双相不锈钢的电弧增材制造及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种双相不锈钢的电弧增材制造及测试方法，使用TIG焊枪作为增材制造过程中热源、WF

【技术实现步骤摘要】
双相不锈钢的电弧增材制造及测试方法
[0001]
:本专利技术涉及双相不锈钢金属增材制造领域，特别涉及到一种电弧增材双相不锈钢焊道预测及成形方法。
[0002]
技术介绍
：双相不锈钢同时具有铁素体的高强度，奥氏体良好的韧性和延展性以及耐腐蚀能力好的特点，因此双相不锈钢被广泛的应用在工业、海洋工程和航空航天等重点领域；双相不锈钢屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性，具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。
[0003]增材制造（Additive Manufacture, AM）技术是通过电脑辅助设计（CAD）设计数据将三维图形分层处理材料逐层扫描累加的方法制造实体零的技术由其原理出发可以通过多种材料形式进行快速成型得到所需各种复杂零件。
[0004]金属增材制造有粉末和丝材两种主要类型，西安交通大学的张林杰通过使用自制的双相不锈钢粉末，在2205双相不锈钢基板上进行了激光熔覆实验激光增材制造（LAM）技术，可以修复损坏的零件，还可以增强材料表层性能；缺点是加工环境要求苛刻，零件尺寸受限；激光选区烧结技术（SLS）效率高，零件构建时间短，但致密度低，力学性能较差；选择性激光熔化（SLM）虽然适用于高精密零件的加工，但涉及工艺参数复杂，成本高，耗时长且易产生球化，多孔进一步导致宏观裂纹的产生。常见双相不锈钢加工专利有北京科技大学的杨林和宏兴钢铁股份有限公司大都数是基于冷轧或退火酸洗等工艺的研究，并未完全脱离传统金属加工的方法；以上SLS和SLM增材制造方法并不适用在大型零件的加工且相关专利未见应用于双相不锈钢材料，因双相不锈钢被广泛应用在应用在大型容压器、船体储物仓以及航空航天燃料箱等大型构件，双相不锈钢电弧增材制造的方法相比其它金属增材制造方法在于以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形，但是影响焊道质量因素众多且具有交互作用，因此满足金属结构制造成本及可靠性要求的同时，在大型机械工件制造和修复的路径、整体化特种制造和智能制造的发展方向有着卓越的前景，因而电弧增材制造技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种电弧增材双相不锈钢焊道预测及成形方法，对单层焊道的工艺参数作为输入，焊道熔宽余高作为输出，提供一种解决现有双相不锈钢在需定制的大型零件、户外现场修复技术路径以及工艺参数选取差异的问题。
[0006]本专利技术采用如下技术方案实现上述目的：本专利技术双相不锈钢的电弧增材制造及测试方法，其特征在于：设备的使用：使用TIG焊枪作为增材制造过程中热源、WF
‑
007A型多功能送丝机以及KUKA机器人组成的增材制造实验平台；电弧增材制造熔丝采用直径为1.2 mm的ER2209双
相不锈钢，焊枪采用直柄焊枪并且方向始终垂直于增材沉积方；送丝机采用脉冲送丝模式以减少残余应力的累积； TIG焊枪设定自左向右的加工路径，自左开始起弧加工进行单层沉积，到达右边后熄弧焊枪向上提高一定高度再起弧进行第二层的增材，如此往复实现单层多道的加工过程；调整焊枪的位置参数，其中TIG焊枪钨丝伸出喷嘴长度为3 mm
‑
5 mm，钨极距离加工基板保持3 mm
‑
4 mm，送丝前端与水平方向呈20
°‑
30
°
夹角，开始加工前对基板进行100 ℃预热10
‑
15秒钟；制造的具体步骤如下：1)焊前准备：进行增材制造之前，将基板用打磨机打磨干净并露出金属光泽，然后用75 %的无水乙醇进行擦拭，去除表面油污和杂物去除干净，在清洗干净的2小时之内进行试验，以避免新的氧化物等和脏污产生。
[0007]2)试验平台的搭建：在工作台上堆焊的基板使用夹具固定，以垂直基板方向为电弧增材制造加工行进方向，TIG焊枪自左向右水平方向移动，采用直柄焊枪并且方向始终垂直于增材沉积方；送丝机采用脉冲送丝模式；3）记录、测算单层单道的工艺参数，利用三维扫描仪采集与之对应的熔宽与余高；基于以上记录的参数BP神经网络结构，选取3
‑
12
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1的拓扑结构，隐含层选取Tansig为激励函数和输出层选取Purelin函数，训练次数设定为1000，学习率为0.1，期望误差为，将以上参数设定代入MATLAB语言编程得出训练结果；根据以上BP神经网络的拓扑结构及参数设定，计算PSO的维数；种群数N设定在10
‑
50之间，作为一种例子，选取N=40；初始权重及终止权重分别为，；总迭代次数为G=100；学习因子==2；将以上的训练及预测结果进行对比并通过宏观观察确定最优工艺参数为保护气的流量为10 L/min
‑
15 L/min、送丝速度200 cm/min、焊接速度为24 cm/min和焊接电流为160 A。
