CN110681947A - 一种实时共振辅助cmt电弧增材高氮钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，包括以下步骤：将电弧增材基板刚性固定于工作平台，模态分析系统监测工作平台振动、电磁激振器垂直于工作平台并按照装配，并将产生的机械振动传递至整个基板及工件，使用信号发生器控制扫频、模态分析系统观测寻找高氮钢增材的共振频率及振动加速度并进行增材，完成增材道数后重新调整共振频率，直至完成增材的过程。本方法通过在电弧增材高氮钢中加入了高频振动辅助，使得焊接过程中的熔池产生机械振动，达到搅拌熔池、使得熔池内杂质析出，细化晶粒、提升高氮钢增材件力学性能的作用，具有较强的工程应用价值。

Description

一种实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法。
背景技术
高氮钢的强度和韧性较高，同时它还具有较好的耐腐蚀性，是国际上研究的较为热门的材料之一。但是在电弧增材过程中，高氮钢存在着较多的问题，其中最主要的问题之一就是增材过程中产生的杂质，这些杂质部分来源于高氮钢内部元素，部分来源于高氮钢中的Mn，由于保护气中含有氧气，为Mn氧化物提供了良好的反应条件，因此，产生了由Mn氧化物为主的大量夹杂物，这些夹杂物的空间分布不均匀，且夹杂物的尺寸为0.1-1.0μm，这些夹杂物的存在往往在裂纹扩展的过程中起到促进作用，影响了高氮钢电弧增材构件的综合力学性能。
冷金属过渡焊接(CMT)作为一种优化的GMAW焊接方法，由于其沉积速率高，热输入低，可多角度焊接，已被广泛用于电弧增材制造。双丝GMAW工艺用于制造具有高沉积速率的金属物体，具有效率高、变形小等优点。
使用CMT电弧增材高氮钢的优点及缺点很明显，由于CMT焊接方法具有较高的熔覆效率及较小的热输入，使得使用该方法电弧增材高氮钢零件具有高效率及小变形、低残余应力的优点，但又由于CMT焊接方法较低的热输入，导致了在焊接高氮钢的过程中存在熔池较浅、熔池凝固较快、焊接生成的杂质难以析出从而影响高氮钢零件力学性能的问题。
目前对于电弧增材过程中施加高频振动辅助的研究较少，专利一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法(申请号：201810330458.1)中介绍了一种通过在对铝合金焊接时施加高频振动辅助铝合金焊接的方法，该方法能细化晶粒，改善焊件的力学性能，但是没有进行高频振动对熔池中杂质的影响的研究。专利基于电磁式激振器的高频振动激光焊接工艺(申请号：201510254174.5)介绍了一种基于电磁式激振器的高频振动激光焊接工艺，该方法能大幅提高激振频率，灵活改变激振方向，但是该专利并未考虑在焊接过程中，整体工件形状变化对其整体固有频率的影响，这会导致在焊接过程中振幅下降、影响焊接质量的可能发生。
发明内容
基于CMT电弧增材高氮钢时由于CMT工艺因素导致的热输入较低、熔池小、凝固快，焊缝内杂质难以析出从而凝固于焊缝中，进而影响增材件力学性能的问题，提供一种实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法。
本发明提供一种实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，具体实施步骤如下：
步骤一、将基板刚性固定于工作平台上，开启电磁激振器，用功率放大器、信号发生器控制扫频，使用模态分析系统寻找适合整体部件的共振频率及振动加速度；
步骤二、在使用选定共振频率、加速度的情况下开始第一道电弧增材，在增材过程中使用模态分析系统实时监测振幅，单层增材完成后进行打磨；
步骤三、在增材一定道数X后，重新寻找适合整体部件的共振频率；
步骤四：重复步骤二、三，直至完成增材。
