CN112404668B - 一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电弧增材制造领域，具体涉及一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法。该装置包括：焊枪，气粉传送机构，包括焊枪，送气送粉机构和铺粉辊；焊枪为双丝熔化极气体保护焊枪，所述送气送粉机构设置在焊枪的一侧，通过送气送粉机构将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域。本发明采用边增材边铺粉的方式，利用增材过程中熔池后方高温区使铺设粉末部分熔化，在增材下一层时上一层熔敷金属部分发生重熔，使得上层熔敷金属表面铺设的含氮粉末熔化进入熔池，有效降低了增材过程的热输入，以及直接采用含氮丝材电弧增材时氮溢出形成的飞溅等问题。

Description

一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法

技术领域

本发明属电弧增材制造领域，具体涉及一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法。

背景技术

高氮钢中的间隙元素氮与其他合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等)协调作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性能、耐腐蚀性能等。但是氮在大气压下氮溶解度非常低，加入很困难，由于加入量少，其有利影响不太明显。而高氮钢中的N含量一般超过0.4％，导致在制备高氮钢时不可避免的由于N的溢出形成气孔等缺陷。并且在焊接增材过程中N的溢出会导致熔滴爆炸，形成较大的飞溅，使得成型质量较差。

现有的增材高氮钢的技术中N的来源主要有保护气N2、含氮粉末、高氮钢焊丝等，主要是将含氮粉末或焊丝送入电弧中，利用电弧热使其加热熔化。这些方法虽然在一定程度上减小了热输入，控制了N的溢出和飞溅的产生，但是增氮的效果仍然差强人意。

中国专利(201210250419.3)公开了一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，其采用了双层氮气保护，由于氮气在钢中的溶解度较低，只能渗透材料的表面，达到表面强化的效果，所以其增氮效果较差，且不能送丝添粉，只能作为一种材料表面强化的手段。中国专利(CN201620012045.5)公开了一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其采用了丝-粉同轴添加，虽然采用送粉的方式增氮，电弧的能量一部分用于熔化金属粉末，在一定程度上降低了热输入，但是熔化的金属粉末随同熔滴一起进入熔池，将热量传递给母材，提高了电弧的热效率，熔池的温度较高，导致氮容易溢出，形成气孔和飞溅，影响成形件性能和成型质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法，可实现双丝电弧增材的同时添加合金粉末，以进一步解决增材高氮钢时效率低和气孔飞溅问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置，包括焊枪，送气送粉机构和铺粉辊；

所述焊枪为双丝熔化极气体保护焊枪，所述送气送粉机构设置在焊枪的一侧，通过送气送粉机构将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域。

进一步的，所述焊枪的外壁固设有与双丝连线平行的导轨Ⅰ，且设有垂直于焊枪外壁面的导轨Ⅱ，使得所述送气送粉机构的前、后、左、右运动；所述导轨Ⅰ和导轨Ⅱ上设有限位块，用于对送气送粉机构位置的固定。

进一步的，所述送气送粉机构的上端设有送气口和送粉口，所述送粉口上装有送粉调速器，所述送气口上装有气体流量计。

进一步的，所述送气送粉机构的出气出粉口距工件距离比焊枪端部距工件距离小6mm，且送气送粉机构的出气出粉口为弧形管道。

进一步的，所述送气送粉机构远离焊枪的一侧设有铺粉辊，所述铺粉辊用于将送气送粉机构输送的氮化物粉末铺设均匀。

进一步的，所述铺粉辊上部设有弹簧连杆，使得铺粉辊根据工件的不平整度上下可调。

进一步的，还包括连杆挡板，所述连杆挡板与送气送粉机构外侧壁连接，所述弹簧连杆设置在连杆挡板内，所述弹簧连杆包括连杆Ⅰ，弹簧和连杆Ⅱ；

所述连杆Ⅰ为空心杆，连杆Ⅰ一端与连杆挡板连接，内部设有弹簧，所述连杆Ⅱ为阶梯式实心杆，直径较大的一端设置在连杆Ⅰ，直径较小的一端与铺粉辊连接，所述弹簧上端固定，弹簧下端与连杆Ⅱ连接。

进一步的，所述弹簧的弹性系数为20—33N/m，最大伸缩量为5cm；铺粉辊为圆柱形辊，其直径为1-3cm，长度为焊枪宽度的2/3；所述焊枪用耐热材料SiC陶瓷制造。

一种利用上述的装置进行电弧增材的方法，包括如下步骤：

步骤(1)根据目标高氮钢的合金成分，选择合适的焊丝和配制合金粉末；

通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％，选择低碳钢焊丝作为送丝原料；

根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量W_if％比，经修正关系式W_if_修正％≈W_if％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值W_if_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；

