CN110508901B - 电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法 - Google Patents

电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电弧增材制造应急修复船舶受损Al‑Mg系铝合金构件的方法，包括以下步骤：1)检测待修复船舶的损伤区域，确定待修复船舶损伤区域的特征尺寸参数，并规划增材修复路径，同时计算所需增材的焊道数量，确定焊道的特征尺寸，确定修复工艺参数；2)对待修复船舶损伤区域进行预处理；3)以熔化极气体保护焊电弧为热源，以铝合金焊丝为填充材料，采用氮气作为保护气体，按照规划的增材修复路径进行增材制造修复，其中，增材沉积一个道次后，则对沉积层表面进行打磨，然后再进行下一道次的增材沉积，直至完成全部道次的增材沉积为止，该方法能够利用氮气作为保护气体通过电弧增材制造应急修复船舶受损Al‑Mg系铝合金构件。

Description

电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法
技术领域
本发明属于铝合金电弧增材制造修复领域，涉及一种电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法。
背景技术
电弧增材制造是以金属丝材为原材料，以熔化极气体保护焊接、钨极气体保护焊接以及等离子焊接电源产生的电弧为热源，采用“离散-堆积”原理，将金属丝材逐层堆积，最终成型。其中熔化极气体保护电弧增材成型效率高、成本低，应用前景广阔。电弧增材制造修复是在电弧增材制造的基础上，通过对受损部位进行测量，构建受损部位模型，进行路径规划，随后进行电弧增材制造修复。将电弧增材制造修复技术与损伤模型重构技术相集成，对重要设备实现伴随保障是当今各国在增材制造修复领域所关注的热点。
Al-Mg系(5系)铝合金具有良好的耐腐蚀性能，密度低，抗拉强度高，延伸率高，焊接性能好，广泛应用于船舶和船载装备的制造。5356铝合金焊丝与Al-Mg系合金具有很好的冶金相容性，强度高，耐腐蚀性优良，是5系铝合金焊接、修复过程中应用较多的焊丝。
在大型船舶远洋航行中船舶和船载装备的一些铝合金构件发生受损，需要及时进行应急现场维修。以熔化极气体保护焊电弧为热源进行铝合金的增材制造修复所使用的保护气主要为氩气、氦气，氩气、氦气主要储存在笨重的高压气瓶之中，在应急修复时无法大量携带、移动不便，并且船舶远洋航行常常需要数月，当氩气、氦气用完时无法及时补充。因此，在船舶远洋航行过程中利用氮气发生器现场制备氮气作为电弧增材制造保护气，进行受损铝合金构件的增材制造修复将大大减小对空间、人力的占用以及对氩气、氦气等惰性气体的依赖，实现受损铝合金构件现场临时性的应急增材制造修复。目前市场上销售的的便携式氮气发生器所制备的氮气纯度在99％-99.999％范围内，且纯度可根据需求调节。
Ar、He与N2的物理、化学性质不同，使得氮气作为电弧增材制造保护气与氩气、氦气作为电弧增材制造保护气时电弧特性有很大差异，且两种保护气下焊道成型有很大不同，因此对于氮弧焊接热源特性、铝合金氮弧增材制造参数的研究很有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法，该方法能够利用氮气作为保护气体通过电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件。
为达到上述目的，本发明所述的电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法包括以下步骤：
1)检测待修复船舶的损伤区域，确定待修复船舶损伤区域的特征尺寸参数，并规划增材修复路径，同时计算所需增材的焊道数量，确定焊道的特征尺寸，根据焊缝的尺寸确定修复工艺参数；
2)对待修复船舶损伤区域进行预处理；
3)以熔化极气体保护焊电弧为热源，以铝合金焊丝为填充材料，采用氮气作为保护气体，按照规划的增材修复路径进行增材制造修复，其中，增材沉积一个道次后，则对沉积层表面进行打磨，以露出金属光泽，然后再进行下一道次的增材沉积，直至完成全部道次的增材沉积为止，完成电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件。
铝合金焊丝为5356铝合金焊丝。
步骤3)中的氮气采用氮气发生器从空气中分离得到，且氮气的纯度为99％-99.999％，所述氮气经焊枪喷嘴连续输送至增材区域。
步骤3)中，焊接过程中采用的电源为直流MIG模式的电源，铝合金焊丝的直径为1.2mm，增材制造修复时的电流范围为97A-112A，电压范围为16.2V-17.4V，焊枪行走速度范围为200mm/分钟-350mm/分钟，氮气的流量为10L/分钟-15L/分钟。
当增材制造修复时电流范围为97A-112A，电压范围为16.2V-17.4V，焊枪行走速度范围为200mm/分钟-350mm/分钟时，氮气保护单层单道堆积时的焊缝宽度及焊缝余高与电流、电压、焊枪行走速度之间的对应关系为：
焊缝宽度＝0.15779-0.1195*焊枪行走速度+0.09094*电源电流+0.07379*电源电压；
焊缝余高＝3.53727-0.0649*焊枪行走速度+0.03049*电源电流-0.03488*电源电压。
