CN110238558A - 电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属粉芯丝材及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢节点制造加工相关技术领域，并公开了一种电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属粉芯丝材，该金属粉芯丝材由合金粉芯、以及将合金粉芯包裹的钢带共同组成；所述合金粉芯按照以质量百分比的多种材料配置而成：金属镍粉10％～14％，钼铁粉2％～6％，铌铁粉0.5％～1.5％，钛铁粉0.5％～1.5％，金属铬粉4％～6％，铜粉2％～4％，硅铁粉4％～8％，电解锰粉12％～16％，镁粉0.4％～0.8％，其余为还原铁粉。本发明还公开了相应的制备方法及多向钢节点产品。通过本发明，实际测试表明，可提供良好的强韧性和堆积工艺性能，因而尤其适用于引入电弧熔丝增材制造来加工高性能大型钢结构多向钢节点的应用场合。

Description

电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属粉芯丝材及制备方法

技术领域

本发明属于钢节点制造加工相关技术领域，更具体地，涉及一种电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属粉芯丝材及制备方法。

背景技术

在建造高层建筑、巨型海洋平台、大型桥梁等钢结构时，需要许多不同结构形式的多向钢节点。多向钢节点一般由多个不同朝向、不同尺寸的圆管件或箱形体构成。多向钢节点用于承受不同方向的力，一旦失效就造成整个大型钢结构的破坏，其为现代大型钢结构中的关键构件。

目前，大型钢结构多向钢节点的制造方法有铸造和焊接两种。但这些现有制造方法均无法很好地满足大型钢结构多向钢节点的更高质量要求。具体而言，当采用铸造方法制造多向钢节点时，易产生缩松、缩孔等缺陷；而采用焊接方法制造多向钢节点时，可操作空间小，可焊到性差，质量难保证。

为此，可以考虑引入增材制造技术、更具体而言是电弧熔丝增材制造来加工大型钢结构多向钢节点。这主要是基于以下的原因：一方面，电弧熔丝增材制造是利用电弧热熔化金属丝材，并通过层层堆积熔化金属丝材实现构件的制造，其生产效率高、成本低，不仅可成形任意结构形式的构件，而且它作为小熔池冶炼，能有效地避免铸造多向钢节点的缩孔、缩松等缺陷；另一方面，电弧熔丝增材制造可避免焊接方法制造多向钢节点操作空间小，可焊到性差，质量难以保证的不足。因此电弧熔丝增材制造是制造高性能大型钢结构多向钢节点的一种值得深入研究的解决方案。

然而，进一步的研究表明，电弧熔丝增材制造多向钢节点的强韧性和抗环境腐蚀性能等主要取决于金属丝材，当引入电弧熔丝增材制造多向钢节点时，它所采用的金属丝材不仅要求堆积金属具有良好的强韧性和抗环境腐蚀性能，而且应具有适合电弧熔丝工艺的多项工艺性能。检索发现，现有技术中目前并没有专用于电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属丝材。相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究，以便解决电弧熔丝增材制造多向钢节点时无法回避的这一技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明不仅考虑引入电弧熔丝增材制造来加工高性能大型钢结构多向钢节点的基本思路，而且进一步紧密结合多向钢节点的构造特性及电弧熔丝增材制造的工艺特征，针对性提出了适用于电弧熔丝增材制造多向钢节点的新型金属粉芯丝材，同时对其制造工艺路线及配方设计机理设计等多方面做出了研究，相应所获得的丝材具有良好的强韧性、抗环境腐蚀性、屈服强度不低于460MPa，同时具有良好的堆积工艺性能，因而尤其适用于高层建筑、巨型海洋平台、大型桥梁之类大型钢结构的多向钢节点加工制造场合。

相应地，按照本发明的一个方面，提供了一种电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属粉芯丝材，其特征在于：

该金属粉芯丝材由合金粉芯、以及将合金粉芯包裹的钢带共同组成；

所述合金粉芯按照以质量百分比的多种材料配置而成：金属镍粉 10％～14％，钼铁粉2％～6％，铌铁粉0.5％～1.5％，钛铁粉0.5％～1.5％，金属铬粉4％～6％，铜粉2％～4％，硅铁粉4％～8％，电解锰粉12％～16％，镁粉 0.4％～0.8％，其余为还原铁粉。

