CN112846567A - 一种奥氏体不锈钢焊丝及其电弧增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

一种奥氏体不锈钢焊丝及其电弧增材制造工艺，属于增材制造技术领域，该焊丝的成分为：C：0.01％～0.03％，Si：0.50％～0.65％，Mn：1.5％～2.0％，Cr：19.0％～20.0％，Ni：9.0％～11.0％，Cu：0.05％～0.06％，P：0～0.025％，S：0～0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。制造的工艺流程为：冶炼→锻造→热轧→拉丝→热处理→光亮处理→焊丝成品。优点在于，焊丝适用于复杂结构件的电弧增材制造，增材制造结构件具有良好的强韧性和耐蚀性，‑40℃冲击吸收功≥75J，抗拉强度≥550MPa，其耐蚀性略高于传统锻件。

Description

一种奥氏体不锈钢焊丝及其电弧增材制造工艺
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种奥氏体不锈钢焊丝及其电弧增材制造工艺，适用于增材制造的奥氏体不锈钢焊丝及其电弧增材制造。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)是基于“离散-堆积”的原理，结合计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，通过逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。增材制造作为全新的制造方式，是今后制造业中的关键技术，将改变人们的生产生活方式。
增材制造按照热源不同可分为激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造。电弧增材制造是以电弧为热源，原材料为丝材，其生产的周期更短，材料利用率更高，尤其是在制造大型构件时，较激光、电子束熔丝或熔粉增材制造工艺，电弧增材制造相具有更高的效率。脉冲(P)和冷金属过渡(CMT)复合电弧增材制造技术具有如下优点：(1)电弧熔丝具有较高的熔化效率；(2)增材制造过程采用无飞溅的冷金属过渡模式，有效降低增材件的热输入量；(3)增材制造过程电弧稳定，可获得良好的焊缝成型性；(4)具有较好的抗气孔性能。
奥氏体不锈钢增材制造过程中，成形构件反复受到热循环的影响，尤其是中大型结构件，冷却速度逐层降低，底层的增材制造成形层处于不锈钢的敏化区间，易析出Cr23C6等碳化物，降低晶界的含铬量，造成材料耐蚀性降低；逐层加热过程中，易造成增材制造成形组织的粗化，导致结构强度和韧性的降低；奥氏体柱状晶结晶过程中极易生成热裂纹。因此，奥氏体不锈钢增材制造要解决敏化区间、晶粒粗化和热裂纹等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢丝材及其电弧增材制造工艺，解决了敏化区间、晶粒粗化和热裂纹等问题；加快其工业化进程。适用于增材制造的奥氏体不锈钢焊丝及其脉冲和冷金属过渡复合电弧增材制造工艺，增材制造结构件获得优良的强韧性和耐蚀性能。
为了实现上述的目的，本发明提供了如下的技术方案：
本发明的适用于电弧增材制造的奥氏体不锈钢丝材：其化学成分按重量百分比为：C：0.01％～0.03％，Si：0.50％～0.65％，Mn：1.5％～2.0％，Cr：19.0％～20.0％，Ni：9.0％～11.0％，Cu：0.05％～0.06％，P：0～0.025％，S：0～0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
所述的奥氏体不锈钢焊丝通过“冶炼→锻造→热轧→拉丝→热处理→光亮处理→焊丝成品”技术路线制备。
本发明所述的奥氏体不锈钢焊丝适用于脉冲和冷金属过渡(CMT即Cold metaltransfer)复合模式，其中脉冲和CMT比例为4:1；脉冲模式下脉冲峰值电流Ip为370A～380A，基值电流Ib为20～30A，脉冲频率为20～30Hz；CMT焊接电流为155A～165A，焊接电压为19～22V，焊接速度为8.0～12.0mm/s，送丝速度为5.5～7.0m/min；增材制造过程中保护气体为Ar+0～2.5％CO2，气体流量为15～20L/min，层间温度≤150℃。
本发明所述的奥氏体不锈钢焊丝，适用于复杂结构件的电弧增材制造，尤其是厚度≥5mm的中大型结构件。采用所述的奥氏体不锈钢焊丝制造的增材制造结构件具有良好的强韧性和耐蚀性，-40℃冲击吸收功≥75J，抗拉强度≥550MPa，耐蚀性略高于传统锻件。
与现有制造工艺相比，本发明的有益效果在于：
本发明所述的焊丝，显著降低奥氏体不锈钢热影响区敏化倾向，改善增材制造结构的耐腐蚀性能。增材制造结构件具有良好的强度和韧性，-40℃冲击吸收功≥75J，抗拉强度≥550MPa，为电弧增材制造技术在更广泛的应用领域奠定基础。
附图说明
图1为本发明实分层增材制造路径示意图(a首层外框、b.奇数层、c.偶数层)。
图2为本发明实施例1增材制造显微SEM组织图。
图3为本发明实施例2增材制造金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进行对本发明技术方案进行详细描述。
针对上述目的，本发明提供一种适用于电弧增材制造的奥氏体不锈钢焊丝，其化学成分按重量百分数表示为：C：0.01％～0.03％，Si：0.50％～0.65％，Mn：1.5％～2.0％，Cr：19.0％～20.0％，Ni：9.0％～11.0％，Cu：0.05％～0.06％，P：0～0.025％，S：0～0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。其中，奥氏体不锈钢受热过程中，C元素在易发生敏化反应，与晶界的Cr元素发生反应，生成Cr23C6造成晶界贫Cr，晶界耐蚀性下降导致晶间腐蚀的而产生，因此本发明中焊丝中碳含量为0.03％～0.06wt％。
本发明所述的奥氏体不锈钢焊丝通过“冶炼→锻造→热轧→拉丝→热处理→光亮处理→焊丝成品”技术路线制备，具体步骤为：根据本发明焊丝的化学成分范围进行真空冶炼，对冶炼好的钢锭热轧制成盘条，在进行热处理、拉拔，获得直径为1.2mm的焊丝。
本发明的奥氏体不锈钢焊丝适用于复杂结构件的电弧增材制造，尤其是厚度≥5mm的中大型结构件。采用所述的奥氏体不锈钢焊丝制造的增材制造结构件具有良好的强韧性和耐蚀性，-40℃冲击吸收功≥75J，抗拉强度≥550MPa，耐蚀性略高于传统锻件。
实施例1
采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.11％，Mn：1.52％，Si：0.50％，Cr：19.07％，Ni：9.05％，Cu：0.052％，P:0.010％，S：0.008％，余量为Fe。采用脉冲和冷金属过渡复合电弧增材制造技术进行制造。脉冲和冷金属过渡的比例为4:1，保护气体为Ar+2.5％CO2，成形路径为分层S型(如图1所示)，奇偶层成形路径方向相互垂直，送丝速度为5.7m/min。增材制造脉冲模式工艺参数如表1所示，CMT模式工艺参数如表2所示。成形组织为奥氏体和少量δ-铁素体(如图2所示)，成形结构件最小厚度5.0mm，无裂纹、气孔等缺陷，抗拉强度577MPa，-40℃冲击吸收功76J。在3.5％NaCl溶液中，增材制造试件为-0.2149V，高于锻造304不锈钢的自腐蚀电位为-0.22941V，耐蚀性能略高于传统锻件。
表1增材制造脉冲模式工艺参数
Figure BDA0002880632810000041
表2增材制造CMT模式工艺参数
Figure BDA0002880632810000042
实施例2
采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.30％，Mn：1.98％，Si：0.62％，Cr：19.89％，Ni：10.95％，Cu：0.058％，P:0.022％，S：0.013％，余量为Fe。采用脉冲和冷金属过渡复合电弧增材制造技术进行制造。脉冲和冷金属过渡的比例为4:1，保护气体为Ar+2.0％CO2，成形路径为分层S型，送丝速度为6.8m/min。增材制造脉冲模式工艺参数如表3所示，CMT模式工艺参数如表4所示。成形组织为奥氏体和少量δ-铁素体(如图3所示)，成形结构件无裂纹和气孔，焊缝金属抗拉强度为582MPa，-40℃冲击吸收功为83J。在3.5％NaCl溶液中，增材制造试件为-0.2126V，高于锻造304不锈钢的自腐蚀电位为-0.22941V，耐蚀性能略高于传统锻件。
表3增材制造脉冲模式工艺参数
Figure BDA0002880632810000051
表4增材制造CMT模式工艺参数
Figure BDA0002880632810000052
实施例3
采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.20％，Mn：1.63％，Si：0.55％，Cr：19.36％，Ni：9.87％，Cu：0.054％，P:0.015％，S：0.010％，余量为Fe。采用脉冲和冷金属过渡复合电弧增材制造技术进行制造。脉冲和冷金属过渡的比例为4:1，保护气体为Ar，成形路径为分层S型，送丝速度为6.5m/min。增材制造脉冲模式工艺参数如表5所示，CMT模式工艺参数如表6所示。成形组织为奥氏体和少量δ-铁素体，成形结构件无裂纹和气孔，焊缝金属抗拉强度为569MPa，-40℃冲击吸收功为92J。在3.5％NaCl溶液中，增材制造试件为-0.2138V，高于锻造304不锈钢的自腐蚀电位为-0.22941V，耐蚀性能略高于传统锻件。
表5增材制造脉冲模式工艺参数
Figure BDA0002880632810000061
表6增材制造CMT模式工艺参数
Figure BDA0002880632810000062

