一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统及方法技术方案

本发明专利技术属于电弧增材制造领域，具体涉及一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统及方法。TIG焊机选择脉冲交流工作模式，起弧前，用毛刷在指定位置涂敷一层掺杂有纳米增强相的活性剂，起弧后，焊接机器人移动，通过活性剂控制TIG电弧形态，并将镁合金焊丝沿增材轨迹进行堆积；将焊枪在高度方向上抬高一个层高，将镁合金增材件最顶层的温度降至50～60℃，用毛刷在下一层的增材位置涂敷一层活性剂，焊枪起弧后进行下一层的熔融堆积；完成工件的沉积堆叠。本发明专利技术利用活性剂改变TIG电弧形态，增大增材熔深，改善镁合金电弧增材的层间熔合；同时纳米增强相独立存在于镁合金基体中，可以起到细化晶粒，减少第二相析出的作用，提高增材构件的力学性能。

A manufacturing system and method for Activating TIG arc additive of magnesium alloy

【技术实现步骤摘要】
一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统及方法
本专利技术属于电弧增材制造领域，具体涉及一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统及方法。
技术介绍
近年来，越来越多的行业提出减少能源消耗，提高有效载荷的发展方向，这就离不开材料的轻量化。镁合金密度小，比强度高，传热性好，对振动、冲击的吸收性好，是最轻的结构材料，因而是轻量化设计的理想材料。但是镁合金的晶体结构是密排六方(HCP)，其晶体的塑性变形能力较差，承受的变形量有限，这导致了其室温下冷加工性能较差。增材制造相比于传统的减材、等材制造技术具有形状不受限制，成形周期短等优点，所以业界开始关注镁合金增材制造技术。目前镁合金增材制造技术主要包括激光选区熔化、快速熔模铸造和电弧增材。现有的激光增材制造镁合金研究中，对于激光工艺参数的研究集中在激光器工艺参数上，通过控制变量法，确定几种工艺参数，改变一种或者多种其他工艺参数，通过观察加工过程中的现象以及研究成型试样的性能，达到对这几种工艺参数的研究。激光增材制造镁合金存在的主要问题是镁合金对激光的反射率大，增材能量利用率较低。快速熔模铸造传统意义上不属于增材制造领域，但是近年来，一些厂家在熔模制造环节引入增材制造技术，大大缩短了制作周期。熔模铸造与反重力铸造工艺相结合，有望应用于大型、复杂、薄壁镁合金构件的精密成形，大幅度减少加工余量，提高构件的表面质量与尺寸精度。相比于前两种增材方法，镁合金电弧增材还处于起步阶段，但是电弧增材具有效率高、成本低等优点。与激光选区熔化相比，电弧增材采用丝材作为增材填充材料，相比激光增材采用的镁合金粉末更加安全，镁合金粉末在处理不当的情况下易产生粉尘爆炸。与快速熔模铸造相比，电弧增材制造可以逐点逐层制造，每层的材料成分更加均匀，可以增材的材料结构也不受限制。镁合金电弧增材制造技术整体还处于起步阶段且存在较多问题。论文“电流对电弧增材制造AZ31镁合金成型与组织性能的影响”(DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2018.10.037)中施翰超等人进行了镁合金TIG电弧增材制造实验，研究了电流大小对于AZ31镁合金电弧增材成形质量的影响。采用电弧增材制造技术能够实现镁合金快速成形，不存在激光选区熔化镁合金时较难解决的镁合金能量利用率低和镁合金粉尘易燃易爆等问题，但是存在镁合金堆敷层熔深浅的问题，这主要是因为镁合金自身散热性能良好，热量在基板上快速传递，热量损失严重。较浅的熔深对于镁合金增材构件力学性能有影响。采用大电流进行增材可以一定程度上增加熔深，但是又会导致镁合金增材构件晶粒尺寸增大，晶粒尺寸偏大同样对于材料的力学性能产生不利影响。为了解决这些问题，需要一种既能增大熔深，同时也能细化晶粒的电弧增材制造方法。此外，近年来以镁合金为基体，颗粒增强的金属基复合材料越来越得到业界的重视。比相应的铝基复合材料的密度更低。制备工艺与颗粒增强铝基复合材料相似。主要包括搅拌复合、粉末冶金、压力浸渗和喷射共沉积工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统及方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统，包括送丝机，交流TIG焊机，镁合金基板，工作台，TIG焊枪，工业机器人；还包括冷却装置，活性剂涂覆机构和红外线温度传感器；所述冷却装置用于对镁合金增材件最顶层进行冷却；所述活性剂涂覆机构用于在待增材区域涂覆一层掺杂纳米增强相的活性剂；所述红外线温度传感器用于检测增材最顶层的温度。进一步的，所述冷却装置为水冷装置，所述水冷装置设置在镁合金基板的下方；所述活性剂涂覆机构为毛刷。一种利用上述的系统进行增材制造的方法，起弧前，在待增材区域涂敷一层掺杂纳米增强相的活性剂，起弧后，焊接机器人按规划的轨迹进行移动，通过活性剂控制TIG电弧形态；将增材的最顶层温度降至50～60℃，在下一层的增材位置涂敷一层掺杂纳米增强相的活性剂，焊枪起弧后进行下一层的熔融堆积；重复上述步骤，完成工件的增材制造。所述方法具体包括如下步骤：S1：用磨削机清理基板表面，用丙酮清洗基板去除油污，打开保护气瓶；S2：将纳米增强相混入活性剂里，活性剂液体采用无水乙醇，无水乙醇里按照增材结构件的性能要求置入所需量的活性剂颗粒和纳米增强相，活性剂颗粒与纳米增强相的成分配比为m1：m2＝α：β；S3：将三维实体零件模型图切片分层处理后导入控制系统中，控制系统根据切片分层计算生成焊接机器人行走轨迹；S4：用增材基板下的水冷装置对增材结构件进行降温，用红外线温度传感器检测增材结构件最顶层温度降至50～60℃；S5：用毛刷将活性剂涂敷到焊接机器人行走轨迹表面，涂敷密度为γmg/cm2，启动焊接机器人，TIG焊机设置为脉冲交流工作模式，预送气1S，焊接机器人起弧后按照预设轨迹进行移动，活性剂改变电弧形态，并将熔化的镁合金焊丝在指定位置进行堆积，同时控制系统控制送丝机构按照指定的速度输送焊丝进入熔融区域；S6：将焊枪在高度方向上抬高一个层高，然后按照步骤S5进行下一层的熔融堆积；S7：重复步骤S6，完成镁合金增材构件的沉积堆叠，停止焊枪的移动，同时进行熄弧和停止送丝机构的送丝；S8：在完成S7步骤后，保护气在延迟1S后停止送气，将焊枪移动到安全位置后，完成镁合金活化TIG电弧增材制造。进一步的，所述活性剂颗粒与纳米增强相的成分配比m1：m2＝α：β＝0.5～2；所述涂敷密度为γ＝2～6mg/cm2。进一步的，焊机交流电大小为80～140A，交流电频率为400Hz；焊机脉冲频率为5～20Hz，脉冲峰值占比为30％～60％，基值电流与峰值电流比为30％～60％。进一步的，送丝机送丝速度为1～3m/min，焊枪增材速度为2～7mm/s。进一步的，电弧增材制造过程中使用的保护气体是氩气。进一步的，采用的活性剂颗粒有氧化物、氯化物和氟化物，优选为TiO2，CaO，SiO2，ZrO2和NaCl。进一步的，采用的纳米增强相为粒径50～200nm的SiC颗粒，厚度10～20nm的石墨烯片或直径50～200nm的碳纤维。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：1、本专利技术的镁合金活化TIG电弧增材制造方法利用活性剂改变电弧形态，增大熔池熔深，改善镁合金增材构件的层间熔合。2、本专利技术的镁合金活化TIG电弧增材制造方法可以选择的活性剂范围广，选择合适的活性剂成分，可以补充增材过程中烧损的合金元素。3、本专利技术的镁合金活化TIG电弧增材制造方法利用纳米增强相作为形核核心，起到细化晶粒，抑制第二相析出的作用。4、本专利技术的镁合金活化TIG电弧增材制造方法利用金属液流驱动和电磁力搅拌纳米增强相，让纳米增强相在镁合金增材构件中均匀分布。5、本专利技术的镁合金活化TIG电弧增材制造方法利用水冷装置在每层增材结束后快速冷却，控制增材构件温度，一方面是因为活性剂中含有乙醇，需要将构件温度控制在乙醇沸点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统，包括送丝机(1)，交流TIG焊机(2)，镁合金基板(4)，工作台(6)，TIG焊枪(7)，工业机器人(8)；其特征在于，还包括冷却装置，活性剂涂覆机构和红外线温度传感器(11)；/n所述冷却装置用于对镁合金增材件最顶层进行冷却；/n所述活性剂涂覆机构用于在待增材区域涂覆一层掺杂纳米增强相的活性剂；/n所述红外线温度传感器(11)用于检测增材最顶层的温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种镁合金活化TIG电弧增材制造系统，包括送丝机(1)，交流TIG焊机(2)，镁合金基板(4)，工作台(6)，TIG焊枪(7)，工业机器人(8)；其特征在于，还包括冷却装置，活性剂涂覆机构和红外线温度传感器(11)；
所述冷却装置用于对镁合金增材件最顶层进行冷却；
所述活性剂涂覆机构用于在待增材区域涂覆一层掺杂纳米增强相的活性剂；
所述红外线温度传感器(11)用于检测增材最顶层的温度。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却装置为水冷装置(5)，所述水冷装置(5)设置在镁合金基板(4)的下方；
所述活性剂涂覆机构为毛刷。


