CN111558765A - 一种gmaw电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种GMAW电弧增材制造铜‑钢复合材料的制备方法，具体操作步骤为：步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，以除去低碳钢表面的油污，最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理；步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理；步骤3：采用熔化极气体保护焊技术，进行电弧增材堆焊，得到铜‑钢复合双金属薄壁墙体结构。该方法解决了目前铜/钢异质材料间存在的常见焊接缺陷等问题，极大程度上提高了复合材料的力学性能。

Description

一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料增材制造领域，具体涉及一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，异种金属焊接构件兼备两种材料的优良性能，被大量使用于各个领域。随之，异种材料间焊接性和服役后的情况等问题也日益突出，目前如何将性质和功能不同的两种材料实现有效的结合，是各个科研机构关注的热题，如大型变压器油箱结构件中，往往会选用合金钢作为内壳体，用铜及其铜合金作为壳体外面的金属保护罩，不但可以降低变压器工作时的热损耗，避免出现局部过热现象，而且还能够吸收外界磁场的干扰，以降低变压器机组工作时外界磁场对内部工作磁场的磁干扰问题。但是两者物理性质差异很大，无论是从焊接性原理方面，还是从技术操作方面来看，都会相比于同种材料之间焊接的难度系数大。电弧增材制造(Additive Manufacturing)是基于离散-堆积的原理，利用材料进行逐层叠加制造零件的过程，是一种“自下而上”的快速成型技术。采用电弧增材技术制备出的金属零件具有成本低、材料利用率高以及生产效率高等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，该方法解决了目前铜/钢异质材料间存在的常见焊接缺陷等问题，极大程度上提高了复合材料的力学性能。
本发明所采用的技术方案是，一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，以除去低碳钢表面的油污，最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理；
步骤3：采用熔化极气体保护焊技术，进行电弧增材堆焊，得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
本发明的特征还在于，
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板。
步骤1中，超声波清洗的时间为：15min～30min，预热处理的温度为：100℃～200℃。
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝。
步骤2中，低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理的具体过程均为：先进行无水乙醇擦拭，然后在温度为40℃～60℃的条件下烘干。
步骤3中，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：180A～220A、焊接电压：20V～24V、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：3mm～3.2mm、摆弧频率：4～4.5Hz、保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210A～250A、焊接电压：22V～26V、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：2.8mm～3.0mm、摆弧频率：3.5-4Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气。
步骤3中，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：6mm～10mm；层间冷却时间:0.5min～1min，层间冷却温度：80℃～120℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的制备方法中采用传统的电弧增材制造技术可以缩短铜-钢复合零件的生产周期，提高材料的利用率，以节约制造成本。
(2)本发明制备方法中采用的控制层间温度，能够降低钢至钢侧、钢至铜侧和铜至铜侧焊接裂纹的产生。
(3)本发明的制备方法在逐层堆焊时，前一道焊缝对后一道焊缝可以起到良好的预热效果，而后一道焊缝又为前一道焊缝起到了良好的热处理作用，使得钢-钢侧、铜-铜侧组织更加均匀、细小，还提高铜-钢结合界面处的力学性能，，并且能够成形出任何复杂形状的铜-钢双金属零件。
(4)本发明的制备方法工艺简单、操作方便、可以极大程度上优化铜-钢复合结构件的生产流程。
附图说明
图1是采用本发明一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法的实施例3中电弧增材铜-钢薄壁墙体结构的宏观形貌图；
图2是采用本发明制备方法的实施例3中薄壁墙体结构钢-钢侧焊缝的微观形貌图；
图3是采用本发明制备方法的实施例3中薄壁墙体结构钢-铜侧焊缝界面的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，以除去低碳钢表面的油污，最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理；
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝160mm×50mm×5mm；
步骤1中，超声波清洗的时间为：15min～30min，预热处理的温度为：100℃～200℃；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理；
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝，低碳钢焊丝与纯铜焊丝尺寸规格均为
Figure BDA0002453924950000041
步骤2中，低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理的具体过程均为：先进行无水乙醇擦拭，然后在温度为40℃～60℃的条件下烘干；
步骤3：采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，进行电弧增材堆焊，得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构；
步骤3中，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：180A～220A、焊接电压：20V～24V、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：3mm～3.2mm、摆弧频率：4～4.5Hz、保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210A～250A、焊接电压：22V～26V、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：2.8mm～3.0mm、摆弧频率：3.5-4Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气；
步骤3中，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：6mm～10mm；层间冷却时间:0.5min～1min，层间冷却温度：80℃～120℃。
实施例1
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈。然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：15min，以除去低碳钢表面的油污，最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：100℃；
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝160mm×50mm×5mm；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理，使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：40℃；
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝，低碳钢焊丝与纯铜焊丝尺寸规格均为
Figure BDA0002453924950000051
步骤3：采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术进行逐层堆焊，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：6mm；层间冷却时间:0.5min，层间冷却温度：80℃，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：180A、焊接电压：20V、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：4Hz、保护气体：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210A、焊接电压：22V、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：2.8mm、摆弧频率：3.5Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气，最终得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
用实施例1方法所制备出的铜-钢薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度280.295MPa，屈服强度161.089MPa，室温冲击功35J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例2
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈。然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：18min，以除去低碳钢表面的油污，最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：120℃；
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝160mm×50mm×5mm；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理，使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：45℃；
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝，低碳钢焊丝与纯铜焊丝尺寸规格均为
Figure BDA0002453924950000061
步骤3：采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术进行逐层堆焊，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：10mm；层间冷却时间:1min，层间冷却温度：120℃，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：190A、焊接电压：21V、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：4.2Hz、保护气体：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：220A、焊接电压：23V、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：2.9mm、摆弧频率：3.7Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气，最终得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
用实施例2方法所制备出的铜-钢薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度294.217MPa，屈服强度175.129MPa，室温冲击功37J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例3
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈。然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：22min，以除去低碳钢表面的油污。最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：140℃；
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝160mm×50mm×5mm；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理，使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：50℃；
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝，低碳钢焊丝与纯铜焊丝尺寸规格均为
Figure BDA0002453924950000071
步骤3：采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术进行逐层堆焊，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：8mm；层间冷却时间:0.6min，层间冷却温度：100℃，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：200A、焊接电压：23V、焊接速度：0.3mm/min、摆幅宽度：3.1mm、摆弧频率：4.3Hz、保护气体：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：230A、焊接电压：24V、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：2.9mm、摆弧频率：3.8Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气，最终得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
电弧增材铜-钢薄壁墙体结构的宏观形貌如图1所示，薄壁墙体结构钢-钢侧焊缝的微观形貌如图2所示，薄壁墙体结构钢-铜界面处焊缝的微观形貌如图3所示。
由图1可以看出，使用该制备方法得到的铜-钢薄壁墙体结构成形性良好，未出现裂纹、气孔等明显的焊接缺陷。
由图2可以看出，钢侧无明显的逐层堆焊界面，未发现分层现象，成形性良好，组织均匀、细小，其组织为铁素体+珠光体。
由图3可以看出，低碳钢与纯铜之间界面非常清晰，熔合线过渡曲折，这与焊接过程中铜侧金属液的流动性有关，可见使用该方案明显提高了铜侧金属的流动性。同时钢侧界面处还存在一条明显的过渡带，是由大量分布的α-Fe和ε-Cu颗粒相组成。
用实施例3方法所制备出的铜-钢薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度310.016MPa，屈服强度178.474MPa，室温冲击功40J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例4
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈。然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：26min，以除去低碳钢表面的油污。最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：170℃；
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝160mm×50mm×5mm；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理，使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：55℃；
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝，低碳钢焊丝与纯铜焊丝尺寸规格均为
Figure BDA0002453924950000081
步骤3：采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术进行逐层堆焊，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：9mm；层间冷却时间:1min，层间冷却温度：100℃，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210A、焊接电压：23V、焊接速度：0.3mm/min、摆幅宽度：3.2mm、摆弧频率：4.4Hz、保护气体：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：240A、焊接电压：25V、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3.0mm、摆弧频率：3.9Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气。，最终得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
用实施例4方法所制备出的铜-钢薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度300.47MPa，屈服强度174.692MPa，室温冲击功39J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
实施例5
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈。然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：30min，以除去低碳钢表面的油污。最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：200℃；
步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝160mm×50mm×5mm；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理，使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：60℃；
步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝，低碳钢焊丝与纯铜焊丝尺寸规格均为
Figure BDA0002453924950000091
步骤3：采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术进行逐层堆焊，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：10mm；层间冷却时间:1min，层间冷却温度：100℃，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：220A、焊接电压：24V、焊接速度：0.3mm/min、摆幅宽度：3.2mm、摆弧频率：4.5Hz、保护气体：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：250A、焊接电压：26V、焊接速度：0.3mm/min、摆幅宽度：3.0mm、摆弧频率：4Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气，最终得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
用实施例5方法所制备出的铜-钢薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁墙体结构力学性能为：抗拉强度274.849MPa，屈服强度165.572MPa，室温冲击功34J，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。
本发明所研制的弧焊增材制造的方法制备铜-钢复合结构件，利用逐层堆焊时，前一道焊缝对后一道焊缝起到良好的预热效果和后一道焊缝又为前一道焊缝起到良好的热处理效果，使得钢-钢侧、铜-铜侧组织更加均匀、细小，还提高铜-钢结合界面处的力学性能。同时采用电弧增材制造技术可以缩短铜-钢复合零件的生产周期，提高材料的利用率，以节约制造成本。因此本发明研究的铜-钢增材制造方法制备双金属零件具有广阔的应用前景以及深远的工程意义。

