CN112548105A - 一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，包括S1、对薄壁不锈钢管和316不锈钢粉末进行预处理；S2、基于Solid Works构建薄片几何模型；S3、采用夹具将薄壁不锈钢管固定在设备坐标系中；S4、采用高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上的预设位置，采用同轴送粉的方法，将316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积，得到翅片；S5、铣削翅片表面并抛光，得到316薄片。本发明采用激光沉积方法，在薄壁不锈钢管上制造高精度的316薄片，激光束能量集中，热影响区范围小，薄壁不锈钢管不易发生变形，加工工艺周期短，材料浪费少，成本较低。

Description

一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法
技术领域
本发明属于增材制造的技术领域，具体涉及一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法。
背景技术
薄壁不锈钢管，是指壁厚与外径之比不大于6％的不锈钢管道，广泛用于石油、化工、医疗、食品、轻工、机械仪表等工业输送管道以及机械结构部件等。由于现代工业的加速发展，在某些特种环境中需要对不锈钢薄管增加薄片等特殊高精度装置。目前，在薄壁不锈钢管上制造薄片的生产技术主要有2种方式：
1.机加工；
将厚壁的不锈钢管通过车、铣、线切割等方式，加工成薄壁的管，在对应的位置留出符合要求的薄片。此加工方式，工艺周期长，加工难度大，工件易变形。
2.焊接；
将薄片通过焊接的方式固定在薄管上，此工艺对薄管产生的热应力大，薄管和薄片都易变形，精度不受控。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其包括：
S1、对薄壁不锈钢管和316不锈钢粉末进行预处理；
S2、基于Solid Works构建薄片几何模型；
S3、采用夹具将薄壁不锈钢管固定在设备坐标系中；
S4、采用高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上的预设位置，采用同轴送粉的方法，将316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积，得到翅片；
S5、铣削翅片表面并抛光，得到316薄片。
优选地，S1中对薄壁不锈钢管进行预处理，包括：
将薄壁不锈钢管置于酒精里，采用超声波清洗2～60min，并用电吹风吹干。
优选地，S1中对316不锈钢粉末进行预处理，包括：
将粒度为20～200μm的316不锈钢粉末置于干燥箱中干燥，干燥温度为50～100℃，时间为1～10h。
优选地，S2中薄片的长度为1～800mm，厚度为0.5～5mm。
优选地，S4中激光功率为100～1000W，光斑直径为0.5～1.5mm，离焦量为0.1～1.0mm，扫描速度为5～40mm/s，保护气流为5～30L/min，送粉气流为5～30L/min，送粉量为5～30g/min。
优选地，送粉气体与保护气体均采用氩气。
本发明提供的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，具有以下有益效果：
本发明在薄壁不锈钢管激光上沉积制造的316薄片，无裂纹等明显缺陷，表面的平整度较好，与不锈钢管的切线的垂直度好，精度高，薄壁不锈钢管无明显变形；晶粒细小，组织均匀，无微裂纹和孔洞等缺陷，与基材结合良好；薄片抗拉强度高，塑性好；致密度高，导电性良好，耐腐蚀性好；且工艺加工周期短，成本较低，具有较强的实用性和推广性。
附图说明
图1为实施例2激光沉积316薄片及薄壁管的宏观形貌。
图2为本发明实施例2激光沉积316薄片的微观结构。
图3为本发明实施例2激光沉积316薄片及薄壁管的显微硬度分布。
图4为本发明实施例2激光沉积316薄片及薄壁管的抗拉强度。
图5为本发明实施例2激光沉积316薄片的拉伸断口形貌。
图6为本发明实施例2激光沉积316薄片及薄壁管的密度。
图7为本发明实施例2激光沉积316薄片及薄壁管的电阻率。
图8为本发明实施例2激光沉积316薄片的腐蚀形貌。
图9为本发明实施例3激光沉积316薄片及薄壁管的宏观形貌。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的实施例1，本方案的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，包括：
S1、对薄壁不锈钢管和316不锈钢粉末进行预处理，具体包括：
将薄壁不锈钢管置于酒精里，采用超声波清洗2～60min，祛除表面的油污及杂质，用电吹风吹干。
以316不锈钢粉末为原材料，粒度为20～200μm，置于干燥箱中干燥处理，温度50～100℃，时间1～10h。
S2、基于Solid Works构建薄片几何模型，除采用Solid Works建模，还可采用其它软件进行建模，比如Pro/E、UG等CAD软件。
S3、采用夹具将薄壁不锈钢管固定在设备坐标系中。
S4、采用高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上的预设位置，采用同轴送粉的方法，将316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积，得到翅片，其工艺参数为：
