弧焊进行快速成型的效果主要取决于以下三方面因 素：基体的预热；电弧长度的监视与控制；热输入的控制 3 4 1 。其中， 热输入的控制主要通过对焊接电流、焊接速度以及送丝速度的控制 得以实现。不同的工艺参数对成型效果产生不同的影响。 3 1 工艺参数对成型尺寸的影响 单道焊道成型尺寸的大小对整体的成型效果有着重要的影响。 通过控制焊接工艺参数控制成型尺寸是快速成型中一个重要问题。 成型过程中，为保证成型的高效性，焊道应具有较大的余高；但为 了保持焊道之间的连接，余高亦不宜过大，导致熔深过小，连接质 量低下。同时为了保证焊道之间的良好的搭接以及成型产品整体成 分的均匀性，需要使焊道具有一定的熔宽；过小的熔宽不利于焊道 之间的搭接，熔宽过大则由于搭接与非搭接部分的组织差别导致最 终成型零件的组织不均匀。本课题分别讨论焊接电流、焊接速度、 送丝速度对成型尺寸的影响。 3 1 1 焊接电流对成型尺寸的影响 焊接电流的大小直接影响焊接热输入量，从而对成型尺寸产生 影响。试验表明，焊接电流增大，焊道的余高减小，熔宽增大。 图3 1 为焊接速度4 0 m m s ，送丝速度3 0 m m i n 条件下，焊后焊 道余高及熔宽随焊接电流的变化。焊接电流在l5 0 a 至2l0 a 变化的 过程中，余高的变化范围为3 6 2 m m 2 7 8 m m ，熔宽的变化范围为 4 9 2 m m 7 9 2 m m 。由此可见，在改变焊接电流的条件下，余高逐渐减 小，但变化量较小；熔宽则逐渐增大，且变化程度较大。同时，焊 接电流变化对余高的影响不均匀，电流较小时( 15 0 a 17 0 a ) 对余高的 影响较大；而熔宽值的变化则随焊接电流的变化比较均匀。 焊接电流增大，电弧力增大，电弧力对熔池的挖掘作用增强， 焊接熔池逐渐加深；在送丝速度和焊接速度不变的条件下，单位时 间内单位长度送进的焊丝量不变，因此所成型的余高逐渐减小。同 1 6 第三章工艺参数对成型表面的影响 时，电流增大，等量焊丝单位时间内得到的热输入量增多，焊丝熔 化后的液态金属流动性较好，所形成的焊道宽度增大。 如前所述，为保证成型的高效性及焊道间良好的搭接，焊道应 具有较大的余高及中等宽度的熔宽；此外，为避免焊接电流的波动 对成型尺寸产生较大的影响，焊接电流为18 0 a 左右时比较适宜。 1 5 0 仰 1 7 0 佃伽卸抛仞仰们伽仞狮2 1 0 w i 加锄耐脚w 蜘a m “内 ( a ) 焊道余高与焊接电流的关系 ( b ) 焊道熔宽与焊接电流的关系 图3 1 成型尺寸与焊接电流的关系 3 1 2 焊接速度对成型尺寸的影响 焊接速度增大，焊道的余高、熔宽均减小。 图3 2 显示了焊接电流l8 0 a ，送丝速度3 0 m m i n 条件下成型尺 寸与焊接速度的关系。焊接速度在2 5 m m s 至5 5 m m s 变化的过程中， 余高的变化范围为3 7 8 m m 2 3 2 m m ，熔宽的变化范围为 8 2 6 m m 一6 18 m m 。由此可见，在改变焊接速度的条件下，余高逐渐减 小，但变化量较小；熔宽同样呈现减小的趋势，且变化量不大，尤 其与改变焊接电流条件下相比，变化量明显变小。同时，余高随焊 接速度的变化比较均匀；熔宽在焊速较小时( 2 5 m m s 一4 0 m m s ) 变化 量较小，在焊速较大时( 4 0 m m s 5 5 m m s ) 随焊速的改变其变化量很 大。 在焊接电弧长度、焊接电流及送丝速度均保持不变的条件下， 单位时间内的焊丝送进量保持不变；单纯增大焊接速度，使得单位 长度内送进的焊丝量减少，致使焊道的余高和熔宽均减小。 