使用機器人氣體保護金屬電弧焊增材制造可用于工業應用的金屬部件
時間：2020-03-23 09:18 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網3月23日訊，氣體保護金屬電弧焊（GMAW）增材制造是一種更實惠的金屬3D打印技術，具有較高的沉積速率，可用于制造中型和大型組件。來自越南Le Quy Don技術大學的一組研究 人員發表了一篇論文，標題為“基于氣體金屬電弧焊的金屬零件增材制造的初步研究”，主要研究3D零件的機械性能和內部質量使用GMAW機械手打印。
基于GMAW的技術具有更高的沉積速率，因此比氣體鎢極電弧焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）方法更適合于制造大尺寸的金屬零件。確保GMAW印刷零件的內部質量很高是很重要的，這就是為什么有必要更好地了解其微觀結構的原因-特別是當該零件在承重條件下使用時。由于該技術成本較低，因此在越南一直使用該技術，因此制造商應該了解該方法，以取得良好的效果。“因此，本研究的目的是研究通過基于GMAW的增材制造工藝制造的薄壁零件的內部質量。這項研究獲得的結果使我們能夠證明根據AM原理使用GMAW機器人制造或修理/再制造金屬零件的可行性。
圖1.（a）基于GMAW的增材制造系統的示意圖，（b）建造的薄壁樣品，（c）切割樣品的位置，＆（d）五個區域，用于觀察顯微組織并測量切割表面的硬度標本。
一個工業GMAW機器人使用電弧增材制造（WAAM）工藝，在低碳鋼基板上用低碳鋼銅焊絲制造了薄壁部件。 6軸機器人使用焊炬從基材上沉積層，您可以在下表中查看焊接工藝參數。
“ GMAW割炬與工件之間的距離為12毫米。沉積是在室溫下進行的，無需預熱基材。” Le解釋說。 “一旦完成了焊接層的沉積，焊炬將縮回至用于沉積下一層的起點，停留時間為60秒。在兩個連續層之間使用的停留時間旨在冷卻工件并將累積的熱量傳遞到環境中。”使用線切割放電加工（EDM）機從薄壁樣品中切割出兩組拉伸樣品，以便作者可以使用數字顯微硬度測試儀來測量建筑材料的硬度，并仔細觀察其硬度。用光學顯微鏡觀察微結構，并測試其拉伸性能。
圖2。拉伸試樣的尺寸。
Le寫道：“在切割這些標本之前，先對內置薄壁的兩個側面進行機械加工以獲得有效寬度的內置薄壁材料。”
圖3.在五個區域中觀察到的建筑材料的微觀結構：（a）上部區域，（b）中間區域，（c）下部區域，（d）熱影響區域（HAZ）和（e）基底區域。
在五個不同區域觀察到了樣品的微觀結構。上部區域具有三種類型的鐵素體晶粒，并且熱和高冷卻速率的變化很大，具有垂直于基體分布的“具有主要奧氏體枝晶的層狀結構”。中間區域有兩種晶粒，主要特征是“鐵素體的顆粒結構，在晶界處有少量的珠光體”。下部區域的冷卻速度比上部區域慢的顯微組織是由“均勻的鐵素體晶粒組成的，其中分布著薄的薄片并與薄的珠光體條共存”。這些晶粒比中間區域的晶粒細，因為此處的熱沖擊值較高。在熱影響區（HAZ）中，微觀結構從奧氏體轉變為馬氏體，而基底區具有鐵素體/珍珠巖帶狀微觀結構–與中間區“相的均勻分布”完全相反。
上表顯示了五個區域中的硬度（HV）測量。上部區域的HV最高，而中間區域的HV最低，并且HAZ的值略低于基底區域。樣品在拉伸機上進行了測試，Le還得出了工程應變-應力曲線。