步骤(2)选择合适的送丝速率和送粉速率；

根据目标高氮钢中合金元素i的含量W_i％与铁元素含量的关系式∑W_i％：W_Fe％＝α:β，得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β，确定送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比α:β，设进入熔池中的原料粉末质量m_粉＝V_f×Δt，进入熔池的送丝原料的质量m_丝＝(π/4ρ₁d₁ ²V_s1+π/4ρ₂d₂ ²V_s2)×Δt，其中V_f为添粉速率，单位为g/min；V_s1、V_s2为送丝速率，单位为m/min；d₁、d₂为焊丝直径，单位为m；ρ₁、ρ₂为焊丝密度，单位为g/m³；Δt为时间，单位为min；

根据公式确定送粉速率V_f与送丝速率V_s1和V_s2参数匹配关系，得简化公式V_f:[K×(V_s1+V_s2)]＝α:β；

选取送丝送率V_s1和V_s2，根据公式V_f:[K×(V_s1+V_s2)]＝α:β，得出送粉速率V_f；

步骤(3)调节双丝熔化极焊枪、填丝丝材与工件表面间距；

步骤(4)调节导轨Ⅱ(3)和送气送粉机构(9)，使合金粉末离开出粉口后可准确的进入电弧后侧的高温区域，铺粉辊(6)将随着焊枪(1)运动而运动，使铺设在路径上和合金粉末更加致密均匀；

步骤(5)启动电源，开始增材目标高氮钢构件；首先，调节送粉口(8)上的送粉调速器和送气口(7)上的气体流量计，达到合适的送粉速率V_f和送气速率V_气1，以及双丝熔化极气体保护焊枪的送丝速率为V_s1和Vs₂，保护气速率为V_气2，然后开始进行增材；

步骤(6)根据目标高氮钢结构件实际形状尺寸确定增材路线，以焊接速率v进行增材，每一层增材完后，将焊枪提高一个层厚，层间等待后，开始增材下一层；重复增材过程最终获得高氮钢结构件。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明方法采用边增材边铺粉的方式，利用增材过程中熔池后方高温区使铺设粉末部分熔化，在增材下一层时上一层熔敷金属部分发生重熔，使得上层熔敷金属表面铺设的含氮粉末熔化进入熔池；有效降低了增材过程的热输入，以及直接采用含氮丝材电弧增材时氮溢出形成的飞溅等问题。

附图说明

图1为本发明的外送粉电弧增材装置主视图。

图2为本发明的外送粉电弧增材装置侧视图。

图3为本发明的弹簧连杆结构示意图。

附图标记说明：

1-焊枪，2-导轨Ⅰ，3-导轨Ⅱ，4-连杆挡板，5-弹簧连杆，6-铺粉辊，7-送气口，8-送粉口，9-送气送粉机构，10-连杆Ⅰ，11-弹簧，12-连杆Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图3所示，一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置，包括：

一双丝熔化极气体保护焊枪1；

送气送粉机构9，其内设有与双丝熔化极气体保护焊枪轴线平行的送气送粉通道；将与双丝连线平行的导轨定义为导轨一，与双丝连线垂直的导轨定义为导轨Ⅱ，送气送粉机构9与导轨Ⅱ3相连接，可实现送气送粉机构9沿着焊接方向前后运动；导轨Ⅱ3与导轨Ⅰ2相连接，实现送气送粉机构9垂直焊接方向左右运动；导轨Ⅰ2内开有螺孔，通过螺栓与双丝熔化极保护焊枪1进行紧固连接；连杆挡板4通过螺栓与送气送粉通道外壁相连接；所述的连杆挡板4内有可受力收缩的弹簧连杆5，所述的弹簧连杆由连杆Ⅰ10、连杆Ⅱ12、弹簧11组成，连杆Ⅰ10为空心杆，一端开有内螺纹，可与连杆挡板4紧固连接，弹簧11置于连杆Ⅰ10内部，连杆Ⅱ12为阶梯式实心连杆，一端与连杆Ⅰ10相连接，一端与铺粉辊6连接，当铺粉辊6受力时向上运动，连杆Ⅱ12将压缩弹簧11；所述的送粉送气通道分别开有送气口7与送粉口8。