以上构思的配方设计及作用机理主要是基于以下多个方面，期望达到的主要目的是确保这种金属型粉芯丝材在电弧熔丝增材制造多向刚接过的堆积过程中电弧稳定、飞溅小、提高韧性，同时具备适宜的强度：

第一、电弧熔丝增材制造是一个往复加热的过程，已成形的部分会受到后续的电弧热作用成为热影响区，晶粒发生粗化，使得成形构件的韧性下降。相应地，本发明中引入特定比例的Nb、Ti主要是用于促进碳化物的形成，细化晶粒，提高堆积金属的韧性；更具体而言，这些关键元素在电弧熔丝增材过程中易形成NbC、TiC、(Nb,Ti)C质点，阻碍晶粒长大，细化晶粒，同时NbC、TiC、(Nb,Ti)C的熔点高、热稳定性好，在热影响区中的NbC、TiC、(Nb,Ti)C不会发生熔化，能够阻碍奥氏体晶界的迁移，避免热影响区晶粒粗化，细化晶粒，提高热影响区的韧性。

第二、电弧的稳定性是影响电弧熔丝增材制造多向钢节点的重要因素之一。本发明中通过引入特定比例的Mg，它作为碱土金属易发生电离失去电子，使电弧中有大量的电子，较多的实际测试表明，该关键元素可提高电弧熔丝增材制造过程中电弧的稳定性，飞溅小(实际测试可低于2％)。

第三、堆积过程中氧含量的控制同样是影响电弧熔丝增材制造多向钢节点的另一重要因素。本发明中通过引入特定比例的关键元素Si、Mn，它们可作为脱氧剂控制堆积金属中氧的含量。这样一方面Si、Mn的脱氧产物形成的夹杂物(以及NbC、TiC、(Nb,Ti)C质点)，能够作为针状铁素体的形核核心来诱导针状铁素体形成，细化晶粒，提高堆积金属的强度和韧性，另一方面，Si、Mn元素还有助于可以控制熔滴中的含氧量，细化熔滴成为小颗粒过渡，相应提高电弧稳定性。

第四、本发明还通过添加一些辅助元素如Ni、Mo、Cr等来进一步改善金属材料强度和耐腐蚀性能。例如，在发明的粉芯丝材中，选择Ni、Mo 固溶强化来提高堆积金属的强度，另外通过Cr来提高金属的电极电位，提高耐腐蚀性能；Cu具有杀菌作用，可以提高金属耐微生物腐蚀的能力。这些强度和耐腐蚀性能对于高层建筑、巨型海洋平台、大型桥梁的多向钢节点来说同样具备重要意义。此外，还原铁粉在本发明的金属粉芯丝材中主要起到平衡作用。

优选地，对于上述金属粉芯丝材而言，所述合金粉芯的填充料优选为 15％±0.5％。

优选地，上述金属粉芯丝材的直径优选被拉拔为1.0mm或1.2mm。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的金属粉芯丝材制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1、按照设计的质量百分比将各金属粉末进行称重，将配置好的金属粉末倒入搅拌机中混合、搅拌；

S2、将混合均匀后的粉末放置于烘箱中，加热到80℃～100℃，保温 1～2小时进行烘干处理，得到合金粉芯；

S3、将钢带压制形成U型槽，然后将所述合金粉芯加入到U型槽中进行卷制，并获得具备第一直径的丝材；

S4、在丝材拉拔机上，将卷制成第一直径的丝材多次拉拔，直到具备第二直径的金属型粉芯丝材，该第一直径小于该第一直径。

优选地，在步骤S3中，所述第一直径优选为5.6mm；在步骤S4中，所述第二直径优选为1.2mm或1.0mm。

按照本发明的又一方面，还提供了相应的大型钢结构多向钢节点产品。

优选地，该多向钢节点产品的力学性能如下：抗拉强度550～720MPa，屈服强度450～600MPa，20℃的常温冲击韧性不低于90J，-20℃的低温冲击韧性不低于70J，构件横向与纵向的力学性能差在5％以内。