Claims (3)

1.一种奥氏体不锈钢焊丝，适用于电弧增材制造的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：化学成分按重量百分比为：C：0.01％～0.03％，Si：0.50％～0.65％，Mn：1.5％～2.0％，Cr：19.0％～20.0％，Ni：9.0％～11.0％，Cu：0.05％～0.06％，P：0～0.025％，S：0～0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
所述的奥氏体不锈钢焊丝制造的工艺流程为：冶炼→锻造→热轧→拉丝→热处理→光亮处理→焊丝成品。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：奥氏体不锈钢焊丝适用于复杂结构件的电弧增材制造，厚度≥5mm的中大型结构件；采用所述的奥氏体不锈钢焊丝制造的增材制造结构件具有良好的强韧性和耐蚀性，-40℃冲击吸收功≥75J，抗拉强度≥550MPa，耐蚀性略高于传统锻件。
3.一种权利要求1所述的奥氏体不锈钢焊丝的电弧增材制造工艺，其特征在于，所述的奥氏体不锈钢焊丝适用于脉冲和冷金属过渡CMT即Cold metal transfer复合模式，其中脉冲和CMT比例为4:1；脉冲模式下脉冲峰值电流Ip为370A～380A，基值电流Ib为20～30A，脉冲频率为20～30Hz；CMT焊接电流为155A～165A，焊接电压为19～22V，焊接速度为8.0～12.0mm/s，送丝速度为5.5～7.0m/min；增材制造过程中保护气体为Ar+0～2.5％CO2，气体流量为15～20L/min，层间温度≤150℃。
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