CN110523980B - 一种三通管件的电熔增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三通管件的电熔增材制造方法，以碳钢管道为基体，以低碳微合金丝材、颗粒状氧化物与卤化物为原材料，以电弧热、电阻热、电渣热复合作为高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，在基材上按设定轨迹逐层堆积形成三通主管，在主管上打印支管和马鞍形过渡区，通过热处理和机加工最终形成三通管件的制造方法。本方法制作的大型三通，不受三通厚度、直径的影响，不需重新开模，在小批量，特殊要求三通的生产中拥有巨大优势，即可降低成本又可短周期完成，性能优良，设备简单，一体性良好。

Description

一种三通管件的电熔增材制造方法

技术领域

本发明属于大型金属构件的电熔增材制造技术领域，具体涉及一种三通管件的电熔增材制造方法。

背景技术

三通管件是一种管道中常用的结构形式，广泛应用于电力、石油、化工等领域。目前大型金属三通管件的主要制造工艺有铸造、焊接、锻造和热挤压成形等。

焊接三通和铸造三通制造简单，成本较低，但焊接三通的一体性较差，焊接热影响区组织不均匀，性能难以保证，且焊接量大；铸造三通晶粒较粗、且内部存在缩孔、夹杂等缺陷，质量一般，耐腐蚀性、力学性能等较差。

锻造三通的性能优良，在承受重大载荷或严苛环境中使用的三通一般由棒状坯料模锻后机加工制造而成。但该方法对材料得可锻性要求高，且材料利用率低，成本较高，而且三通的锻造大小将受到锻造厚度的约束。我国的锻造技术相对薄弱，重要三通仍需国外进口，其价格高昂，制造周期长，大大影响项目周期。

热挤压成型工艺是一种可生产大型三通的方法，但该方法工序繁多，且要根据三通尺寸，设计不同的挤压模具，成本极高，且对材料纯净度、内部质量要求极高。材料内部的夹杂物、气孔等都会影响到挤压成形质量。在多次挤压过程中，三通肩腹部温度较高，呈流动状态，材料内部晶粒粗大，严重降低了材料的力学性能。受到国内挤压装备能力和材料质量水平的限制，热挤压三通管件的壁厚最大达到70mm，支管高度非常有限，一般在200mm范围内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三通管件的电熔增材制造方法，采用电熔增材制造技术制造大型三通管件，不需复杂模具和工装，可以突破目前三通管件壁厚、支管高度的限制，并且得到管体组织均匀，稳定，综合力学性能优良。

本发明采用以下技术方案：

一种三通管件的电熔增材制造方法，以碳钢管道为基体，以低碳微合金丝材、颗粒状氧化物与卤化物为原材料，以电弧热、电阻热、电渣热复合作为高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，在基材上按设定轨迹逐层堆积形成三通主管，在主管上打印支管和马鞍形过渡区，通过热处理和机加工最终形成三通管件的制造方法。

具体的，低碳微合金钢丝材的直径为2.5～4mm，颗粒状氧化物为10～60目，颗粒状氧化物与卤化物覆盖在熔池上的厚度为15～60mm。

具体的，基体的外径等于三通主管内径减去打印稀释层厚度，基体表面打印前利用酒精等清洗干净，并确保其圆度，打印稀释层厚度大于10mm；基体厚度不小于10mm。

具体的，三通主管电熔增材制造具体为：

将基体安装到承载旋转架和旋转盘上，按直管段的总打印长度选择电熔数量，每间隔250～350mm布置1个电熔头，每个电熔头之间保持相同距离；

旋转盘带动基体往一个方向匀速旋转，启动电熔系统进行打印，每打印完一道后，所有电熔头往一个水平方向同步移动，每打印完整一层后变换移动方向；

打印过程中使用测温装置和冷却控制装置保证打印温度在参数的要求范围内，通过层层熔敷增加主管厚度，最终达到主管要求尺寸。

进一步的，电熔头沿着轴心线方向作往复直线运动，运动范围为点1到点2之间，为主运动方向，电熔头相对应中心点的移动量为x值；控制主管管体绕轴心线作往复旋转，其旋转范围为点3到点4之间，为次运动方向，电熔头相对于中心点的偏转量为y值；y与x的关系为：

其中，r为当前打印半径，正负数值分别控制旋转的正反方向。

具体的，打印支管具体为：

对支管的马鞍形运动轨迹进行解析，通过可编辑逻辑控制器将解析的轨迹坐标数据转化成机械运动控制程序，分别控制主管的旋转和电熔头运动；主管水平放置，由PLC控制前后往复旋转，电熔头由PLC控制沿主管轴向直线往复堆敷，二者复合形成马鞍形打印轨迹，每往复一次则形成一道马鞍形堆敷轨迹。