步骤2)的具体操作为：对待修复船舶损伤区域进行打磨后用丙酮清洗，以去除待修复船舶损伤区域表面的氧化层及油污，使其露出金属光泽。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法在具体操作时，修复现场所携带氩气及氦气等惰性保护气不足情况下，利用氮气作为保护气体对受损Al-Mg系铝合金构件进行及时有效的临时性应急修复，在修复过程中，根据氮气保护单层单焊道的焊接参数及焊缝的尺寸确定修复工艺参数，使得能够利用氮气作为保护气体通过电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件。
附图说明
图1a为氮气保护增材制造部位的取样位置图；
图1b为氩气保护增材制造部位的取样位置图；
图1c为相同参数下氮气保护与氩气保护增材制造部位的拉伸曲线图；
图2为氮气保护电弧增材制造界面处显微形貌图；
图3a为氮气保护增材制造部位的拉伸断口形貌图；
图3b为氩气保护增材制造部位的拉伸断口形貌图；
图4a为氮气保护增材制造显微维氏硬度取样位置示意图；
图4b为氩气保护增材制造显微维氏硬度取样位置示意图；
图4c为相同参数下氮气保护与氩气保护增材制造显微维氏硬度值对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法包括以下步骤：
1)检测待修复船舶的损伤区域，确定待修复船舶损伤区域的特征尺寸参数，并规划增材修复路径，同时计算所需增材的焊道数量，确定焊道的特征尺寸，根据焊缝的尺寸确定修复工艺参数；
2)对待修复船舶损伤区域进行预处理；
步骤2)的具体操作为：对待修复船舶损伤区域进行打磨后用丙酮清洗，以去除待修复船舶损伤区域表面的氧化层及油污，使其露出金属光泽。
3)以熔化极气体保护焊电弧为热源，以铝合金焊丝为填充材料，采用氮气作为保护气体，按照规划的增材修复路径进行增材制造修复，其中，增材沉积一个道次后，则对沉积层表面进行打磨，以露出金属光泽，然后再进行下一道次的增材沉积，直至完成全部道次的增材沉积为止，完成电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件。
铝合金焊丝为5356铝合金焊丝。
步骤3)中的氮气采用氮气发生器从空气中分离得到，且氮气的纯度为99％-99.999％，所述氮气经焊枪喷嘴连续输送至增材区域。
步骤3)中，焊接过程中采用的电源为直流MIG模式的电源，铝合金焊丝的直径为1.2mm，增材制造修复时的电流范围为97A-112A，电压范围为16.2V-17.4V，焊枪行走速度范围为200mm/分钟-350mm/分钟，氮气的流量为10L/分钟-15L/分钟。
当增材制造修复时电流范围为97A-112A，电压范围为16.2V-17.4V，焊枪行走速度范围为200mm/分钟-350mm/分钟时，氮气保护单层单道堆积时的焊缝宽度及焊缝余高与电流、电压、焊枪行走速度之间的对应关系为：
焊缝宽度＝0.15779-0.1195*焊枪行走速度+0.09094*电源电流+0.07379*电源电压；
焊缝余高＝3.53727-0.0649*焊枪行走速度+0.03049*电源电流-0.03488*电源电压。
氩气保护单层单道堆积时焊缝宽度及焊缝余高与电流、电压、焊枪行走速度之间的对应关系为：
焊缝宽度＝-15.30726-0.0951*焊枪行走速度+0.1702*电源电流+0.57473*电压；
焊缝余高＝6.72969-0.06302*焊枪行走速度+0.0187*电源电流-0.19297*电压。
在参数范围内，相同参数条件下，氮气保护相比于氩气保护单层单道堆积时焊缝宽度更小、焊缝余高更大。
修复对象是船舶和船载装备上广泛使用的Al-Mg系铝合金构件，填充材料是综合力学性能优异且与Al-Mg系铝合金具有很好冶金相容性的5356铝合金焊丝。
实施例一
电弧增材制造铝合金薄壁件，基板为3mm厚5083铝合金，，对基板打磨并用丙酮清洗，去除表面氧化层及油污，以熔化极气体保护焊电弧为热源，采用体积分数为99.99％的氮气作为保护气，以直径为1.2mm的5356铝合金焊丝作为填充材料，采用KEMPPI SYN400型焊机，选用直流MIG模式。根据所需焊道特征尺寸，依据氮气保护单层单道焊接参数与焊缝尺寸之间的对应关系，确定修复工艺参数为：电流102A，电压16.6V，焊枪行走速度300mm/min，保护气流量为13L/min，干伸长为13mm，根据规划的扫描路径进行单道多层堆积，堆积一层后等待5分钟进行下一道次的堆积，每堆积一层后使用钢丝刷对沉积层表面进行清理，使其露出金属光泽，随后进行下一道次的堆积，直至堆积完成。
为进一步说明氮气保护增材制造的效果，采用体积分数为99.99％氩气作为保护气进行增材制造，其余参数与氮气保护增材制造一致。
参照国家标准在增材制造部分切取拉伸试样，拉伸试样取样位置如图1a及图1b所示，测试力学性能；采用扫描电子显微镜观察拉伸断口；采用光学显微镜观察修复界面；采用显微维氏硬度计测试增材件硬度，测试方法为从基板底部至增材件顶部，每隔0.5mm测试一个数据点，图4a、图4b分别为氮气保护与氩气保护增材制造显微维氏硬度测试取样位置示意图。两种保护气下力学性能参数见表1，拉伸曲线参见图1c，氮气保护增材件抗拉强度达到氩气保护增材件抗拉强度的82.8％，屈服强度超过氩气保护增材件屈服强度，达到氩气保护增材件屈服强度的111.5％，塑性为氩气保护增材件的21.6％。图2为氮气保护电弧增材制造界面处显微组织，增材区与基体为冶金结合，界面处无裂纹。氮气保护与氩气保护拉伸断口形貌如图3a及图3b所示，氮气保护增材件拉伸断口显示其断裂形式为韧性脆性混合型断裂方式；氩气保护增材件拉伸断口显示其断裂形式为韧性断裂。图4c为氮气保护与氩气保护增材制造显微维氏硬度值，氮气保护增材件平均硬度值为83.7HV，氩气保护增材件平均硬度值为74.8HV。
表1
Figure BDA0002203408590000081