基板与工作平台刚性连接，模态分析系统固定于工作平台，电磁式激振器固定于工作平台内部地面，激振方向与工作平面垂直，按安装说明保留一定间隙，电磁激振器由功率放大器、信号发生器进行控制，激振力通过工作平台传递至基板及增材件，在适合整体构件的共振频率及加速度下进行增材，并在增材过程中实时保证整体机构处于共振状态。
在单道完成后必须进行打磨及清洁处理，清洁处理方法为使用打磨机对焊缝表面进行清理，保证表面无氧化膜、污垢。
使用的增材工艺参数为电流90-220A，焊接速度10-35cm/min，送丝速度为3-9m/min，保护气为Ar、O2、N2三元混气，保护气流量为15L/min，作为优选方案焊接速度20cm/min，送丝速度8m/min,使用的Fronius焊机为送丝、电流一元化参数设置，电流为147A。
使用的保护气为保护气为Ar、O2、N2三元混气，保护气流量为8-20L/min，作为优选，保护气成分为93.5％Ar、1.5％O2、5％N2，保护气流量为15L/min。
电磁激振器垂直固定于工作平台内部地面，并与工作平台保持装配间隙0.5-1mm，作为优选间隙为0.5mm。
增材道数X的选取范围以实时监测振动幅度不低于峰值振动幅度的80％时的完整焊接道数为标准，X为1-10，作为优选，X为2-5。
在寻找适合整体部件的共振频率及振动加速度时，首先使用功率放大器、信号发生器控制进行扫频，使用模态分析系统测量整体部件的共振频率及振动加速度，最终选取合适的共振频率及振动加速度。
模态分析系统包括模态分析仪、连接部件与模态分析仪的脉冲力锤及压电加速度传感器等、连接模态分析仪的计算机。
使用的是低幅高频振动，扫频频率为0-2000Hz，共振频率为400-1200Hz，振动加速度为10-70m/S2，作为优选，共振频率为500-1000Hz，振动加速度为10-50m/S2。
电磁激振器直流稳压电流为0—1.5A，功率放大器交流输入电流为0-4A。
电磁激振器直流稳压电流为1A，功率放大器交流输入电流为2.5A。
本发明相对于现有技术具有显著优点：
1.在使用CMT增材高氮钢技术中引入了高频振动辅助的方法，在焊接时搅拌熔池，加快熔池金属流动速度，加快熔池中杂质的析出，较好的解决了由于CMT焊接工艺带来的熔池浅、小，凝固快、焊接时生成的杂质来不及析出，影响力学性能的问题，而又不影响CMT工艺带来的熔覆效率高、热输入低、变形小等优势，并且使用本发明还可以细化晶粒、降低熔池温度梯度、改善枝晶偏析，从而增强增材件力学性能。
2.本发明考虑了增材过程中由于整体构件形状变化导致的固有频率变化的问题，在增材过程中能够较为稳定的维持共振频率与振动加速度的共振状态，使得施加高频振动对焊缝的每个部分影响都是均匀的。
附图说明
图1是实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢设备图。
图2是实施例1在增材过程中使用共振频率560HZ实时共振辅助的焊缝OM图。
图3是实施例2在增材过程中使用共振频率820HZ实时共振辅助的焊缝OM图。
图4是实施例1对比例在增材过程中不使用实时共振辅助的焊缝OM图。
图1中：1为增材装置，2为工作平台，3为夹具，4为电磁式激振器，5为功率放大器，6为信号发生器，7为模态分析系统，8为计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构及使用方法进行进一步详细说明：
如图1为实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢增材装置，包括增材平台；固定于增材平台内部地面，激振方向与工作平面垂直，并保留装配间隙0.3mm的电磁式激振器；与电磁式激振器连接的功率放大器、与功率放大器连接，控制电磁式激振器的信号发生器；与工作平台刚性连接测量整体振动的模态分析系统；焊接设备、计算机等。
在增材前，将基板通过夹具刚性固定于工作平台，使得工作平台及其上的各部件形成一整体，开启电磁式激振器，激振力通过垂直方向传递过整个构件，使用功率放大器、信号发生器控制电磁式激振器进行扫频，确定增材前整体构件共振频率。
