CN107470620B - 法兰件的电弧增材制造方法 - Google Patents

法兰件的电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种法兰件的电弧增材制造方法，包括：选择基板、丝材、保护气体以及设备；采用电弧增材制造方法在基板上由内向外以螺旋路径完成多层多道的堆积完成法兰件底面、下颈部的制作；在下颈部上以环形路径完成多层单道的堆积完成法兰件上颈部的制作，控制层道间的温度、电流、搭接率、行径速度；切除基板的多余部分，进行固溶处理，控制温度、恒温时间，水冷。本发明摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束，成型的坯件只需少量精加工，大大简化加工工序，缩短产品制造周期，可实现定制方式的个性化生产，所成型的法兰件无损检测质量合格，金属纯净，组织和塑韧性得到优化，各向异性现象得到改善，性能满足同类锻件的质量和性能要求。

Description

法兰件的电弧增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种法兰件的电弧增材制造方法。
背景技术
目前我国核电机组运行周期超过20年，由于核电服役工况复杂，对部件提出了在极端条件下长寿期安全服役的要求，而法兰部件作为管道系统的重要组成，要承受高温、高压、腐蚀等环境，因此不可避免地会发生腐蚀、冲蚀等损伤乃至需要更换，而这种更换很多情况下是非计划的，且无备件可用。
传统的法兰部件采用钢锭冶炼、铸造、锻造等方式成型，并进行辅助热处理及最终的机加工，最终性能达到技术要求，但传统方法制造工序繁多、生产周期长，且由于检修阶段产品需求数量少，难以形成批量化生产，导致单个部件的生产成本高、生产周期长，必然会导致电厂机组检修周期延长，会严重影响电厂运行的经济性。
增材制造作为一种快速成型的技术，由于其制造柔性化程度高、成型周期短、加工速度快等优点，已广泛应用于航空航天等领域，以激光熔敷和激光选区熔化成型制造方式为主，但该类方法受设备内空间和效率的限制，不适于法兰件等大型构件的增材制造，而电弧增材制造方法可解决空间和效率问题，适用于大型构件的制作。
由于复杂的高温、高压、腐蚀环境和成本考虑，核电厂大量采用了不锈钢，电弧增材制造方法制造不锈钢法兰件，首先需要解决因为热量累计和不锈钢导热性差带来的焊道塌陷问题；其次是解决不锈钢堆积热裂纹问题；第三由于金属增材制造试件存在各项异性，一般是堆积行进方向X向及与其同平面且垂直的Y向强度高、塑韧性低，而堆积厚度方向Z向的强度低、塑韧性好，堆积态金属一般难以达到法兰锻件的质量及性能要求，需要通过热处理优化组织性能达到降低强度、提高塑韧性的目标，因此需要重点解决保证X、Y向塑韧性提升的同时，Z向强度不能低于法兰锻件材料标准规定的要求，使其各向组织性能同时满足法兰锻件材料的性能要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种法兰件的电弧增材制造方法，应用于电站法兰件应急备件的制造。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种法兰件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
（1）、选择所需的基板、丝材、保护气体以及设备；
（2）、采用离线编程对法兰件进行分层切片，规划制造法兰件的行径路径；
（3）、采用电弧增材制造方法在基板上由内向外以螺旋路径完成一层多道的堆积，上升一个高度重复螺旋路径进行逐层累积，完成法兰件底面、下颈部的制作；在下颈部上以环形路径完成一层单道的堆积，上升一个高度重复环形路径进行逐层累积，完成法兰件上颈部的制作，并且控制层道间的温度不超过120℃，电流范围在110A-200A，搭接率在30-60%，行径速度在0.3-1.0m/min；
（4）、切除基板的多余部分，对工件进行固溶处理，固溶处理温度：1000-1100℃，恒温时间：1.5h-2h分钟，h为法兰件底面的壁厚，水冷。