Claims (3)

1.一种电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)检测待修复船舶的损伤区域，确定待修复船舶损伤区域的特征尺寸参数，并规划增材修复路径，同时计算所需增材的焊道数量，确定焊道的特征尺寸，根据焊缝的尺寸确定修复工艺参数；
2)对待修复船舶损伤区域进行预处理；
3)以熔化极气体保护焊电弧为热源，以铝合金焊丝为填充材料，采用氮气作为保护气体，按照规划的增材修复路径进行增材制造修复，其中，增材沉积一个道次后，则对沉积层表面进行打磨，以露出金属光泽，然后再进行下一道次的增材沉积，直至完成全部道次的增材沉积为止，完成电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件；
步骤3)中的氮气采用氮气发生器从空气中分离得到，且氮气的纯度为99％-99.999％，所述氮气经焊枪喷嘴连续输送至增材区域；
步骤3)中，焊接过程中采用的电源为直流MIG模式的电源，铝合金焊丝的直径为1.2mm，增材制造修复时电流范围为97A-112A，电压范围为16.2V-17.4V，焊枪行走速度范围为200mm/分钟-350mm/分钟时，氮气的流量为10L/分钟-15L/分钟，氮气保护单层单道堆积时的焊缝宽度及焊缝余高与电流、电压、焊枪行走速度之间的对应关系为：
焊缝宽度＝0.15779-0.1195*焊枪行走速度+0.09094*电源电流+0.07379*电源电压；
焊缝余高＝3.53727-0.0649*焊枪行走速度+0.03049*电源电流-0.03488*电源电压。
2.根据权利要求1所述的电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法，其特征在于，铝合金焊丝为5356铝合金焊丝。
3.根据权利要求1所述的电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：对待修复船舶损伤区域进行打磨后用丙酮清洗，以去除待修复船舶损伤区域表面的氧化层及油污，使其露出金属光泽。
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