对于快速成型而言，为保证成型的高效性及焊道问良好的搭接， 1 7 一ee)je一pe_蘑ddo口芑专i 一ee一j雪曹l peeald口芍芏石|oli 第三章工艺参数对成型表面的影响 焊道应具有较大的余高及中等宽度的熔宽；同时，为避免焊接速度 的波动对成型尺寸产生较大的影响，3 0 m m s 4 0 m m s 时比较适宜。 e e ： 要 里 2 53 03 54 04 5弱 2 53 03 54 04 , 5如钻 怕胃s 鲥l n 州碲w _ 由日s 田鲥i m t 悔i ( a ) 焊道余高与焊接速度的关系( b ) 焊道熔宽与焊接速度的关系 图3 2 成型尺寸与焊接速度的关系 3 1 3 送丝速度对成型尺寸的影响 送丝速度的大小决定了单位时间内焊丝的送进量。试验表明， 随送丝速度增大，焊道的余高、熔宽均增大。 图3 3 为焊接电流l8 0 a ，焊接速度3 5 m m s 条件下，焊后焊道 余高及熔宽随送丝速度的变化。送丝速度在1 5 m m i n 至3 9 m m i n 变 化的过程中，余高的变化范围为2 0 4 m m 3 3 4 m m ，熔宽的变化范围 为5 58 m m 8 4 6 r a m 。由此可见，在改变送丝速度的条件下，余高与 熔宽均逐渐增大，且变化程度均较小。同时，余高在送丝速度为 2 1m m i n 3 3 m r a i n 时变化量随送丝速度的变化较小；熔宽在送丝速 度为2 7 m m i n 3 9 m m i n 时变化量随送丝速度的变化较小。 在电弧长度、焊接电流、焊接速度保持不变的条件下，增大送 丝速度使得单位时间、单位长度内焊丝的送进量增大，相应导致焊 道的余高及熔宽均增大。 对于快速成型而言，为保证成型的高效性及焊道间良好的搭接， 焊道应具有较大的余高及中等宽度的熔宽；同时，为避免送丝速度 的波动对成型尺寸产生较大的影响，送丝速度为2 7 m m i n 3 3 m m i n 时比较适宜。 1 8 一ee一i宝m一量一8m口，o喜； 第三章工艺参数对成型表面的影响 e e 一 旦 1 52 02 53 03 54 01 52 02 53 03 5 柚 w 旧f 曲d i 胃融i m 州n ) 憎帕脚旧曲( n l h j n ) ( a ) 焊道余高与送丝速度的关系( b ) 焊道熔宽与送丝速度的关系 图3 3 成型尺寸与送丝速度的关系 综上所述，三种焊接工艺对成型尺寸产生不同的影响。焊接电 流、焊接速度的减小，送丝速度的增大均有利于余高的增大，且各 中因素对余高增量的影响均不大；焊接电流、送丝速度的增大，焊 接速度的减小有利于熔宽的增大，且各因素中，焊接电流与送丝速 度在焊道可成型工艺范围内对熔宽尺寸变化量的影响均较大，相对 送丝速度的影响较小。 3 2 工艺参数对表面粗糙程度的影响 快速成型过程中，工艺参数不仅对焊后成型尺寸影响较大，对 焊道表面粗糙程度的影响有较大的影响。 3 2 1 工艺参数对单层单道焊接成型表面的影响 为了获得足够的熔深和防止咬边、焊道过宽和随之而来的熔深 及焊道外形失控，必须维持短的电弧长度。电弧长度应大约等于钨 极直径。试验中，始终保持焊接电弧弧长为3 r a m ，分别对焊接电流、 焊接速度、送丝速度进行调整，分析各参数对表面粗糙程度的影响。 3 2 1 1 焊接电流对表面粗糙程度的影响 焊接过程中，焊接电流的大小直接影响焊丝的熔化及焊道的熔 1 9 一ee一；x一可$一冀五。口芎专l 第三章工艺参数对成型表面的影响 深，对焊道表面也有直接的影响