CN112091381A - 一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法。在增材制造过程中，碳钢焊丝和周围碳钢材料在电弧热作用下呈熔融态，因氮气在熔融态的碳钢熔池中溶解度有限，碳钢凝固速率快，利用氮气在固相和液相中的溶解度差形成气孔，调节氩气和氮气的不同配比得到不同孔隙大小与分布的材料。本发明在以碳钢材料为基材制备孔系功能材料过程中，实现了以电弧增材制造的方法成功制备孔系功能材料，并且通过调节氮气的量实现不同孔隙大小与分布的工艺方法，从而扩大了焊接电弧增材制造的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及碳钢孔系材料制造领域，特别是涉及一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法。
背景技术
多孔金属作为隔热、吸声和吸能材料的应用日益受到社会的重视。当前已有数种制造多孔金属的工艺,如对Al-SiC、Al-Al2O3合金熔体鼓吹气体法,往熔融合金中混入发泡剂(TiH2)后进行搅拌法,金属粉与发泡剂固结后加热到半熔融状态(处于发泡剂释放氢气并使材料膨胀的状态)等方法都已获得应用。但是因为氢气易燃、易爆,所以在工业上利用氢气来生产多孔金属显然是不适宜的。因此,利用氮气的技术受到关注,氮在固态铁和液态铁中的溶解度随温度的变化状况,十分类似于氢的情况,氮气在熔炼温度下的液态铁中与在固态铁中的溶解度差也很大。且在Fe- N系统中溶解有氮的铁熔液凝固时就会转变为初生固溶体和氮气相。因此,利用氮在液态与固态金属中的溶解度差,就有可能取代氢气安全地生产多孔铁。
金属多孔材料是一种具有渗透性好、孔径和孔隙可控、形状稳定、耐高温、抗热震、能再生、可加工等特殊性能的功能材料。广泛应用于航空、航天、原子能、石化、冶金、机械、医药、环保等行业的过滤、分离、消音、布气、催化、热交换等工艺中。近年来 ,各领域对绿色材料的需求大大促进了金属多孔材料的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，在多孔材料制造过程中，向保护气中通入一定量的氮气，利用氮气在固相和液相中溶解度不同，溶解度差很大的特点，通过气体配比器调节氮气与氩气的不同比例来得到不同大小孔隙和分布的多孔材料。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，所述方法包括：
将表面处理干净的低碳钢基材固定在可控制工作台上。
将焊枪的位置调整到基材正下方，并调整好焊丝干伸长距离与焊丝端部距离基材的距离。
打开氮气瓶和氩气瓶，通过气体适配器调节氮气与氩气的气体比例和总气压。
打开可控制工作台的主机，打开March3软件，调入编辑好的G代码程序，进行试运行。
打开双脉冲弧焊机与送丝机，设置电流、慢送丝速度、焊丝直径等各项参数，使得送丝机与焊机匹配，协调工作。
进行起弧，待热输入较稳定时，运行March3中的G 代码程序，进行单道焊接和循环往复的单墙体堆垛。
可选的，在所述打开氮气瓶和氩气瓶，除了通过气体配比器来调节氮气的比例之外，还可以通入一定的大约1%的氧气来改善电弧稳定性。
可选的，所述焊丝为镀铜焊丝。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法过程中，氮气在熔融态的碳钢熔池中溶解度有限，碳钢凝固速率快，导致凝固前后有溶解度差，调节氩气和氮气的不同配比就可以得到不同孔隙大小与分布的材料，从而扩大了焊接电弧增材制造的使用范围，为孔系材料的制备提供一种新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例提供的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法的结构示意图。
图2为本发明的实施例提供的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法的流程图。
图3为本发明的实施例提供的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法的原理图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，在多孔材料的制备过程中，通过气体配比器调节氮气的量实现对多孔材料的孔隙尺寸与分布控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1、3所示，本实施例提供的通过渗氮形成孔系材料的熔化极气体保护焊增材制造方法包括：送丝机构4、送丝嘴、控制中心1、导轨2、氩气瓶7、氮气瓶8、气体配比器6、MIG焊机5、熔化极惰性气体保护焊焊枪3和待加工低碳钢基材9。
可控制工作台9，用于放置待加工的低碳钢板材。
本实施例提供的原位生成氮气孔制备孔系功能材料方法具体步骤为：
（1）采用熔化极气体保护焊增材制造方法通过原位生成氮气孔制备孔系功能材料。将低碳钢材料表面处理干净置于可控制工作台上，并用夹具固定在确定的位置；调节熔化极惰性气体保护焊焊枪的位置，使得焊枪在运行过程中保持与基材的垂直；用送丝机调节焊丝的干伸长长度与焊丝端距离基材的距离，调整到预先设计的高度；打开March3系统，按照预先设计的轨迹编写G 代码，将焊枪移动到初始位置进行试运行，确保焊枪的初始位置与终止位置，保证焊接轨迹完整。