所述的导轨Ⅱ3和导轨Ⅰ2内有限位块，可对导轨Ⅱ和送气送粉机构9进行固定，消除因抖动导致的位置偏移。送粉口8和送气口7上分别装有送粉调速器和气体流量计。

所述的弹簧连杆5弹性系数为20—33N/m，最大伸缩量为5cm；

所述的铺粉辊6直径为1-3cm,长度为双丝熔化极焊枪1宽度的2/3；

所述的双丝熔化极气体保护焊枪1用耐热材料SiC陶瓷制造；

所述的送气送粉通道的出气出粉口距工件距离比双丝熔化极焊枪1端部距工件距离小6mm，且出气出粉口为弧形管道；

本发明采用更加高效的双丝电弧增材制造方法对高氮钢进行电弧增材，同时采用位于电弧后侧的送粉装置将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域，利用电弧后侧高温区域对氮化物粉末加热熔化，同时增材下一层时上一层未熔化的合金粉末也将熔化进入熔池，降低了增材过程中的热输入，有效抑制了N的溢出。由于所采用的丝材不含N或者含N量低，有效避免了丝材熔化形成熔滴向熔池过渡过程中爆炸产生的飞溅，降低了环境的污染和提高了焊缝的成型质量。

实施例1

利用上述装置，采用上述用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法制备高氮钢构件，其尺寸为100mm×100mm×40mm。其具体步骤如下：

步骤1，根据目标高氮钢的合金成分，选择合适的焊丝和配制合金粉末。通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量WFe％；两根丝材均选择选用H08Mn2Si焊丝作为送丝原料，其化学成分要求如表1所示；

表1H08Mn2SiA焊丝化学成分(％)

根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值Wif修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；

氮化物合金粉末原料包括：氮化铬粉末、氮化锰粉末、铬粉、金属锰粉、钼粉。目标高氮钢的成分要求如表2所示。

表2目标高氮钢的化学成分要求(％)

当粉末按CrN:MnN:Cr:Mn:Mo＝4：4：18.85：11.8：1.5时，满足目标产品合金元素成分含量比。根据修正关系式Wif修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)，修正得到原料粉末的配方为：CrN:MnN:Cr:Mn:Mo＝4：4：19：12：1.5时，与钢焊丝配合使用可以打印出高氮钢制品，且高氮钢制品的成分为N:1.66％,Mn:15％,Cr:22％,Mo:1.5％,余量为铁。

步骤2，选择合适的送丝速率和送粉速率。

根据目标高氮钢中合金元素i的含量Wi％与铁元素含量的关系式∑Wi％：WFe％＝α:β，得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β＝2:3，确定送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比α:β＝2:3，设进入熔池中的原料粉末质量m粉＝Vf×Δt，进入熔池的送丝原料的质量m丝＝(π/4ρ1d12Vs1+π/4ρ2d22Vs2)×Δt，其中Vf为添粉速率，单位为g/min；Vs1、Vs2为送丝速率，单位为m/min；d1、d2为焊丝直径，单位为m；ρ1、ρ2为焊丝密度，单位为g/m3；Δt为时间，单位为min；

根据公式m粉：m丝＝Vf×Δt：(π/4ρ1d12Vs1+π/4ρ2d22Vs2)×Δt＝2:3，由于两根丝材相同，故ρ1＝ρ2、d1＝d2、Vs1＝Vs2。确定送粉速率Vf与送丝速率Vs1参数匹配关系，得简化公式Vf:(2K×Vs1)＝α:β；焊丝的密度ρ＝7.85g/cm 3，直径d＝1.6mm，代入计算得K＝7.89g/m。

选取送丝速率Vs为5m/min；再通过公式Vf:(2K×Vs)＝α:β，得出送粉速率Vf＝52.6g/min；

步骤3，调节双丝熔化极焊枪(1)、填丝丝材与工件表面间距。

步骤4，调节导轨二(3)和送气送粉装置(9)，使合金粉末离开出粉口后可准确的进入电弧后侧的高温区域，铺粉辊(6)将随着焊枪(1)运动而运动，使铺设在路径上和合金粉末更加致密均匀；

步骤5，启动电源，开始增材目标高氮钢构件。首先，调节送粉口(8)上的送粉调速器和送气口(7)上的气体流量计，达到合适的送粉速率Vf和送气速率V气1，以及双丝熔化极气体保护焊枪的送丝速率为Vs1和Vs2，保护气速率为V气2，然后开始进行增材；

步骤6，根据目标高氮钢结构件实际形状尺寸确定增材路线，以焊接速率v进行增材，每一层增材完后，将焊枪提高一个层厚，层间等待后，开始增材下一层；重复增材过程最终获得高氮钢结构件。

Claims (6)