优选地，该多向钢节点优选用于高层建筑、巨型海洋平台或大型桥梁。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明不仅提出电弧熔丝增材制造来加工高性能大型钢结构多向钢节点的基本思路，而且进一步针对性对该应用场合的新型金属粉芯丝材从配方设计及相互作用机理等方面进行了改进，相应所制得的金属型粉芯丝材可通过堆积过程中多种合金元素的物理-化学冶金作用，具有良好的强韧性和耐腐蚀性能，同时堆积过程中电弧稳定，飞溅小；

2、较多的实际测试表明，按照本发明所制得的多向钢节点的力学性能如下：抗拉强度550～720MPa，屈服强度450～600MPa，常温(20℃)冲击韧性不低于90J，低温(-20℃)冲击韧性不低于70J，构件横向与纵向的力学性能差在5％以内。在5％中性氯化钠溶液中保持24h，电弧增材制造构件的腐蚀率为0.15mm/a，耐腐蚀性良好；

3、本发明的金属型粉芯丝材用于电弧熔丝增材制造的多向钢节点具有良好的强韧性和抗环境腐蚀的性能；堆积过程中电弧稳定，飞溅小，因而尤其适用于电弧熔丝增材制造高层建筑、巨型海洋平台、大型桥梁等钢结构的多向钢节点应用场合。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合多个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如前面“背景技术”所分析地，电弧熔丝增材制造是制造高性能大型钢结构多向钢节点的一种值得考虑的解决方式，但目前缺乏对其专用丝材的针对性研究。本发明中对金属型粉芯丝材中各合金元素的冶金行为和在金属材料中的作用进入了深入研究，并充分借助于堆积过程中合金元素的多种物理-化学冶金作用，相应地，本发明所提出的新型金属型粉芯丝材在采用电弧熔丝增材制造多向钢节点的过程中，不仅具有良好的强韧性和耐腐蚀性能，而且堆积过程中电弧稳定，飞溅小。

本发明的电弧熔丝增材制造大型钢结构多向钢节点的金属型粉芯丝材由粉芯和钢带组成。粉芯中包含金属镍粉、钼铁粉、铌铁粉、钛铁粉、金属铬粉、铜粉、硅铁粉、电解锰粉、镁粉和还原铁粉。其中，利用Ni、Mo 固溶强化，保证堆积金属的强度；利用Nb、Ti形成碳化物细化晶粒，提高堆积金属的韧性；利用Cr、Cu提高堆积金属的耐腐蚀性能；利用Si、Mn联合脱氧，控制堆积金属中氧的含量；利用Mg保证堆积过程中电弧的稳定性。

更具体而言，该金属粉芯丝材由合金粉芯、以及将合金粉芯包裹的钢带共同组成；其中，所述合金粉芯按照以质量百分比的多种材料配置而成：金属镍粉10％～14％，钼铁粉2％～6％，铌铁粉0.5％～1.5％，钛铁粉0.5％～1.5％，金属铬粉4％～6％，铜粉2％～4％，硅铁粉4％～8％，电解锰粉12％～16％，镁粉0.4％～0.8％，其余为还原铁粉。

本发明还提出了相应的金属粉芯丝材制备工艺方法，其主要步骤如下：

S1、按照设计的质量百分比将各金属粉末进行称重，将配置好的金属粉末倒入搅拌机中混合、搅拌；

S2、将混合均匀后的粉末放置于烘箱中，加热到80℃～100℃，保温 1～2小时进行烘干处理，得到合金粉芯；

S3、将钢带压制形成U型槽，然后将所述合金粉芯加入到U型槽中进行卷制，并获得具备第一直径的丝材；

S4、在丝材拉拔机上，将卷制成第一直径的丝材多次拉拔，直到具备第二直径的金属型粉芯丝材，该第一直径小于该第一直径。

然后，可选定适宜的电流、电压、电弧枪移动速度、保护气类型及气体流量、弧焊电源，将制备的金属型粉芯丝材用于多向钢节点的电弧熔丝增材制造。

下面将通过一些具体实施例来更为详细地解释本发明。

实施例1

一种电弧熔丝增材制造大型钢结构多向钢节点的金属型粉芯丝材，是由厚度为1.0mm，宽度为12mm的市售SPCC冷轧钢带，包裹15％的多种合金粉，填充率波动范围不超过0.5％。金属型粉芯丝材的粉芯中各合金粉的重量百分比如下表一所示：