增材时，整体构件处于共振状态，激振力由电磁式激振器产生，通过工作平台传递至工件，在增材过程中使用模态分析系统实时监控，当发现监测的振动加速度低于峰值振动加速度的80％时，在完成该道增材后重新确定整体构件共振频率。
具体采用：丝材CMT增材平台、DX200安川机器人及机器人控制柜、焊接电源为TransPuls Synergic 5000CMT焊机、DJ-20型电磁激振器、GF200型超低频功率放大器、信号发生器、DH5930便携式模态分析系统、计算机等。
在实施例中均使用200*200*25mm的316L不锈钢基板，均增材100*100*60mm的块体，为避免基板对高氮钢成分影响，金相及力学性能试样均在第二层以上选取；在电磁激振器装配时保证固定于工作平台内部地面，激振方向与工作平面垂直，并与工作平台保持装配间隙0.5mm。
实施例1：
步骤一、将200*200*25mm的316L不锈钢基板通过夹具刚性固定于工作平台上，对基板使用打磨机进行打磨，使用酒精进行擦拭，去除表面氧化及污物；
步骤二、调节电磁激振器直流稳压电流为1A，功率放大器交流输入电流为2.5A；
步骤三、开启电磁激振器，用功率放大器、信号发生器进行控制，对整体机构进行扫频，扫频频率为0-2000HZ,使用便携式模态分析系统测量共振频率及振动加速度，使用计算机读取数据并记录，最终选取整体机构共振频率为560HZ，共振加速度为20m/S2；
步骤四、在使用选定共振频率、加速度的情况下开始第一道电弧增材，电弧增材参数为电流147A，送丝8m/min，焊速20cm/min，使用的三元混气为93.5％Ar、1.5％O2、5％N2，流量为15L/min，在增材过程中实时保持整体部件的共振状态；
步骤五、单层增材完成后使用打磨机进行打磨，确保表面无氧化膜及污物；
步骤六、在增材过程中使用模态分析系统实时监测振幅，在增材4道后，观测监测振幅低于最高振幅80％，即重新寻找适合整体部件的共振频率；
步骤七：打印方式为往复增材，最终打印100*100*60mm的块体；
步骤八：重复步骤四到七，直至完成增材。
在增材完成后对增材件进行金相及硬度取样，为避免基板对高氮钢成分影响，金相及力学性能试样均在第二层以上选取，取样方向均与增材方向平行。
从相图2中，可明显看出，杂质较少，分布较为均匀，杂质粒径从0.1-1μm分布，其中相较于未施加实时共振辅助的对比例1，直径0.1-0.4μm的小颗粒数量明显减少。
从拉伸结果看，实施例1样件的平均屈服强度为608MPa，相较未施加实时共振辅助的对比例1，平均屈服强度提高了6％。
具体实施例1对比例：
使用与实施例1同样的增材参数，在增材过程中不施加实时共振辅助，打印块体的打印方向相同，打印过程中每道打磨，最终增材相同大小100*100*60mm的块体。
在增材完成后对增材件进行金相及硬度取样，为避免基板对高氮钢成分影响，金相及力学性能试样均在第二层以上选取，取样方向均与增材方向平行。
从相图4中，可明显看出，杂质较多，分布较为均匀，杂质粒径从0.1-1μm分布，其中0.1-0.4μm大小的小直径颗粒较多。
从拉伸结果看，实施例对比例1样件的平均屈服强度为572MPa。
实施例2：
步骤一、将200*200*25mm的316L不锈钢基板通过夹具刚性固定于工作平台上，对基板使用打磨机进行打磨，使用酒精进行擦拭，去除表面氧化及污物；
步骤二、调节电磁激振器直流稳压电流为1A，功率放大器交流输入电流为2.5A；
步骤三、开启电磁激振器，用功率放大器、信号发生器进行控制，对整体机构进行扫频，扫频频率为0-2000HZ,使用便携式模态分析系统测量共振频率及振动加速度，使用计算机读取数据并记录，最终选取整体机构共振频率为820HZ，共振加速度为20m/S2；
步骤四、在使用选定共振频率、加速度的情况下开始第一道电弧增材，电弧增材参数为电流147A，送丝8m/min，焊速20cm/min，使用的三元混气为93.5％Ar、1.5％O2、5％N2，流量为15L/min，在增材过程中实时保持整体部件的共振状态；
步骤五、单层增材完成后使用打磨机进行打磨，确保表面无氧化膜及污物；