（2）打开双脉冲弧焊机调节焊机参数，将电流值设置为110A；脉冲频率设置为1.5HZ；慢送丝速度设置为6.0；焊丝直径设置为1.2mm；双脉冲速度偏移量设置为2.0；调节焊接速度为90cm/min;打开氩气瓶和氮气瓶，将两种气体用保护气管与气体配比器进行相连，调节气体总流量为15L/min；其中氮气的量为0.5~2L/min,其余气体均为氩气。
（3）熔化极气体保护焊过程中，在电弧弧产生后可控制工作台向既定方向匀速移动，镀铜焊丝在电弧力作用下融化铺展于低碳钢基板上，开始单层低碳钢的熔化极惰性气体保护焊制造过程，其中部分电离的氮在电弧作用下附着于熔池表面，随着电弧的移动，带动熔池内部熔融态的低碳钢流动将附着于熔池表面的离子态的氮带入熔池内部，离子态的氮与熔融态的铁与碳形成配合物与其他固溶体，分布于成形低碳钢材料中，从而在增材制造的加工过程中，利用氮气在熔融态与固相中的溶解度差形成孔系结构。
（4）单道低碳钢增材制造完成后，通过控制中心关闭保护气体和熔化极气体弧焊装置开关，焊枪返回至初始位置并调节高度，通过调节在步骤2中所述的气体配比的氧气氩气的流量范围，控制不同的氮气氩气比，调节参数，继续低碳钢材料的增材制造过程。通过实时控制气体配比可以实现低碳钢材料不同孔隙大小与分布的功能材料，总结规律实现低碳钢多孔材料的可控制化，制备多孔功能材料。
本方法能够实现在低碳钢增材制造的过程中，完成多孔低碳钢材料的制备，并且可以控制不同的孔隙大小与分布，使操作过程简便，进而提高了低碳钢材料的应用范围。
一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，如图2所示，所述方法包括：
步骤1：将表面处理干净的待加工的低碳钢基板固定在可控制工作台上；
步骤2：控制焊枪与所述待加工的基板的角度为90°保持电弧垂直基板，打开双脉冲弧焊机设置各项参数；
步骤3：打开氮气瓶和氩气瓶，通过气体配比器调节不同的氮气与氩气气体配比；
步骤4：将March3系统调节好位置，加载编辑好的G代码，进行清零等初始化工作，起弧进行焊接，利用氮气在熔融态和固态状态下溶解度不同，产生的溶解度差制备出具有多孔形貌的孔系功能材料；
如图3所示，焊丝安装在焊枪中，制造过程中由于电弧作用，氮气发生部分电离产生，混合气体由焊枪内置的气体通道送入焊枪，氩气为焊接过程中可能产生的氧化进行保护，离子态的氮与熔融态的铁与碳形成配合物与其他固溶体，游离态的氮气在熔池里面发生部分溶解，随着焊接过程的进行，熔池向前凝固，未溶解的氮气来不及析出就会在熔池里面形成气孔，以此来制备多孔低碳材料。
Claims (10)
1.一种原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：MIG焊机5通过电流传感器10与碳钢基材9相连；氩气瓶7和氮气瓶8通过柔性管连接到气体配比器中6上，将混合气体从气体配比器6中输出到MIG焊机5上;送丝机4与焊枪3相连固定在导轨2上，将焊枪调节到预定位置上，完成材料堆垛过程。
2.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述焊丝在电弧热作用下呈熔融状态，保护气中的氮气发生电离，离子态的氮在氩气与氮气混合气氛下运动至熔池附近，其在熔池流动过程中进入熔池并附着于熔池的表面，随着焊接的进行，前面熔池迅速冷却凝固，未溶解的氮气来不及析出而形成一系列气孔。
3.根据权利要求书5所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述可控工作台用于放置表面处理干净的待加工低碳钢基板，并由所述控制中心Mach3系统，控制x、y、z轴伺服电机带动传动装置，实现可控制工作台在空间位置的移动，移动速度为90~120mm/min。
4.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述熔化极惰性气体保护焊增材制造方法，在焊接过程中，通过双脉冲弧焊机将电流设置为110~160A。
5.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：双脉冲弧焊机的脉冲频率为1.5HZ。
6.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述焊丝为碳钢焊丝，焊丝直径为1.2mm。
7.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：由送丝机送出来的焊丝，焊丝顶端距离基材的距离为6mm。
8.根据权利要求书8所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述氮气和氩气通过气体配比器将混合气气体流量调节为0~15L/min，气体配比器中的氮气流量调节为0.5~2L/min。
9.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述气体配比器，用于将氮气和氩气混合，调节氮气和氩气的气体配比，输出不同气体配比的混合气，从而实现不同孔隙大小与不同孔隙分布的功能材料。
10.根据权利要求书1所述的原位生成氮气孔制备孔系功能材料的制备方法，其特征在于：所述氮气瓶和氩气瓶，用于向焊接过程中所述的双脉冲焊机中输入氮气氩气混合气，其中发生部分电离的氮气与熔融态低碳钢反应生成碳氮配合物与其他固溶体，氩气对反应过程进行保护。
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