成分	比例/％	成分	比例/％	成分	比例/％
						金属镍粉	10	钼铁粉	2	铌铁粉	0.5
钛铁粉	0.5	金属铬粉	4	铜粉	2
						硅铁粉	4	电解锰粉	12	镁粉	0.4
还原铁粉	64.6

表一

此外，作为示范性说明，在本实施例1-3中，金属镍粉譬如可选用市售含镍量不低于99.95wt.％；钼铁粉譬如可选用市售含钼量为60wt.％；铌铁粉譬如可选用市售含铌量为50wt.％；钛铁粉譬如可选用市售含钛量为 30wt.％；金属铬譬如可选用市售含铬量不低于99.5wt.％；铜粉譬如可选用市售含铜量不低于99.5wt.％；硅铁粉譬如可选用市售含硅量为75wt.％；电解锰粉譬如可选用市售含锰量不低于99.5wt.％；镁粉譬如可选用市售含镁量不低于99.95wt.％；还原铁粉譬如可选用市售的含铁量不低于99.99wt.％。上述所有合金粉的粒度例如可选择为60～80目。

其具体制备方法过程如下：

首先按照上述表中各合金粉的重量百分比进行称重，将配置好的合金粉倒入搅拌机中混合、搅拌；

接着，将混合均匀后的合金粉放置于烘箱中，加热到80℃，保温1小时进行烘干处理；

接着，在金属型粉芯丝材生产线上，将合金粉加入到压制成的U型槽的钢带中，卷制成直径为5.6mm的丝材，金属型粉芯丝材的填充率为14.5％；包裹合金粉的钢带为市售的厚度为1.0mm，宽度为12mm的SPCC冷轧钢带。

最后，在拉拔机上，经过多次的拉拔成直径为1.2mm的金属型粉芯丝材。

在本实施例1中，可用福尼斯TPS4000弧焊电源增材制造多向钢节点，堆积电流为180A，电压为20V，电弧枪移动速度为8mm/s，保护气为纯二氧化碳，气体流量为15L/min。

所对应的多向钢节点的化学成分如下表二所示：

元素	C	Ni	Mo	Nb	Ti	Cr	Cu	Si	Mn	Mg	S	P
													wt.％	0.05	1.00	0.20	0.05	0.02	0.20	0.20	0.10	1.50	0.014	0.01	0.01

表二

对于最终所制得的多向钢节点而言，其力学性能测试结果如下表三：

表三

实施例2

一种电弧熔丝增材制造大型钢结构多向钢节点的金属型粉芯丝材，是由厚度为1.0mm，宽度为12mm的市售SPCC冷轧钢带，包裹15％的多种合金粉，填充率波动范围不超过0.5％。金属型粉芯丝材的粉芯中各合金粉的重量百分比如下表四所示：

成分	比例/％	成分	比例/％	成分	比例/％
						金属镍粉	12	钼铁粉	4	铌铁粉	1
钛铁粉	1	金属铬粉	5	铜粉	3
						硅铁粉	6	电解锰粉	14	镁粉	0.6
还原铁粉	53.4

表四

其具体制备方法过程如下：

首先，按照上述表中各合金粉的重量百分比进行称重，将配置好的合金粉倒入搅拌机中混合、搅拌；

接着，将混合均匀后的合金粉放置于烘箱中，加热到80℃，保温1.5 小时进行烘干处理；

接着，在金属型粉芯丝材生产线上，将合金粉加入到压制成的U型槽的钢带中，卷制成直径为5.6mm的丝材，金属型粉芯丝材的填充率为15％；

最后，拉拔机上，经过多次的拉拔成直径为1.0mm的金属型粉芯丝材；

此外，可采用山东奥太弧焊电源MAG-350RL增材制造多向钢节点，电弧熔丝增材制造电流为185A，电压为21V，电弧枪移动速度为7mm/s，保护气为纯二氧化碳，气体流量为18L/min；

所制得的多向钢节点的化学成分如下表五所示：

表五

对于最终所制得的多向钢节点而言，其力学性能测试结果如下表六：

表六

实施例3

一种电弧熔丝增材制造大型钢结构多向钢节点的金属型粉芯丝材，是由厚度为1.0mm，宽度为12mm的市售SPCC冷轧钢带，包裹15％的多种合金粉，填充率波动范围不超过0.5％。金属型粉芯丝材的粉芯中各合金粉的重量百分比如下表七所示：