激光功率为100～1000W，光斑直径为0.5～1.5mm，离焦量为0.1～1.0mm，扫描速度为5～40mm/s，保护气流为5～30L/min，送粉气流为5～30L/min，送粉量为5～30g/min，送粉气体与保护气体均采用氩气。
S5、铣削翅片表面并抛光，得到316薄片。
激光金属熔化沉积成形技术是金属增材技术的一种，是集计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制、材料科学、精密伺服等技术于一体，它可以在无需任何硬质工模具或模型的情况下，不受加工零件形状和材料的限制，根据计算机三维立体模型经过单一加工过程快速制造出不同材料的全密度、高性能的复杂形状金属零件。本发明采用激光沉积技术，在薄壁不锈钢管上制造高精度的316薄片，激光束能量集中，热影响区范围小，薄壁不锈钢管不易发生变形，加工工艺周期短，材料浪费少，成本较低。
根据本申请的实施例2，其具体包括：
A1、将316薄壁不锈钢管置于酒精里，超声波清洗10min，祛除表面的油污及杂质，用电吹风吹干；以316不锈钢粉末为原材料，粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度60℃，时间8h。
A2、采用Pro/E软件在计算机上构建出薄片的几何模型，薄片的长度为40mm，厚度为1mm，高度为5mm。
A3、将上述处理后的薄壁不锈钢管用专用夹具固定在设备坐标系中。
A4、以高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上规定的位置，采用同轴送粉的方式，将上述处理后的不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
其工艺参数为：
激光功率为500W，光斑直径为1.0mm，离焦量为1.5mm，扫描速度为20mm/s，保护气流为15L/min，送粉气流为10L/min，送粉量为12g/min，送粉气体与保护气体均采用氩气。
A5、铣削翅片表面、抛光，得到符合要求的316薄片。
参考图1，薄片无裂纹等明显缺陷，表面的平整度较好，与不锈钢管的切线的垂直度好，薄壁不锈钢管无明显变形，达到既定要求。
参考图2，采用日立SU3500型扫描电镜(SEM)和4XB型光学金相显微镜(OM)观察316管和薄片的微观结构。如图3为激光沉积316薄片的微观结构，由图可知，薄片的晶粒细小，组织均匀，无微裂纹和孔洞等缺陷；薄片与薄壁管的结合良好；热影响区小。
参考图3，使用HV-1000A型自动转塔维氏硬度计测试316管和薄片的显微硬度，载荷为0.5kgf，保荷时间10s。图3为激光沉积316薄片及薄壁管的显微硬度分布，由图可知，薄片的硬度均匀性较好，平均硬度为245.2HV0.5，比薄壁管的平均硬度(216.625HV0.5)高13.2％。
参考图4和图5，采用WEW-200型微控电子万能试验机测试316薄壁管和激光沉积薄片的抗拉强度及伸长率，拉伸速度v＝1mm/min。316薄壁管的抗拉强度Rm＝650.5MPa，激光沉积的316薄片抗拉强度Rm＝597.3MPa，如图4所示。激光沉积的316薄片抗拉强度Rm可达到316薄壁管的91.8％。图5为激光沉积的316薄片的拉伸断口形貌，可见明显的撕裂纹，韧窝细小，其伸长率A可达40.2％。
参考图6，用MH-300A型电子密度计测试密度ρ。图6激光沉积316薄片及薄壁管的密度，可见激光沉积316薄片的密度ρ可达到316薄壁管的98.95％，致密度高，内部孔洞类缺陷少。
参考图7，用PC9A型数字微欧计测试电阻率。图7激光沉积316薄片及薄壁管的电阻率，激光沉积316薄片的导电性可达到316薄壁管的75.4％。
参考图8，在3.5％(质量分数)的NaCl溶液里浸泡腐蚀168h，实验前后将试样放入酒精中超声清洗5min，吹干以后使用精度为0.1mg的LQ10001A型电子天平称量腐蚀前后的试样质量，根据失重量/面积来衡量涂层的耐腐蚀性。316薄壁管的腐蚀单位面积失重率为0.104mg/cm2，激光沉积的316薄片的腐蚀单位面积失重率为0.112mg/cm2。2者都表现出很好的耐腐蚀性，激光沉积的316薄片的耐腐蚀性比316薄壁管略差，图8为激光沉积316薄片的腐蚀形貌，腐蚀主要发生在沉积层之间。
综上所述，本发明在薄壁不锈钢管激光上沉积制造的316薄片，无裂纹等明显缺陷，表面的平整度较好，与不锈钢管的切线的垂直度好，精度高，薄壁不锈钢管无明显变形；晶粒细小，组织均匀，无微裂纹和孔洞等缺陷，与基材结合良好；薄片抗拉强度高，塑性好；致密度高，导电性良好，耐腐蚀性好。
根据本申请的实施例3，其具体包括：
B1、将304薄壁不锈钢管置于酒精里，超声波清洗20min，祛除表面的油污及杂质，用电吹风吹干；以316不锈钢粉末为原材料，粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度80℃，时间8h。
B2、用Pro/E软件在计算机上构建出薄片的几何模型，薄片的长度为30mm，厚度为1mm，高度为4mm。
B3、将上述处理后的薄壁不锈钢管用专用夹具固定在设备坐标系中。
B4、以高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上规定的位置，采用同轴送粉的方式，将上述处理后的不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
其工艺参数为：