进一步的，支管打印时只使用1个电熔头；待预热完成后，开启电熔设备，原丝在高能热源下作用下熔化形成熔池，辅剂熔化形成渣池使熔池与空气相隔离，控制电熔枪头往复运动，主管管件沿预定轨迹往复旋转，连续形成的熔池熔敷在主管外表面；

轨迹由点1、点4、点2到点3再到点1形成循环的打印轨迹，在点1处引弧，每打印完一道后，改变半径r数值，然后生成新的轨迹坐标数据和控制程序，偏移量为5～10mm，继续重复下一道的电熔打印。

更进一步的，偏移量累计达到支管的厚度后停止偏移，沿上一道轨迹打印，偏移方向与前一层相反，电熔过程首先进行支管倒角的电熔成形，逐层向里收缩，形成倒角，当轨迹达到支管的直管部分时，停止内缩，垂直生长形成完整三通结构。

更进一步的，支管打印前，需要对主管进行预热，预热温度为60～250℃，支管的电熔过程中采用表面施加冷气的方式对打印金属进行冷却控温。

具体的，热处理完成后，利用机加工设备对主管的基管进行切除，切除厚度等于基管厚度+10mm稀释过度区域厚度，三通管件打印完成后，对电熔增材制造的三通管件主管和支管连接部位进行100％RT和UT检测。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种三通管件的电熔增材制造方法，低碳微合金焊丝在电熔增材制造过程中进行快速冷却，材料的晶粒被细化，强度和韧性得到保证，按照三通的设计要求，增材制造三通的直径和壁厚不受设备和钢板的局限，突破了现有三通制造方法的直径和厚度壁垒；传统锻件由于需要进行正火(约950℃)热处理，当厚度大于100mm时，锻件会因热处理不均匀，造成中间区域性能较差，组织不均匀。热挤压三通支管多次挤压，导致韧性降低。本发明不需要塑形变形，仅需进行低温热处理，各厚度区间组织均匀，性能较好，电熔增材技术成型较自由，不需复杂的工装、模具和设备。而且本发明不需进行正火处理，对热处理炉的要求大大降低。

进一步的，选择低碳微合金钢丝材的原因是该材料具有良好的焊接性，增材制造本身的制造工艺为熔敷状态快速冷却，良好的焊接性保证打印过程中材料良好的冶金结合，减少必要的焊接缺陷。

进一步的，打印基体采用普通碳钢材料，太厚经济成本过大，太薄的情况下无法承受50mm的主管的重量，因此选择10mm的基管板材。

进一步的，采用多个电熔头进行主管的打印，大幅提高了增材制造的生产效率。

进一步的，采用单个电熔头进行支管的打印，方便控制支管和主管过渡时的马鞍形的堆敷轨迹，控制焊接质量。

进一步的，本发明是通过电熔头按照预定轨迹逐层堆敷而成，一体性良好。

综上所述，本方法制作的大型三通，不受三通厚度、直径的影响，不需重新开模，在小批量，特殊要求三通的生产中拥有巨大优势，即可降低成本又可短周期完成，性能优良，设备简单，一体性良好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明制备流程图；

图2为三通电熔增材制造设备安装图；

图3为三通主管的增材制造图；

图4为三通支管的增材制造图；

图5为三通支管打印时电熔头和主管的运动轨迹图；

图6为三通支管打印时的打印轨迹图；

图7为增材制造三通成形件示意图。

其中，1.基体；2.主管；3.电熔头；4.冷却装置。

具体实施方式

本发明提供了一种三通管件的电熔增材制造方法，以导热性良好和价格较低的碳钢管道为基体，以直径2.5～4mm的低碳微合金丝材和10～60目颗粒状氧化物与卤化物为原材料，采用电弧热、电阻热、电渣热复合而成的高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，利用卧式打印设备在基材上按设定轨迹逐层堆积形成三通主管，利用立式打印设备在主管上打印支管和马鞍形过渡区，通过热处理和机加工最终形成三通管件的制造方法。

请参阅图1，本发明一种三通管件的电熔增材制造方法，包括以下步骤：

S1、根据三通的使用要求和设计方案，选用原丝和辅剂，使用前对原材料的打印金属进行性能验收；

原丝的直径为2.5～4mm，采用低碳微合金钢材料制成，原丝的化学成分根据材料的使用要求(强度和韧性)进行设计；辅剂包括颗粒状氧化物与卤化物，颗粒状氧化物为10～60目，辅剂覆盖在熔池上的厚度为15～60mm。

