一种大幅提高构件低温韧性的埋弧增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种大幅提高钢材冲击韧性的埋弧增材制造方法，包括：采用埋弧热源作为增材热量的来源，整个构件和加热电弧都需要埋藏在焊剂之中，保证层间温度不低于200℃。本发明专利技术采用埋弧热源对钢材进行增材制造，其独特的多重焊接热循环诱导的内生性热处理作用使整个构件的组织得到了显著细化，各向异性问题彻底消除，特别是还获得了优异的低温冲击韧性。在大壁厚复杂钢制构件的快速制造中有着广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种大幅提高构件低温韧性的埋弧增材制造方法
本专利技术涉及增材制造
，特别是涉及一种能够大幅提高钢制构件低温冲击韧性的埋弧增材制造方法。
技术介绍
目前常见的增材制造方法根据热源种类的不同可以分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造三大类。其中激光增材制造整个过程需要在惰性气体保护仓内完成，熔覆效率低、制造成本高以及致密度不足等缺陷；虽然电子束熔丝增材制造可大幅提高熔覆效率，但需要在真空室因而也限制了大型构件的加工；常规的电弧熔丝增材制造技术虽然在熔覆效率上比激光增材工艺提升了大约一个数量级，最高可达到1.0kg/h的熔覆效率，但是继续提升熔覆速度，由于液态熔池流淌问题而受到了限制，而且侧壁成形质量也随着热输入的增加而急剧恶化。另外，目前的电弧增材工艺，由于熔池固有的外延生长模式导致了比较严重的各向异性和晶粒粗大等问题，严重削弱了增材构件的整体性能。为此，需要提供一种能够克服上述传统增材制造存在的构件尺寸受限、熔敷效率低、组织性能各向异性等问题，不受加工零件尺寸限制，熔敷效率高的增材制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有增材制造技术存在的构件尺寸受限、熔敷效率低、组织性能各向异性等问题，本专利技术提供了一种利用埋弧热源进行增材制造方法，即埋弧增材制造，该方法不仅大幅提升了增材制造的生产效率，而且用于钢质构件的增材制造时，由于独特的内生性热处理效应，可以获得组织均匀细小而且低温冲击韧性特别优异的产品。一种大幅提高钢材冲击韧性的埋弧增材制造方法，包括：>将基板固定于水平的工作台上，控制系统生成电弧增材的加工程序，工作参数和路线坐标；在起弧前预设时间内开启焊剂输送装置，使焊剂预先流入埋弧焊枪，采用埋弧热源作为熔化材料的热量来源用，开始起弧，所述埋弧焊枪同轴输送熔化材料和焊剂至基板形成一沉积层；其中，所述埋弧焊枪按照所述加工程序，工作参数和路线坐标运动进行增材制造；当前层沉积结束后，熄弧，并停止送丝/带，清理凝固后的焊渣后，更新起点坐标，按照往返路径开始下一层的起弧，送丝/带，沉积过程，直至完成增材制造。加热热源与现有的电弧增材工艺普遍采用气体保护的明弧作为增材热源的技术方案不同，为了保证增材效率和侧壁成形质量，采用埋弧热源作为增材制造中熔化材料的热量来源；选用低碳钢和抗拉强度在980MPa级以下的低合金钢作为填充材料，整个增材制造过程中构件、基板和加热电弧都需要埋藏在与填充材料匹配的焊剂之中；增材制造过程中，在开始熔融新的一层金属时，要保证形成的增材主体的层间温度，即已沉积的金属温度，不低于200℃，当低于该温度时需要再次加热至该温度；根据增材制造形成的增材主体的工艺的要求，在增材过程之前对基板进行预热至200℃以上；根据增材制造形成的增材主体的工艺要求，单层熔覆金属的厚度不超过4.0mm；当对增材构件壁厚小于50mm的构件进行埋弧增材时，选用的原材料为直径为2-6mm的埋弧焊丝，工作电流范围为400A～700A，机头运动速度为0.3-1.0m/min。当增材构件壁厚大于等于50mm时，选用的原材料为宽度40mm以上的带极埋弧焊材，电流范围为700A～1250A，机头运动速度为10～25cm/min。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：一、本专利技术所述的埋弧熔丝/带极增材制造方法因为采用埋弧热源并且采用了远高于传统埋弧焊的层间最低温度的控制策略，使得每层熔覆金属会受到后续熔覆层强烈的焊接热循环作用的影响，这种热循环的峰值温度、峰值温度持续时间以及循环次数都远高于传统的焊接过程，它诱导增材构件的每层金属都产生了一种内生性的热处理效果，这种内生性热处理的结果使得构件的显微组织演变的均匀而且细小，特别是其低温冲击韧性得到了大幅度的提升。二、本专利技术所述的埋弧熔丝增材制造方法，因采用埋弧焊常用的大直径焊丝或是带极取代了现有明弧增材采用的小直径焊丝，采用的焊接热输入也显著增大。这会增大焊接热效率的同时也使熔覆效率显著提高，其熔覆效率不小于2.0kg/小时。