技术领域
[0001] 本
发明属于
电弧熔丝增材制造技术领域，具体涉及一种铝镁合金结构件增材制造方法。
背景技术
[0002] 增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积思想，通过CAD设计数据，采用逐层累加的方式加工生成实体零件的技术。它具有成形效率高、成本低、零件致密等优点，世界各国科研机构对其展开了大量的研究，根据增材制造熔覆工艺的不同可以分为激光焊(LAW)、等离子弧焊(PAW)、
熔化极气体保护焊(GMAW)、非熔化极气体保护焊(GTAW)、
电子束焊(EBW)等，与其他增材制造技术相比，弧焊增材制造技术具有成本低、效率高、可控参数多、
力学性能良好、金属材料的适用性好等优点，但是也存在一些需要解决的问题：成型
精度与净成型零件有一定的差距、残余
应力较大、熔池可控性不好、缺少专用的成
型材料以及工作环境差等。在传统
焊接技术中，熔化极气体保护焊(MIG焊)具有焊接焊接
电流大、焊接效率较高等优点，但电弧不稳定，成形过程中熔池容易外溢和塌陷；非熔化极气体保护焊焊接稳定，但焊接电流小，焊接效率低。
[0003]
铝合金具有比强度高、
热膨胀系数小、耐磨耐蚀性好等特点，是优秀的结构和功能材料，广泛应用于
汽车、航空航天、机械电子等领域，目前使用最广的铝合金是铝镁合金。对于复杂的铝镁合金结构件特别是含有内腔的结构件，采用传统的
铸造、
锻造、机加工等工艺难以制造甚至无法制造。并且采用传统的成形工艺从毛坯到最后的零部件，需要大量模具和多道工序才能完成，这样导致铸造铝镁合金生产周期长、成本高、材料利用率也较低。但随着激光增材制造技术的发展，采用激光增材制造技术为铝合金零部件成形带来了新的机遇，大幅提高了铝镁合金零部件的制造
自由度，节约了生产制造时间，扩展了铝镁合金零部件的使用范围。然而，铝镁合金增材制造的主要问题是：由于基材和铝镁合金丝材表面清理不干净，焊接过程中加热和冷却的速度过快，使得熔池中的H+无法完全逸出，易形成氢气孔；此外，铝与
氧的化学结合力很强，易在表面形成一层薄薄的氧化膜(Al2O3)，由于氧化膜的熔点很高(2050℃)，使得粘接无法正常进行，阻碍金属之间的良好结合，易产生未焊透
缺陷，因而导致采用激光增材制造技术成形的铝镁合金制品存在成形
质量差，容易产生球化、气孔、夹渣、裂纹等缺陷。
发明内容
[0004] 针对上述存在的问题，本发明提供了一种工艺简单、成本低、制备的结构件无组织缺陷、精度高、结构强度好的铝镁合金结构件增材制造方法。
[0005] 为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：
[0007] (1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用
砂纸打磨、
抛光，之后在
温度为30～50℃下，用
酸溶液清洗20～30min，再用清
水清洗，然后将其依次放入丙
酮、
乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为50～200μm的棱台型微结构，待用；
[0008] (2)铝镁合金丝材的制备：①将一定比例的纯镁锭、铝粉、
铁基合金粉末加入到干燥的熔炼炉中，在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、
铸造速度为3～3.5mm/min、
冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金
铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行
热锻开坯、
热轧盘圆、修磨、冷拉、
真空退火一系列正常工序加工成直径为1～2mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后绕制在自动
送丝机用的转盘上，待用；
[0009] (3)在铝镁合金结构件CAD三维实
体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为500～600μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控
工作台；
[0010] (4)将自制的惰性气体保护装置放置在工作台上，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯惰性气体；
[0011] (5)开启焊接
机器人，调出加工程序，点击运行按钮，
机器人手臂按照预定的加工轨迹运行，与此同时，送丝装置将铝镁合金丝材输送到产生的熔池中，形成与基材
冶金结合的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，
焊枪上升一定高度，高度对应该薄层厚度，焊枪遵循一定的运行轨迹，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。
[0012] 进一步地，步骤(1)中所述的酸溶液由浓度3％的
氢氟酸溶液和浓度为8％的
硫酸溶液按质量比1∶3组成。
[0013] 进一步地，步骤(2)中①所述的各成分质量百分比为：纯镁锭5～10％、铝粉60～80％、铁基合金粉末15～30％。
[0014] 进一步地，所述的铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量。
[0015] 进一步地，步骤(4)中所述的惰性气体为氩氦混合气体。
[0016] 进一步地，步骤(4)中所述的惰性的气体的纯度≥99.99％，流量为25～40L·min-1。