激光功率为600W，光斑直径为1.0mm，离焦量为1.5mm，扫描速度为25mm/s，保护气流为20L/min，送粉气流为15L/min，送粉量为12g/min，送粉气体与保护气体均采用氩气。
B5、铣削翅片表面、抛光，得到316薄片。
图9为实施例3激光沉积316薄片及薄壁管的宏观形貌。由图可知，薄片无裂纹等明显缺陷，表面的平整度好。
根据本申请的实施例4，其具体包括：
C1、将316薄壁不锈钢管置于酒精里，超声波清洗5min，祛除表面的油污及杂质，用电吹风吹干；以316不锈钢粉末为原材料，粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度80℃，时间8h。
C2、用Pro/E软件在计算机上构建出薄片的几何模型，薄片的长度为30mm，厚度为1mm，高度为5mm。
C3、将上述处理后的薄壁不锈钢管用专用夹具固定在设备坐标系中。
C4、以高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上规定的位置，采用同轴送粉的方式，将上述处理后的不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
其工艺参数为：
激光功率为400W，光斑直径为1.0mm，离焦量为1.5mm，扫描速度为15mm/s，保护气流为20L/min，送粉气流为15L/min，送粉量为12g/min，送粉气体与保护气体均采用氩气。
C5、铣削翅片表面、抛光，得到316薄片。
根据本申请的实施例5，其具体包括：
D1、将304薄壁不锈钢管置于酒精里，超声波清洗10min，祛除表面的油污及杂质，用电吹风吹干；以316不锈钢粉末为原材料，粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度80℃，时间8h。
D2、采用Pro/E软件在计算机上构建出薄片的几何模型，薄片的长度为50mm，厚度为1mm，高度为5mm。
D3、将上述处理后的薄壁不锈钢管用专用夹具固定在设备坐标系中。
D4、以高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上规定的位置，采用同轴送粉的方式，将上述处理后的不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
其工艺参数为：
激光功率为700W，光斑直径为1.0mm，离焦量为1.5mm，扫描速度为30mm/s，保护气流为20L/min，送粉气流为15L/min，送粉量为12g/min，送粉气体与保护气体均采用氩气。
D5、铣削翅片表面、抛光，得到316薄片。
综上所述，本发明相对于传统技术，具有实质性的特点和显著的进步，具体如下；
(1)无裂纹等明显缺陷，表面的平整度较好，与不锈钢管的切线的垂直度好，精度高，薄壁不锈钢管无明显变形。
(2)晶粒细小，组织均匀，无微裂纹和孔洞等缺陷，与基材结合良好，热影响区小。
(3)薄片抗拉强度Rm可达到316薄壁管的91.8％，拉伸断口有明显的撕裂纹，韧窝细小，伸长率A可达40.2％。
(4)薄片密度ρ可达到316薄壁管的98.95％，致密度高，内部孔洞类缺陷少。
(5)导电性可达到316薄壁管的75.4％；(6)与316薄壁管一样，具有很好的耐腐蚀性，腐蚀主要发生在沉积层之间。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其特征在于，包括：
S1、对薄壁不锈钢管和316不锈钢粉末进行预处理；
S2、基于Solid Works构建薄片几何模型；
S3、采用夹具将薄壁不锈钢管固定在设备坐标系中；
S4、采用高能量的激光作为能量源，在薄壁不锈钢管上的预设位置，采用同轴送粉的方法，将316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积，得到翅片；
S5、铣削翅片表面并抛光，得到316薄片。
2.根据权利要求1所述的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其特征在于，所述S1中对薄壁不锈钢管进行预处理，包括：
将薄壁不锈钢管置于酒精里，采用超声波清洗2～60min，并用电吹风吹干。
3.根据权利要求1所述的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其特征在于，所述S1中对316不锈钢粉末进行预处理，包括：
将粒度为20～200μm的316不锈钢粉末置于干燥箱中干燥，干燥温度为50～100℃，时间为1～10h。
4.根据权利要求1所述的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其特征在于，所述S2中薄片的长度为1～800mm，厚度为0.5～5mm。
5.根据权利要求1所述的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其特征在于：所述S4中激光功率为100～1000W，光斑直径为0.5～1.5mm，离焦量为0.1～1.0mm，扫描速度为5～40mm/s，保护气流为5～30L/min，送粉气流为5～30L/min，送粉量为5～30g/min。
6.根据权利要求5所述的薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法，其特征在于，送粉气体与保护气体均采用氩气。
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