三、本专利技术所述的埋弧熔丝增材制造方法不存在真空仓与固定工作台的限制，成本低，可加工大、中型零件，突破了常规增材件中小尺寸的限制；四、本专利技术所述的埋弧熔丝/带极增材制造方法在保证大热输入，高熔覆效率的同时，由于埋弧焊剂熔化-凝固后形成的渣壳可以有效阻挡熔融金属流淌，因此可保证加工零件具有良好的侧壁成型。附图说明图1为本专利技术所示的加工设备局部示意图；图2为本专利技术的实施例1的所加工低碳钢零件的加工实例图；图3为本专利技术所加工低碳钢零件中部组织放大200倍的金相照片；图4为本专利技术所加工低碳钢零件中部在-60℃下的夏比冲击示波曲线；其中图4a为层间温度不低于200℃时的冲击曲线，图4b为层间温度不高于80℃时的冲击曲线。其中：1.焊丝盘，带极盘；2.焊丝，带极；3.焊剂输送装置；4.电机；5.埋弧焊焊枪；6.工作台。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。本专利技术所述的熔化材料包括焊丝和带极。其中，带极也称为焊带。实施例1：采用埋弧焊丝制作的低碳钢零件。本实施例描述通过本专利技术所述的埋弧增材制造方法制作低碳钢零件的过程。如图1所示，所采用的设备包括：焊丝盘/带极盘，电源(图中未显示)，焊剂输送装置，电机，工作台和控制装置。具体按照如下步骤完成：将基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后水平固定在工作台6上；通过控制系统编写埋弧增材工作程序并设定具体工作参数；采用牌号为GBH08MnA(EM12K)的直径为4.0mm的焊丝，牌号为OKFLUX10.62(AWSA5.17)的配套焊剂。所述工作参数为：电源为直流电源，极性为直流反接，设定工作电流为490A，电弧电压为27V，机头运动速度为0.4m/min。首先，在起弧前5s先将埋弧焊剂输送装置3开关打开，使焊剂预先流入起始工作位置的基板上，以确保电弧是在焊剂内部引燃；第二，接通电源，开始起弧，此时焊丝2从焊丝盘1中经过电机4机头上的传动轮的带动下送入电弧区被电弧迅速熔化后沉积到基板上。第三，在焊丝不断送进形成沉积层的同时，埋弧焊焊枪5的机头以0.4m/min的速度前进并同轴输送埋弧焊剂。第四，每层沉积结束后，切断电源，电弧熄灭后迅速清理焊剂渣壳。第五，机头运动到新的起始位置后，按照往返路径(如图1所示)开始下一层的沉积。依次类推……直至最终第67道完成后结束，得到如图2所示的总高度约104mm，总长度255mm的单壁墙，其中单焊道宽度21mm，单层高度小于等于1.56mm。应注意在整个增材过程中，增材件主体的层间温度不能低于200℃，整个增材过程确保沉积后的金属始终在焊剂的保护下逐层累加至实体零件，即完成增材制造过程。当已成型的增材件主体的层间温度低于200℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大幅提高钢材冲击韧性的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将基板固定于水平的工作台上，控制系统生成电弧增材的加工程序，工作参数和路线坐标；/n在起弧前预设时间内开启焊剂输送装置，使焊剂预先流入埋弧焊枪，采用埋弧热源作为熔化材料的热量来源，开始起弧，所述埋弧焊枪同轴输送熔化材料和焊剂至基板形成一沉积层；其中，所述埋弧焊枪按照所述加工程序，工作参数和路线坐标运动进行增材制造；/n当前层沉积结束后，熄弧，并停止送丝/带，清理凝固后的焊渣后，更新起点坐标，按照往返路径开始下一层的起弧，送丝/带，沉积过程，直至完成增材制造；/n其中，整个增材制造过程中构件、基板以及加热电弧区都需要埋藏在焊剂之中，在增材制造过程中，形成的增材主体的层间温度不低于200℃。/n

【技术特征摘要】
1.一种大幅提高钢材冲击韧性的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
将基板固定于水平的工作台上，控制系统生成电弧增材的加工程序，工作参数和路线坐标；
在起弧前预设时间内开启焊剂输送装置，使焊剂预先流入埋弧焊枪，采用埋弧热源作为熔化材料的热量来源，开始起弧，所述埋弧焊枪同轴输送熔化材料和焊剂至基板形成一沉积层；其中，所述埋弧焊枪按照所述加工程序，工作参数和路线坐标运动进行增材制造；
当前层沉积结束后，熄弧，并停止送丝/带，清理凝固后的焊渣后，更新起点坐标，按照往返路径开始下一层的起弧，送丝/带，沉积过程，直至完成增材制造；
其中，整个增材制造过程中构件、基板以及加热电弧区都需要埋藏在焊剂之中，在增材制造过程中，形成的增材主体的层间温度不低于200℃。


2.根据权利要求1所述的埋弧增材制造方法，其特征在于，增材制造过程中，在开始熔融新的一层熔化材料时，当已成型的增材主体的层间温度低于200℃时，加热至该温度及以上。...

【专利技术属性】
技术研发人员：程方杰，李宇航，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12