Claims (7)

1.一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤为：
步骤1：首先将低碳钢板表面进行机械打磨，除去表面附着的铁锈，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，以除去低碳钢表面的油污，最后将处理好的低碳钢板放入真空箱式加热炉中进行预热处理；
步骤2：将低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理；
步骤3：采用熔化极气体保护焊技术，进行电弧增材堆焊，得到铜-钢复合双金属薄壁墙体结构。
2.根据权利要求1所述的一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，低碳钢板为：Q345钢板。
3.根据权利要求1所述的一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，超声波清洗的时间为：15min～30min，预热处理的温度为：100℃～200℃。
4.根据权利要求1所述的一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，低碳钢焊丝为：H08C焊丝，纯铜焊丝为：S201焊丝。
5.根据权利要求1所述的一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，低碳钢焊丝和纯铜焊丝进行表面处理的具体过程均为：先进行无水乙醇擦拭，然后在温度为40℃～60℃的条件下烘干。
6.根据权利要求1所述的一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：180A～220A、焊接电压：20V～24V、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：3mm～3.2mm、摆弧频率：4～4.5Hz、保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210A～250A、焊接电压：22V～26V、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：2.8mm～3.0mm、摆弧频率：3.5-4Hz、保护气体：体积分数为99.99％的Ar气。
7.根据权利要求1所述的一种GMAW电弧增材制造铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，低碳钢焊丝和纯铜焊丝伸出长度均为：6mm～10mm；层间冷却时间:0.5min～1min，层间冷却温度：80℃～120℃。
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