步骤六、在增材过程中使用模态分析系统实时监测振幅，在增材3道后，观测监测振幅低于最高振幅80％，即重新寻找适合整体部件的共振频率；
步骤七：打印方式为往复增材，最终打印100*100*60mm的块体；
步骤八：重复步骤四到七，直至完成增材。
在增材完成后对增材件进行金相及硬度取样，为避免基板对高氮钢成分影响，金相及力学性能试样均在第二层以上选取，取样方向均与增材方向平行。
从相图3中，可明显看出，杂质相较实施例1更少，分布较为均匀，杂质粒径从0.1-1μm分布，其中直径0.1-0.4μm的小颗粒的数量随着施加频率增加有所减少。
从拉伸结果看，实施例2样件的平均屈服强度为623MPa，较实施例1有所提高，相较未施加实时共振辅助的对比例1，平均屈服强度提高了9％。
从实施例1，2的拉伸屈服强度的结果上看，共振频率的增大在一定范围内有助于高氮钢焊缝熔池中杂质的析出。
以上所述为本发明的较佳实例，但本发明不局限于该实施例所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过模态分析系统确定适合整体部件的共振频率及振动加速度；
步骤2、在确定后的共振频率、加速度的条件下，开始第一道电弧增材，在增材过程中使用模态分析系统实时监测振幅，单层增材完成后进行打磨；
步骤3、在增材X道数后，重新通过模态分析系统确定增材X道后的整体部件的共振频率；
步骤4：重复步骤2、3，直至完成增材。
2.根据权利要求1所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，每道增材完成后必须进行打磨及清洁处理。
3.根据权利要求1所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，使用的增材工艺参数为电流90-220A，焊接速度10-30cm/min，送丝速度为3-9m/min，保护气为Ar、O2、N2三元混气，保护气流量为8-20L/min。
4.根据权利要求1所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，确定后的共振频率、加速度通过电磁激振器施加在整体部件上，所述的电磁激振器固定于工作平台内部地面，激振方向与工作平面垂直，并与工作平台保持装配间隙0.5-1mm。
5.根据权利要求1所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，增材道数X的选取范围以实时监测振动幅度不低于峰值振动幅度的80％时的完整焊接道数为标准；X为1-10。
6.根据权利要求1所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，确定适合整体部件的共振频率及振动加速度具体步骤如下，首先使用功率放大器、信号发生器对整体部件进行扫频，使用模态分析系统测量整体部件的共振频率及振动加速度，最终选取匹配共振频率及振动加速度，即振幅达到峰值的共振频率及振动加速度。
7.根据权利要求6所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，模态分析系统包括模态分析仪、连接部件与模态分析仪的脉冲力锤及压电加速度传感器、连接模态分析仪的计算机。
8.根据权利要求6中所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，电磁激振器为低幅高频振动,扫频频率为0-2000Hz，共振频率为400-1200Hz,振动加速度为10-70m/S2。
9.根据权利要求6中所述的实时共振辅助CMT电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，
电磁激振器直流稳压电流为0—1.5A，功率放大器交流输入电流为0-4A。
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