辅剂的作用主要包括：覆盖电弧，防止电弧飞溅；覆盖熔池，隔绝空气，使熔池金属免受空气中氧、氮、氢等的侵害；对熔池金属形成保温，形成的渣池以机械方式保护沉积金属良好成形等。

S2、选取电熔增材基体；

碳钢基体满足以下条件：

基体外径＝三通主管内径-打印稀释层；打印稀释层厚度大于10mm；基体厚度不小于10mm；基体表面打印前利用酒精等清洗干净，并确保其圆度；基体和打印稀释层在三通管件打印完成，最终机加工时完全去除。

S3、设备安装

请参阅图2，安装三通电熔增材制造系统的各设备，所采用的设备包括卧式+立式三坐标数字化电熔打印设备(电熔机器人)，冷却控制装置和红外短波测温装置，具体过程如下：

先将基体1放置到卧式打印设备旋转架上，并与旋转盘固定；然后将数字化直流电源的正负两极分别连接到电熔头3与基体1，其中电熔头3接电源正极，工件接电源负极；最后安装冷却装置4和测温装置。三通管件主管打印完毕后，将主管2放置到立式打印设备上，然后如上所述，开始打印；

S4、电熔增材制造；

S401、大型三通管件主管的电熔增材制造；

请参阅图3，将钢管基体1安装到承载旋转架和旋转盘上，按直管段的总打印长度选择电熔数量，每间隔250～350mm，布置1个电熔头，每个电熔头之间保持相同距离；

旋转盘带动基体1往一个方向匀速旋转，启动电熔系统进行打印，每打印完一道后，所有电熔头往一个水平方向同步移动一定距离，每打印完整一层后变换移动方向；

打印过程中使用测温装置和冷却装置4保证打印温度在参数的要求范围内。通过层层熔敷使主管的厚度不断增加，最终达到主管2的最终尺寸；

S402、大型三通管件支管的电熔增材制造；

打印前，首先根据图纸对支管的马鞍形运动轨迹进行解析，并通过可编辑逻辑控制器(PLC)将解析的轨迹坐标数据转化成机械运动控制程序，分别控制主管的旋转和电熔头运动。主管水平放置，由PLC控制前后往复旋转，电熔头也由PLC控制沿主管轴向直线往复堆敷，二者复合形成马鞍形打印轨迹如图4所示，每往复一次则形成一道马鞍形堆敷轨迹。此方法可保持熔池始终保持在水平位置，既能防止打印点熔池金属和辅剂的滑落，又能保证熔敷金属性能不受电熔位置改变的影响，从而得到性能良好、组织均匀的管件材料。

支管打印采用的原材料和主管完全相同。支管打印前，需要对主管部分进行预热，预热温度一般为60～250℃，应保证预热温度均匀。

其中，电熔头沿着轴心线方向作往复直线运动，其运动范围为点1到点2之间，为“主运动方向”，其相对应中心点的移动量为x值；

控制主管管体绕轴心线作往复旋转，其旋转范围为点3到点4之间，为“次运动方向”，其相对于中心点的偏转量为y值。

其中，y与x的关系式为(r为当前打印半径)正负数值分别控制旋转的正反方向。

请参阅图5，轴心线：主管圆周方向的中心轴线；中心线：主管长度方向的中心位置线。

支管采用立式增材制造设备打印时只使用1个电熔头；待预热完成后，开启电熔设备，原丝在高能热源下作用下熔化形成熔池，辅剂熔化形成渣池使熔池与空气相隔离，控制电熔枪头往复运动，主管管件会相应地沿预定轨迹往复旋转，连续形成的熔池熔敷在主管外表面。

在点1处引弧，轨迹由点1、点4、点2到点3再到1，形成循环的打印轨迹。每打印完一道(即一圈)后，需进行一定的偏移(系统会自动改变半径r数值，然后生成新的轨迹坐标数据和控制程序)，偏移量一般为5～10mm，继续重复下一道的电熔打印。

请参阅图6，偏移量累计达到支管的厚度(即打印完一层)后停止偏移，沿上一道轨迹打印，偏移方向与前一层相反，电熔过程首先进行支管倒角的电熔成形，逐层向里收缩(即外径减小)，以形成流线型良好、符合设计要求的倒角。当轨迹达到支管的直管部分时，停止内缩，垂直生长，最终形成三通如图7所示。