优选地，所述的电弧增材制造方法包括：在丝材和基板的基材间产生电弧，依靠电弧热作用熔化丝材和基材形成液态熔池，丝材端部形成的熔滴接触熔池后，电弧熄灭、电流减小，焊丝与熔池发生短路后丝材回抽，熔滴过渡至熔池；熄灭的电弧重新在丝材端部引燃，熔滴的不断熔入熔池并凝固完成制作。
优选地，在进行法兰件底面、下颈部的制作时：电流范围在150A-200A，搭接率在30-60%，行进速度在0.4-1.0m/min；在进行上颈部的制作时：电流范围在110A-150A，无搭接，行进速度在0.4-1.0m/min。
优选地，所述的丝材为超低碳不锈钢ER316L丝材，其直径Φ0.80-1.20mm，碳含量不超过0.03%，硫含量不超过0.005%，以提高金属的抗晶间腐蚀及抗热裂纹能力。
优选地，所述的基板为不锈钢基板，也可以选用其他材料的基板，不同材质基板的成型件的切除加工余量不同。
优选地，所述的保护气体为氩气和氧气的混合气体，加入氧气可稳定阴极斑点，克服单纯氩气保护产生的阴极漂移现象，氧气作为氧化性气体可降低液态金属表面张力，提高了电弧稳定性及熔池流动性，进而提高焊道成型质量。
优选地，所述的设备采用电弧增材制造柔性机器人平台，所述的电弧增材制造柔性机器人平台包括机器人CMT焊接系统、变位机，机器人CMT焊接系统无飞溅、低热输入，保证产品质量的稳定性。
优选地，在步骤（3）后对工件进行超声波检测有无未熔合、气孔及裂纹等缺陷。
优选地，在步骤（4）后对工件进行机加工形成最终的法兰件。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束，成型的坯件只需少量精加工，大大简化加工工序，缩短产品制造周期，可实现定制方式的个性化生产，所成型的法兰件无损检测质量合格，金属纯净，组织和塑韧性得到优化，各向异性现象得到改善，性能满足同类锻件的质量和性能要求。
附图说明
附图1为带颈法兰的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
一种法兰件的电弧增材制造方法，本实施例制造的法兰件如图1所示主要包括地底面10、下颈部11以及上颈部12，具体包括如下步骤：
选择所需的基板、丝材、保护气体以及设备，其中：
丝材选择符合NB/T20009.7、ASME SFA5.9或RCC-M S2000标准，直径Φ0.80-1.20mm，碳含量不超过0.03%、硫含量不超过0.005%的超低碳ER316L丝材，以提高金属的抗晶间腐蚀及抗热裂纹能力。基板为不锈钢基板，可以采用与丝材相同型号的不锈钢，也可以选用其他材料的基板，不同材质基板的成型件的切除加工余量不同。
保护气体为氩气Ar和氧气O2的混合气体，更适用于不锈钢，降低液态金属表面张力，稳定电弧，增加液体流动性，由此提高成型质量。
设备采用电弧增材制造柔性机器人平台，电弧增材制造柔性机器人平台包括机器人CMT焊接系统、变位机，机器人CMT焊接系统无飞溅、低热输入，保证产品质量的稳定性。
采用电弧增材制造方法，具体为在丝材和基板的基材间产生电弧，依靠电弧热作用熔化丝材和基材形成液态熔池，丝材端部形成的熔滴接触熔池后，电弧熄灭、电流迅速减小，热输入量大幅降低，焊丝与熔池发生短路后丝材回抽，熔滴过渡至熔池；熄灭的电弧重新在丝材端部引燃，通过熔滴的不断熔入熔池与凝固形成金属。
通过逆向工程或尺寸输入、离线编程分层切片，从优化残余应力及成型质量等角度规划行进路径，在本实施例中：按此方法在基板上由内向外以螺旋路径完成一层多道的堆积，上升一个高度重复螺旋路径进行逐层累积，完成法兰件底面、下颈部的制作，从焊道成型数学模型和工艺包中选取150-200A的电流，搭接率选择30%-60%，机器人行进速度为0.4-1.0m/min，实施螺旋式多道多层堆积，监视道与道、层与层之间的成型质量；在下颈部上以环形路径完成一层单道的堆积，上升一个高度重复环形路径进行逐层累积，完成法兰件上颈部的制作，从焊道成型数学模型和工艺包中选取110A-150A的电流，机器人行进速度为0.4-1.0m/min，实施环形单道多层堆积，监视层与层之间的成型质量。为控制金属组织性能，并防止热输入累积导致的焊道塌陷，将层道间温度控制在不超过120℃范围。
