[发明专利]双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法

权利要求书

1.双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征是：采用双丝分层堆积来制造颗粒增强金属基复合材料零件，所述的双丝为药芯焊丝和金属焊丝，其具体步骤为：

A、制备药芯焊丝：采用轧拔法制备药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和外壳，药芯为陶瓷粉末和金属粉末的混合物，外壳为金属基体；

制备药芯焊丝前，采用球磨法将陶瓷粉末和金属粉末充分混合，陶瓷粉末和金属粉末的体积比根据零件颗粒增强相的目标体积含量决定，为保证陶瓷粉末被金属粉末包围，金属粉末与陶瓷粉末的体积比大于2；

B、程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立零件的三维模型，该模型不仅包含零件的几何信息，还包括陶瓷颗粒密度在空间上的变化；随后，利用切片软件依据零件的CAD模型进行分层切片处理，规划并获得零件的堆积路径，生成机器人运动和送丝速度的控制代码；

C、堆焊前材料预处理：堆焊前对金属基板进行表面打磨并清除氧化皮和油污，并根据目标复合材料的不同，选择与目标复合材料相配的药芯焊丝和金属焊丝，然后对药芯焊丝和金属焊丝进行烘干处理，冷却至室温待用；

D、堆焊前等离子焊枪和热丝装置的准备：在焊机上设置适合金属焊丝的焊接参数，将金属基板固定在工作台上，将等离子焊枪、金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构分别安装在机器人手臂上，焊机的正极与金属基板连接，负极与等离子焊枪的电极连接，药芯焊丝加热电源的正极与金属基板连接，负极与药芯焊丝加热送丝机构连接；

E、开始堆焊：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构来调整金属焊丝和药芯焊丝的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构从等离子焊枪前方将金属焊丝送至等离子弧的弧柱区域，置于等离子弧正下方，吸收等离子弧主要热量，金属焊丝融化形成熔池，药芯焊丝加热送丝机构将药芯焊丝加热至180℃～220℃后开始送丝，药芯焊丝的送丝时间要延迟1～2秒，在金属焊丝形成熔池后，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入熔池中，吸收等离子弧次要热量，插入深度为2～3mm，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入，一方面避开等离子弧的弧柱高温中心，避免药芯焊丝中的药芯被过早熔化，另一方面将药芯焊丝送至熔池内部，便于药芯焊丝外壳熔化后药芯在金属流体动力作用下向整个熔池扩散；

F、逐层堆积成形：在控制代码的控制下，机器人驱动等离子焊枪按照既定轨迹进行逐层堆积，轨迹运行完成后，堆积获得颗粒增强的金属基复合材料零件；

堆积过程中亦能够通过改变药芯焊丝的送丝速度获得陶瓷颗粒浓度在空间位置上的变化；

G、零件后处理：根据金属基复合材料零件的冶金特性，选择合适的热处理方法，提高零件的整体力学性能，然后对零件表面精度要求高的区域进行切削加工，达到表面粗糙度的要求。

2.如权利要求1所述的双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征是：所述的金属粉末和陶瓷粉末的粉末粒径为5～150μm；

所述的药芯焊丝的直径为1.2～2.4mm，外壳的厚度为0.3～0.8mm；

所述的陶瓷粉末为氧化铝或者是碳化硅或者是碳化钛或者是二硼化钛；

所述的金属粉末为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料；

所述的外壳金属基体为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料；

所述的金属焊丝直径为1.2～2.4mm，材质为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

3.如权利要求1或2所述的双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征是：堆焊过程中，不同金属焊丝适用不同的焊接参数，同时，为了便于药芯焊丝插入熔池，堆焊过程采用有利于形成较大体积熔池的焊接参数；

所述的焊接参数包括：焊接电流为120～250A，焊接速度为50～120mm/min，金属焊丝的送丝速度为1.6～3.6m/min，药芯焊丝的送丝速度为金属焊丝送丝速度的10%～60%，等离子弧气体流量0.5～1.5L/min，氩气保护气体流量10～20L/min。