基于GMAW的技術具有更高的沉積速率，因此比氣體鎢極電弧焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）方法更適合于制造大尺寸的金屬零件。確保GMAW印刷零件的內部質量很高是很重要的，這就是為什么有必要更好地了解其微觀結構的原因-特別是當該零件在承重條件下使用時。由于該技術成本較低，因此在越南一直使用該技術，因此制造商應該了解該方法，以取得良好的效果。“因此，本研究的目的是研究通過基于GMAW的增材制造工藝制造的薄壁零件的內部質量。這項研究獲得的結果使我們能夠證明根據AM原理使用GMAW機器人制造或修理/再制造金屬零件的可行性。
圖1.（a）基于GMAW的增材制造系統的示意圖，（b）建造的薄壁樣品，（c）切割樣品的位置，＆（d）五個區域，用于觀察顯微組織并測量切割表面的硬度標本。
一個工業GMAW機器人使用電弧增材制造（WAAM）工藝，在低碳鋼基板上用低碳鋼銅焊絲制造了薄壁部件。 6軸機器人使用焊炬從基材上沉積層，您可以在下表中查看焊接工藝參數。
“ GMAW割炬與工件之間的距離為12毫米。沉積是在室溫下進行的，無需預熱基材。” Le解釋說。 “一旦完成了焊接層的沉積，焊炬將縮回至用于沉積下一層的起點，停留時間為60秒。在兩個連續層之間使用的停留時間旨在冷卻工件并將累積的熱量傳遞到環境中。”使用線切割放電加工（EDM）機從薄壁樣品中切割出兩組拉伸樣品，以便作者可以使用數字顯微硬度測試儀來測量建筑材料的硬度，并仔細觀察其硬度。用光學顯微鏡觀察微結構，并測試其拉伸性能。
圖2。拉伸試樣的尺寸。
Le寫道：“在切割這些標本之前，先對內置薄壁的兩個側面進行機械加工以獲得有效寬度的內置薄壁材料。”
圖3.在五個區域中觀察到的建筑材料的微觀結構：（a）上部區域，（b）中間區域，（c）下部區域，（d）熱影響區域（HAZ）和（e）基底區域。
在五個不同區域觀察到了樣品的微觀結構。上部區域具有三種類型的鐵素體晶粒，并且熱和高冷卻速率的變化很大，具有垂直于基體分布的“具有主要奧氏體枝晶的層狀結構”。中間區域有兩種晶粒，主要特征是“鐵素體的顆粒結構，在晶界處有少量的珠光體”。下部區域的冷卻速度比上部區域慢的顯微組織是由“均勻的鐵素體晶粒組成的，其中分布著薄的薄片并與薄的珠光體條共存”。這些晶粒比中間區域的晶粒細，因為此處的熱沖擊值較高。在熱影響區（HAZ）中，微觀結構從奧氏體轉變為馬氏體，而基底區具有鐵素體/珍珠巖帶狀微觀結構–與中間區“相的均勻分布”完全相反。
上表顯示了五個區域中的硬度（HV）測量。上部區域的HV最高，而中間區域的HV最低，并且HAZ的值略低于基底區域。樣品在拉伸機上進行了測試，Le還得出了工程應變-應力曲線。
圖4。用兩個試樣TSv1和TSh1進行拉伸試驗：（a）將試樣安裝在拉伸試驗機上，（b）拉伸試驗后破碎的試樣，以及（d）工程應力-應變曲線。
“硬度（范圍在164±3.46 HV至192±3.81 HV之間），屈服強度（0.2％的YS偏移在340±2至349.67±1.53范圍內）和極限拉伸強度（UTS在429±1至477±范圍內） 2）基于GMAW的增材制造部件可與鍛造低碳鋼相比。”他解釋說。“由于建筑材料的微觀結構不均勻，垂直和水平樣品之間在YS和UTS方面也存在顯著差異。而且，通過基于GMAW的AM工藝制造的薄壁部件的機械性能與通過傳統工藝（例如鍛造和機加工）制造的零件的機械性能相當。”
中國3D打印網點評： 這項研究發現，基于GMAW的機器人AM制造的金屬部件“對于實際應用具有足夠的機械性能”。使用GMAW機器人對3D打印零件進行工業應用是可行的。
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