[0017] 进一步地，步骤(5)中电弧熔覆的工艺参数为：输出功率2～20kW，送丝速度为650～1-22mm/min。
[0018] 进一步地，步骤(5)中所述的单个熔覆层厚度为1-2.5mm。
[0019] 进一步地，步骤(5)中所述的焊枪头运行轨迹为第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数。
[0020] 本发明具有的有益效果：
[0021] (1)本发明的一种铝镁合金结构件增材制造方法，对基材进行表面微结构加工，形成的棱台型微结构，有助于提高铝镁合金管材与基材的
附着力，增强界面的粘结强度。
[0022] (2)本发明的一种铝镁合金结构件增材制造方法，焊枪头运行轨迹采用相邻层与层垂直的方式，能够解决单一方向堆积前后起弧收弧
位置高低不平的问题，保证多层堆积过程的稳步进行，大大提高结构件的平均
抗拉强度。
[0023] (3)本发明的一种铝镁合金结构件增材制造方法，工艺简单、可大量节约镁铝合金材料、制造成本低，制备的铝镁合金结构件无组织缺陷、精度高、结构强度好。
附图说明
[0024] 图1为本发明的铝镁合金结构件增材制造原理图；
[0025] 图2为本发明的铝镁合金结构件增材制造中激光头运行轨迹示意图。
具体实施方式
[0026] 现在结合
实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0027] 实施例1
[0028] 一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：
[0029] (1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为40℃下，用由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1∶3组成的酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为50μm的棱台型微结构，待用；
[0030] (2)铝镁合金丝材的制备：①将质量分数为纯镁锭8％、铝粉70％、铁基合金粉末22％加入到干燥的熔炼炉中，其中铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量；在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～
3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、
真空退火一系列正常工序加工成直径为1mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；
[0031] (3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为500μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；
[0032] (4)将自制的氮气保护装置放置在工作台上(如附图说明图1所示)，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氮气，纯度≥99.99％，流量为25L·min-1使腔内氧含量为50μL/L；
[0033] (5)开启焊接机器人，调出加工程序，输出功率20kW，点击运行按钮，熔弧按照预定的加工轨迹运行；与此同时，送丝装置以速度为22mm/min将铝镁合金丝材输送到熔弧产生的熔池中，形成与基材冶金结合的厚度为500μm的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪头上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪头遵循第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数一定的运行轨迹(如附图说明中图2所示)，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。
[0034] 实施例2
[0035] 一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：
[0036] (1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为30℃下，用由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1:3组成的酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为100μm的棱台型微结构，待用；
[0037] (2)铝镁合金丝材的制备：①将质量分数为纯镁锭5％、铝粉65％、铁基合金粉末30％加入到干燥的熔炼炉中，其中铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量；在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～
3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、真空退火一系列正常工序加工成直径为1.5mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；