为了实现高效率连续堆敷和保证材料性能，支管的电熔过程中采用表面施加冷气的方式对打印金属进行冷却控温，即采用冷空气在熔池后方进行冷却。

S5、热处理；

三通管件电熔成形后，进行消应力热处理，根据打印材料的特性选择合适的热处理温度，一般不超过Ac1。热处理可消除打印材料内部残余应力、稳定材料性能，提高材料的韧性。本发明的消应力热处理温度较低，材料内部不会进行重结晶，因而不会出现因高温热处理导致的材料组织不均匀和厚度效应。

S6、机加工

对三通内表面进行加工，以去除基体和稀释部分，制备成三通管件成品。

S7、无损探伤

对电熔增材制造三通管件的马鞍部位(主管和支管连接部位)进行100％RT和UT检测。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

金属3D打印是以数字模型为基础，以激光、电弧等为热源，运用金属丝材或粉末，通过逐层打印的方式构造金属构件的技术。电熔增材制造技术属于3D打印技术的一种，是近年来出现的一种新型的材料制造成形技术。该技术得到的管件具有复杂结构一体化、材料性能优异、组织均匀、无尺寸效应、成品率高且制造周期短等诸多优点，可以弥补现有工艺的不足。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三通管件的电熔增材制造方法，其特征在于，以碳钢管道为基体，以低碳微合金钢丝材、颗粒状氧化物与卤化物为原材料，以电弧热、电阻热、电渣热复合作为高能热源，熔化连续输送的金属原料丝材，在基材上按设定轨迹逐层堆积形成三通主管，在主管上打印支管和马鞍形过渡区，通过热处理和机加工最终形成三通管件的制造方法；

低碳微合金钢丝材的直径为2.5～4mm，颗粒状氧化物为10～60目，颗粒状氧化物与卤化物覆盖在熔池上的厚度为15～60mm；

三通主管电熔增材制造具体为：

将基体安装到承载旋转架和旋转盘上，按直管段的总打印长度选择电熔数量，每间隔250～350mm布置1个电熔头，每个电熔头之间保持相同距离；

旋转盘带动基体往一个方向匀速旋转，启动电熔系统进行打印，每打印完一道后，所有电熔头往一个水平方向同步移动，每打印完整一层后变换移动方向；

打印过程中使用测温装置和冷却控制装置保证打印温度在参数的要求范围内，通过层层熔敷增加主管厚度，最终达到主管要求尺寸；

打印支管具体为：

对支管的马鞍形运动轨迹进行解析，通过可编辑逻辑控制器将解析的轨迹坐标数据转化成机械运动控制程序，分别控制主管的旋转和电熔头运动；主管水平放置，由PLC控制前后往复旋转，电熔头由PLC控制沿主管轴向直线往复堆敷，二者复合形成马鞍形打印轨迹，每往复一次则形成一道马鞍形堆敷轨迹，支管打印时只使用1个电熔头；待预热完成后，开启电熔设备，原丝在高能热源下作用下熔化形成熔池，辅剂熔化形成渣池使熔池与空气相隔离，控制电熔枪头往复运动，主管管件沿预定轨迹往复旋转，连续形成的熔池熔敷在主管外表面，电熔头沿着轴心线方向作往复直线运动，为主运动方向，电熔头相对应中心点的移动量为x值；控制主管管体绕轴心线作往复旋转，为次运动方向，电熔头相对于中心点的偏转量为y值；y与x的关系为：

其中，r为当前打印半径，正负数值分别控制旋转的正反方向；

每打印完一道后，改变半径r数值，然后生成新的轨迹坐标数据和控制程序，偏移量为5～10mm，继续重复下一道的电熔打印。

2.根据权利要求1所述的三通管件的电熔增材制造方法，其特征在于，基体的外径等于三通主管内径减去打印稀释层厚度，基体表面打印前利用酒精等清洗干净，并确保其圆度，打印稀释层厚度大于10mm；基体厚度不小于10mm。

3.根据权利要求1所述的三通管件的电熔增材制造方法，其特征在于，偏移量累计达到支管的厚度后停止偏移，沿上一道轨迹打印，偏移方向与前一层相反，电熔过程首先进行支管倒角的电熔成形，逐层向里收缩，形成倒角，当轨迹达到支管的直管部分时，停止内缩，垂直生长形成完整三通结构。

4.根据权利要求1所述的三通管件的电熔增材制造方法，其特征在于，支管打印前，需要对主管进行预热，预热温度为60～250℃，支管的电熔过程中采用表面施加冷气的方式对打印金属进行冷却控温。

5.根据权利要求1所述的三通管件的电熔增材制造方法，其特征在于，热处理完成后，利用机加工设备对主管的基管进行切除，切除厚度等于基管厚度+10mm稀释过度区域厚度，三通管件打印完成后，对电熔增材制造的三通管件主管和支管连接部位进行100％RT和UT检测。