[0008]以TIG焊枪设定自左向右的加工路径，自左开始起弧加工进行单层沉积，到达右边后熄弧点焊枪，并向上提高一定高度再起弧自右向左进行第二层的增材，如此往复实现单层多道的加工过程；其中TIG焊枪钨丝伸出喷嘴长度为3 mm，钨极距离加工基板保持3 mm，送丝前端与水平方向呈30度夹角，开始加工前对基板进行100 ℃预热15秒钟。
[0009]4)设置工艺参数：采用TIG焊枪，KUKA机器人，设定保护气为氩气，保护气的流量为10 L/min
‑
15 L/min、送丝速度200 cm/min、焊接速度为24 cm/min和焊接电流为160 A；5）通过电弧增材制造所得构件制备测试试样：取出10 mm
×
10 mm
×
10 mm的正方体试样进行抗腐蚀能力的检测，与双相不锈钢铸件数据进行对比，依次使用600、1000、1500、2000和3000目砂纸对上述取样进行打磨使表面没有明显的裂纹缺陷，继而进行试验观察断口相貌，腐蚀后表面相貌的观察。
[0010]进一步的，上述ER2209双相不锈钢焊丝化学成分比为C≤0.03、Mn≤2.00、P≤
0.03、S≤0.03、Si≤0.90、Ni: 7.50
‑
9.50、Cr: 21.50
‑
23.50、Mo: 2.50
‑
3.50、N: 0.08
‑
0.20。
[0011]进一步的，在电弧增材制造过程中在KUKA机器人手臂前端将TIG焊枪与送丝嘴通过可调三维夹具进行连接构建成完整的电弧增材系统。
[0012]进一步的，上述单层焊道的成形是电弧增材制造逐层堆积成形的基础，采用PSO
‑
BP神经网络预测焊道成形。
[0013]进一步的，通过3D扫描仪测得焊道三维形貌，及测得焊道熔宽与余高，其次测的加工墙体的横纵方向力学性能，横纵方向力学性能指标有：拉伸强度、屈服强度和伸长率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双相不锈钢的电弧增材制造及测试方法，其特征在于：设备的使用：使用TIG焊枪作为增材制造过程中热源、WF
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007A型多功能送丝机以及KUKA机器人组成的增材制造实验平台；电弧增材制造熔丝采用直径为1.2 mm的ER2209双相不锈钢，焊枪采用直柄焊枪并且方向始终垂直于增材沉积方；送丝机采用脉冲送丝模式以减少残余应力的累积； TIG焊枪设定自左向右的加工路径，自左开始起弧加工进行单层沉积，到达右边后熄弧焊枪向上提高一定高度再起弧进行第二层的增材，如此往复实现单层多道的加工过程；调整焊枪的位置参数，其中TIG焊枪钨丝伸出喷嘴长度为3 mm
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5 mm，钨极距离加工基板保持3 mm
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4 mm，送丝前端与水平方向呈20
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30
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夹角，开始加工前对基板进行100 ℃预热10
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15秒钟；制造的具体步骤如下：1)焊前准备：进行增材制造之前，将基板用打磨机打磨干净并露出金属光泽，然后用75 %的无水乙醇进行擦拭，去除表面油污和杂物去除干净，在清洗干净的2小时之内进行试验，以避免新的氧化物等和脏污产生；2)试验平台的搭建：在工作台上堆焊的基板使用夹具固定，以垂直基板方向为电弧增材制造加工行进方向，TIG焊枪自左向右水平方向移动，采用直柄焊枪并且方向始终垂直于增材沉积方；送丝机采用脉冲送丝模式；3）记录、测算单层单道的工艺参数，利用三维扫描仪采集与之对应的熔宽与余高；基于以上记录的参数BP神经网络结构，选取3
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1的拓扑结构，隐含层选取Tansig为激励函数和输出层选取Purelin函数，训练次数设定为1000，学习率为0.1，期望误差为，将以上参数设定代入MATLAB语言编程得出训练结果；根据以上BP神经网络的拓扑结构及参数设定，计算PSO的维数；种群数N设定在10
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50之间，作为一种例子，选取N=40；初始权重及终止权重分别为，；总迭代次数为G=100；学习因子==2；将以上的训练及预测结果进行对比并通过宏观观察确定最优工艺参数为保护气的流量为10 L/min
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15 L/min、送丝速度20...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑开魁，姚传旭，向红亮，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：