[0038] (3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为550μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；
[0039] (4)将自制的氩气保护装置放置在工作台上(如附图说明图1所示)，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氩气，纯度≥99.99％，流量为30L·min-1使腔内氧含量为65μL/L；
[0040] (5)开启焊接机器人，调出加工程序，输出功率2kW，点击运行按钮，
激光束按照预定的加工轨迹运行；与此同时，送丝装置以速度为1mm/min将铝镁合金丝材输送到电弧产生的熔池中，形成与基材冶金结合的厚度为550μm的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪头上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪头遵循第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数一定的运行轨迹(如附图说明中图2所示)，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。
[0041] 实施例3
[0042] 一种铝镁合金结构件增材制造方法，具体包括如下步骤：
[0043] (1)基材预处理：首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，之后在温度为50℃下，用由浓度3％的氢氟酸溶液和浓度为8％的硫酸溶液按质量比1∶3组成的酸溶液清洗20～30min，再用清水清洗，然后将其依次放入丙酮、乙醇和超纯水中超声清洗5～10min，以便去除表面杂质，取出后吹干，采用激光打标机对其进行表面微结构加工，形成间距为200μm的棱台型微结构，待用；
[0044] (2)铝镁合金丝材的制备：①将质量分数为纯镁锭10％、铝粉75％、铁基合金粉末15％加入到干燥的熔炼炉中，其中铁基合金粉末的质量百分比为：Cr：35.5、Mn：10、Si：5.2、B：4.5、Ni：4.0、Zn：2.7、C：3.8、Fe：余量；在温度为700℃～800℃条件下熔炼3～5h，得到铝镁合金熔液；②将步骤①得到的铝镁合金溶液在温度为650℃～700℃、铸造速度为3～
3.5mm/min、冷却水强度为0.1MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～20℃的条件下铸造成厚度为400～500mm的铝镁合金铸锭；③将步骤②得到的铝镁合金铸锭铣去表面的氧化皮，然后进行热段开呸、热轧盘圆、修磨、冷拉、真空退火一系列正常工序加工成直径为2mm的铝镁合金盘丝；④成品丝在无应力状态下，用酸和丙酮除丝材表面的氧化皮和污染物，干燥之后饶制在自动送丝机用的转盘上，待用；
[0045] (3)在铝镁合金结构件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为600μm，将铝镁合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；
[0046] (4)将自制的氩气保护装置放置在工作台上(如附图说明图1所示)，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氩气，纯度≥99.99％，流量为40L·min-1使腔内氧含量为80μL/L；
[0047] (5)开启焊接机器人，调出加工程序，输出功率12kW，，点击运行按钮，激光束按照预定的加工轨迹运行，扫描速度10mm/min；与此同时，送丝装置以速度为1000mm/min将铝镁合金丝材输送到电弧束产生的熔池中，形成与基材冶金结合的厚度为600μm的熔覆层；通过每一层的数控加工程序实现逐层熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆过后，焊枪头上升一定高度，高度一般对应该薄层厚度，焊枪头遵循第n层水平扫描，第n+1层垂直于第n层，第n+2层垂直于第n+1层，且与第n层的扫描方向相反，第n+3层垂直于第n+2层且与第n+1层的扫描方向相反，n为从1开始的整数一定的运行轨迹(如附图说明中图2所示)，循环往复，逐层堆积出一定几何形状的三维铝镁合金结构件。
[0048] 对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)未对基材表面进行微结构加工。
[0049] 对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(4)未通入惰性气体进行保护。
[0050] 产品检测：从实施例1-3获得的铝镁合金成形件外表面可看出其表面光洁，
颜色呈亮白色，形状规则，无宏观裂纹。将成形件做成截面分析其金相组织和扫描电镜SEM可知，铝合金成形件组织中无气孔和裂纹，组织均匀，层与层之间呈冶金结合。采用维氏硬度计测量硬度分别为808HV0.5、815HV0.5、817HV0.5。而对比例1与实施例1相比，成形件与基材的附着力差，强度低，易破损；对比例2与实施例1相比，铝合金成形件组织中有气孔和裂纹，组织分布不均匀。
[0051] 以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及
修改。本项发明的技术性范围并不局限于
说明书上的内容，必须要根据
权利要求范围来确定其技术性范围。