1.一种利用外送粉电弧增材装置进行电弧增材的方法，其特征在于，增材装置包括焊枪(1)，送气送粉机构(9)和铺粉辊(6)；所述焊枪(1)为双丝熔化极气体保护焊枪，所述送气送粉机构(9)设置在焊枪(1)的一侧，通过送气送粉机构(9)将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域；所述焊枪(1)的外壁固设有与双丝连线平行的导轨Ⅰ(2)，且设有垂直于焊枪(1)外壁面的导轨Ⅱ(3)，使得所述送气送粉机构(9)的前、后、左、右运动；所述导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)上设有限位块，用于对送气送粉机构(9)位置的固定；所述送气送粉机构(9)的上端设有送气口(7)和送粉口(8)，所述送粉口(8)上装有送粉调速器，所述送气口(7)上装有气体流量计；

方法包括如下步骤：

步骤(1)根据目标高氮钢的合金成分，选择合适的焊丝和配制合金粉末；

通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％，选择低碳钢焊丝作为送丝原料；

根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量W_if％比，经修正关系式W_if_修正％≈W_if％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值W_if_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；

步骤(2)选择合适的送丝速率和送粉速率；

根据目标高氮钢中合金元素i的含量W_i％与铁元素含量的关系式∑W_i％：W_Fe％＝α:β，得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β，确定送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比α:β，设进入熔池中的原料粉末质量m_粉＝V_f×Δt，进入熔池的送丝原料的质量m_丝＝(π/4ρ₁d₁ ²V_s1+π/4ρ₂d₂ ²V_s2)×Δt，其中V_f为添粉速率，单位为g/min；V_s1、V_s2为送丝速率，单位为m/min；d₁、d₂为焊丝直径，单位为m；ρ₁、ρ₂为焊丝密度，单位为g/m³；Δt为时间，单位为min；

根据公式确定送粉速率V_f与送丝速率V_s1和V_s2参数匹配关系，得简化公式V_f:[K×(V_s1+V_s2)]＝α:β；

选取送丝送率V_s1和V_s2，根据公式V_f:[K×(V_s1+V_s2)]＝α:β，得出送粉速率V_f；

步骤(3)调节双丝熔化极焊枪、填丝丝材与工件表面间距；

步骤(4)调节导轨Ⅱ(3)和送气送粉机构(9)，使合金粉末离开出粉口后可准确的进入电弧后侧的高温区域，铺粉辊(6)将随着焊枪(1)运动而运动，使铺设在路径上和合金粉末更加致密均匀；

步骤(5)启动电源，开始增材目标高氮钢构件；首先，调节送粉口(8)上的送粉调速器和送气口(7)上的气体流量计，达到合适的送粉速率V_f和送气速率V_气1，以及双丝熔化极气体保护焊枪的送丝速率为V_s1和Vs₂，保护气速率为V_气2，然后开始进行增材；

步骤(6)根据目标高氮钢结构件实际形状尺寸确定增材路线，以焊接速率v进行增材，每一层增材完后，将焊枪提高一个层厚，层间等待后，开始增材下一层；重复增材过程最终获得高氮钢结构件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述送气送粉机构(9)的出气出粉口距工件距离比焊枪(1)端部距工件距离小6mm，且送气送粉机构(9)的出气出粉口为弧形管道。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述送气送粉机构(9)远离焊枪(1)的一侧设有铺粉辊(6)，所述铺粉辊(6)用于将送气送粉机构(9)输送的氮化物粉末铺设均匀。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铺粉辊(6)上部设有弹簧连杆(5)，使得铺粉辊(6)根据工件的不平整度上下可调。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括连杆挡板(4)，所述连杆挡板(4)与送气送粉机构(9)外侧壁连接，所述弹簧连杆(5)设置在连杆挡板(4)内，所述弹簧连杆(5)包括连杆Ⅰ(10)，弹簧(11)和连杆Ⅱ(12)；

所述连杆Ⅰ(10)为空心杆，连杆Ⅰ(10)一端与连杆挡板(4)连接，内部设有弹簧(11)，所述连杆Ⅱ(12)为阶梯式实心杆，直径较大的一端设置在连杆Ⅰ(10)内，直径较小的一端与铺粉辊(6)连接，所述弹簧(11)上端固定，弹簧(11)下端与连杆Ⅱ(12)连接。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述弹簧(11)的弹性系数为20—33N/m，最大伸缩量为5cm；铺粉辊(6)为圆柱形辊，其直径为1-3cm，长度为焊枪(1)宽度的2/3；所述焊枪(1)用耐热材料SiC陶瓷制造。

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