成分	比例/％	成分	比例/％	成分	比例/％
						金属镍粉	14	钼铁粉	6	铌铁粉	1.5
钛铁粉	1.5	金属铬粉	6	铜粉	4
						硅铁粉	8	电解锰粉	16	镁粉	0.8
还原铁粉	42.2

表七

其具体制备方法过程如下：

首先，按照上述表中各合金粉的重量百分比进行称重，将配置好的合金粉倒入搅拌机中混合、搅拌；

接着，将混合均匀后的合金粉放置于烘箱中，加热到80℃，保温2小时进行烘干处理；

接着，在金属型粉芯丝材生产线上，将合金粉加入到压制成的U型槽的钢带中，卷制成直径为5.6mm的丝材，金属型粉芯丝材的填充率为15.5％；

最后，在拉拔机上，经过多次的拉拔成直径为1.2mm的金属型粉芯丝材。

此外，可采用福尼斯TPS4000弧焊电源增材制造多向钢节点，电弧熔丝增材制造电流为190A，电压为21V，电弧枪移动速度为6mm/s，保护气为纯二氧化碳，气体流量为20L/min。

相应所制得的多向钢节点的化学成分如下表八所示：

表八

对于最终所制得的多向钢节点而言，其力学性能测试结果如下表九：

表九

综上，本发明的金属型粉芯丝材用于电弧熔丝增材制造的多向钢节点具有良好的强韧性和抗环境腐蚀的性能；堆积过程中电弧稳定，飞溅小。电弧熔丝增材制造的大型钢结构多向钢节点的力学性能：抗拉强度 550～720MPa，屈服强度450～600MPa，常温(20℃)冲击韧性不低于90J，低温(-20℃)冲击韧性不低于70J，构件横向与纵向的力学性能差在5％以内。因此，发明的金属型粉芯丝材尤其适用于电弧熔丝增材制造高层建筑、巨型海洋平台、大型桥梁等钢结构的多向钢节点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电弧熔丝增材制造多向钢节点的金属粉芯丝材，其特征在于：

该金属粉芯丝材由合金粉芯、以及将合金粉芯包裹的钢带共同组成；

所述合金粉芯按照以质量百分比的多种材料配置而成：金属镍粉10％～14％，钼铁粉2％～6％，铌铁粉0.5％～1.5％，钛铁粉0.5％～1.5％，金属铬粉4％～6％，铜粉2％～4％，硅铁粉4％～8％，电解锰粉12％～16％，镁粉0.4％～0.8％，其余为还原铁粉。

2.如权利要求1所述的金属粉芯丝材，其特征在于，所述合金粉芯的填充料优选为15％±0.5％。

3.如权利要求1或2所述的金属粉芯丝材，其特征在于，上述金属粉芯丝材的直径优选被拉拔为1.0mm或1.2mm。

4.一种用于制备如权利要求1-3任意一项所述金属粉芯丝材的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1、按照设计的质量百分比将各金属粉末进行称重，将配置好的金属粉末倒入搅拌机中混合、搅拌；

S2、将混合均匀后的粉末放置于烘箱中，加热到80℃～100℃，保温1～2小时进行烘干处理，得到合金粉芯；

S3、将钢带压制形成U型槽，然后将所述合金粉芯加入到U型槽中进行卷制，并获得具备第一直径的丝材；

S4、在丝材拉拔机上，将卷制成第一直径的丝材多次拉拔，直到具备第二直径的金属型粉芯丝材，该第一直径小于该第一直径。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第一直径优选为5.6mm；在步骤S4中，所述第二直径优选为1.2mm或1.0mm。

6.大型钢结构多向钢节点产品，其特征在于，该多向钢节点产品采用如权利要求1-3任意一项所述的金属粉芯丝材而加工制得。

7.如权利要求6所述的大型钢结构多向钢节点产品，其特征在于，该多向钢节点产品的力学性能如下：抗拉强度550～720MPa，屈服强度450～600MPa，20℃的常温冲击韧性不低于90J，-20℃的低温冲击韧性不低于70J，构件横向与纵向的力学性能差在5％以内。