3.一种利用权利要求1-2任一项所述的系统进行增材制造的方法，其特征在于，起弧前，在待增材区域涂敷一层掺杂纳米增强相的活性剂，起弧后，焊接机器人按规划的轨迹进行移动，通过活性剂控制TIG电弧形态；将增材的最顶层温度降至50～60℃，在下一层的增材位置涂敷一层掺杂纳米增强相的活性剂，焊枪起弧后进行下一层的熔融堆积；重复上述步骤，完成工件的增材制造。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：用磨削机清理基板表面，用丙酮清洗基板去除油污，打开保护气瓶；
S2：将纳米增强相混入活性剂里，活性剂液体采用无水乙醇，无水乙醇里按照增材结构件的性能要求置入所需量的活性剂颗粒和纳米增强相，活性剂颗粒与纳米增强相的成分配比为m1：m2＝α：β；
S3：将三维实体零件模型图切片分层处理后导入控制系统中，控制系统根据切片分层计算生成焊接机器人行走轨迹；
S4：用增材基板下的水冷装置对增材结构件进行降温，用红外线温度传感器检测增材结构件最顶层温度降至50～60℃；
S5：用毛刷将活性剂涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：范霁康，朱科宇，王克鸿，杨东青，彭勇，李晓鹏，周琦，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32