工件进行超声波检测有无未熔合、气孔及裂纹等缺陷。切除基板的多余部分，对工件进行固溶处理，消除残余应力，改善组织与性能，固溶处理温度：1000℃-1100℃，恒温时间：1.5h-2h分钟，h为法兰件底面的壁厚，水冷。采用机加工方式少量加工形成最终的法兰件。
实施例1：
现制造DN65不锈钢316L法兰，离线编程实现法兰分层切片及行进路径，选择316L基板，氩气+氧气混合气保护，底面和下颈部采用150-180A电流、机器人行进速度0.5-0.7m/min、搭接率40%-50%进行螺旋式堆积，上颈部采用120-150A电流、机器人行进速度0.5-0.7m/min进行堆积，每层进行清洁打磨处理，监控层道间温度，开启冷却装置，随着打印的进行，冷却装置水位逐步上升，保持温度低于120℃。
打印完成后切除多余基板，打磨进行超声波无损检测，未发现裂纹、气孔及未熔合等缺陷，试件整体进炉进行1000-1080℃固溶处理。
法兰解剖后进行力学性能测试，室温抗拉强度≥480MPa，室温屈服强度≥175MPa，断后伸长率A≥40%，断面收缩率≥60%，硬度≤200 HV，满足GB/T 1220-2007标准中022Cr17Ni12Mo2（316L同类钢）钢的性能要求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、选择所需的基板、丝材、保护气体以及设备；
（2）、采用离线编程对法兰件进行分层切片，规划制造法兰件的行进路径；
（3）、采用电弧增材制造方法在基板上由内向外以螺旋路径完成一层多道的堆积，上升一个高度重复螺旋路径进行逐层累积，完成法兰件底面、下颈部的制作；在下颈部上以环形路径完成一层单道的堆积，上升一个高度重复环形路径进行逐层累积，完成法兰件上颈部的制作，并且控制层道间的温度不超过120℃，电流范围在110A-200A，行进速度在0.3-1.0m/min，在进行法兰件底面、下颈部的制作时，搭接率在30-60%，在进行上颈部的制作时，无搭接；
（4）、切除基板的多余部分，对工件进行固溶处理，固溶处理温度：1000-1100℃，恒温时间：1.5h-2h分钟，h为法兰件底面的壁厚，h单位为mm，水冷。
2.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：所述的电弧增材制造方法包括：在丝材和基板的基材间产生电弧，依靠电弧热作用熔化丝材和基材形成液态熔池，丝材端部形成的熔滴接触熔池后，电弧熄灭、电流减小，丝材与熔池发生短路后丝材回抽，熔滴过渡至熔池；熄灭的电弧重新在丝材端部引燃，熔滴不断熔入熔池并凝固完成制作。
3.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：在进行法兰件底面、下颈部的制作时：电流范围在150A-200A，行进速度在0.4-1.0m/min；在进行上颈部的制作时：电流范围在110A-150A，行进速度在0.4-1.0m/min。
4.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：所述的丝材为超低碳不锈钢ER316L丝材，其直径Φ0.80-1.20mm，碳含量不超过0.03%，硫含量不超过0.005%。
5.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：所述的基板为不锈钢基板。
6.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：所述的保护气体为氩气和氧气的混合气体。
7.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：所述的设备采用电弧增材制造柔性机器人平台，所述的电弧增材制造柔性机器人平台包括机器人CMT焊接系统、变位机。
8.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：在步骤（3）后对工件进行超声波检测有无未熔合、气孔、裂纹。
9.根据权利要求1所述的法兰件的电弧增材制造方法，其特征在于：在步骤（4）后对工件进行机加工形成最终的法兰件。
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