CN113249723A - 一种基于数据库系统的cmt电弧表面熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，属于金属表面熔覆技术领域，该数据库系统的工作方式为：选用CMT电弧为热源，在待熔覆工件表面进行合金材料快速熔覆，实时监测待熔覆处温度，通过温度‑已熔覆层宽度‑搭接宽度的数据库系统，根据待熔覆处温度自动匹配搭接宽度。本发明通过大量预实验，建立温度‑熔覆层宽度‑搭接宽度最佳匹配的数据库，针对当前表面熔覆工艺的固定搭接宽度出现的前期熔合不良，后期效率低下的问题，采用可变搭接宽度的方式，实现合金高效、无缺陷的快速熔覆。
Description
技术领域
本发明属于计算机数据与机械加工结合技术领域，具体地说，涉及一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法。
背景技术
镍基高温合金由于其优异的耐高温、耐蚀性、抗疲劳以及可焊性广泛应用于宇航、石油和核电等行业。随着轻量化的要求逐渐受到重视，镍基高温合金如GH4169合金，由于其密度大，构件超重导致难以大量投入使用，且该合金Nb元素的含量较高，构件的制造成本高的问题始终无法解决。因此，采用在替代金属，如不锈钢等表面熔覆一层致密的高温合金，可以保证了构件的耐高温和耐蚀性，大幅降低了构件的成本和重量。
目前，用于表面熔覆的热源主要是激光、等离子弧和电弧，激光熔覆设备价格高昂，熔覆效率低，金属粉末成本高，不适合大面积使用；等离子弧的熔覆材料为粉末，同样存在成本高，回收困难的问题；电弧修复技术具有修复效率高、周期短、材料浪费率低、成本低廉、受工件形状尺寸限制小等特点，因此有着极为广阔的前景，但传统的电弧修复技术（如TIG）存在热输入过大，热影响区范围广，熔覆层容易夹钨造成开裂等问题，难以满足使用要求。冷金属过渡(Cold Metal Transfer，CMT)作为一种不产生焊渣，飞溅极小的新型焊接技术，这种技术主要通过控制焊丝的回抽，进而保证了熔滴的过渡方式均为短路过渡，同时改进了电压电流的波形，熔滴过渡时的电流几乎为零，极大地限制了焊接热输入，进而弱化了对界面组织的影响，基于此，CMT在表面快速熔覆领域有很好的应用前景。
目前使用的电弧表面熔覆通常为固定的搭接率和搭接宽度，容易出现在熔覆的前几道次的搭接处由于基板温度低，熔覆金属铺展性差，极易出现熔合不良等缺陷；但随着熔覆过程的进行，基板材料的温度逐渐上升，熔覆金属的润湿性大幅提高，熔宽增加，但是搭接宽度始终不变，因此容易造成局部过热、熔覆金属堆积和熔覆效率低下等问题。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提出了一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，通过建立温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库，然后根据建立的温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库，在实际的熔覆过程中选取合适的温度下对应的熔宽和搭接温度进行实际的熔覆操作。本发明通过上述操作实现了在熔覆过程中温度更加适宜，熔覆金属效果更加好，且提高了熔覆的效率。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，包括以下步骤：
步骤1：建立温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库；
步骤2：使用建立好的温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库对基板进行实际的CMT电弧表面熔覆；
所述步骤1的操作具体包括：
步骤1.1：对基板表面进行打磨或者车削加工，将基板表面的污物清理去除；
步骤1.2：使用加热装置将去除表面污物后的基板预热至温度t1；
步骤1.3：采用CMT电弧在基板表面进行单道熔覆，所述单道熔覆操作过程中的参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min；
步骤1.4：测量并统计在温度t1下的单道熔覆层的熔宽数据d1；
步骤1.5：改变预热温度至温度t2，重复步骤1.3和1.4，记录在温度t2下的单道熔覆层的熔宽数据d2；
步骤1.6：按照步骤1.5的方法，依次继续改变温度得到温度t3、t4、t5…tn，逐一得到对应的熔宽数据d3、d4、d5…dn；
步骤1.7：设置搭接宽度与熔宽的匹配关系：dn´=1/2dn，计算不同温度和熔宽下对应的搭接熔宽数据dn´；
步骤1.8：建立温度-熔宽-搭接宽度的数据库。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1.2中预热温度范围为100~450℃，相邻两组预热温度d之间的间隔为50℃，温度波动为±5℃。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1.4中统计熔覆层宽度的方法为测量单道熔覆层起弧端1cm处、1/2熔覆层长度处和收弧端1cm处三个位置的宽度，取平均值后作为相应温度下的熔宽数据d。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述步骤1.2中，在预热到温度t1后，在焊枪起弧前保持预热至少3s时间，然后再关闭预热装置。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述步骤1.3中，在采用CMT电弧在基板表面进行单道熔覆的过程中，焊枪与熔覆方向始终保持75°倾角。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1.1中，在将基板表面的污物清理去除后，还要使用无水乙醇进行清洗。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：通过机械打磨的方法将待熔覆材料表面打磨干净；
步骤2.2：通过加热装置将待熔覆材料预热至100~150℃；
步骤2.3：采用CMT电弧技术在待熔覆材料表面进行熔覆，熔覆过程中的参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min；
步骤2.4：将红外温度测量仪的斑点对准熔覆层一侧2~5mm处的待熔覆金属表面，根据实测温度选择下一道次熔覆的搭接宽度d´，起弧位置为上一道熔覆层息弧处向未熔覆方向平移d´的距离，表面熔覆的路径采用S型扫描；
步骤2.5：重复步骤2.4，直至完成全部的表面熔覆；
步骤2.6：对表面熔覆金属层进行机加处理至所需厚度。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述步骤2.3中，设置氩气进行保护，氩气保护流量为15L/min。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述步骤2.4中的红外温度测量仪斑点的测量的具体位置为熔覆层长度的1/2处，道间冷却时间为5S，温度测量仪的温度采取时刻为息弧后的第5S。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述步骤2.4中，在将实测温度与熔覆数据库中记录的温度值进行匹配时，以熔覆数据库中与实测温度的值之差的绝对值最小的温度值作为数据库输出的温度值来判定相应的熔覆宽度。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
本发明通过建立温度-熔覆层宽度-搭接宽度的数据库，动态调整不同基本温度时的搭接宽度，保证搭接质量的同时，可最大程度节约熔覆时间和金属耗材，大幅降低成本，且CMT作为高效率、低热输入的熔覆工艺，熔覆后金属界面区热影响区窄，变形小，残余应力值低，针对难熔合金依然表现出优异的熔覆效果。
附图说明
图1为本发明建立温度-熔覆层宽度-搭接宽度的熔覆数据库的具体流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：建立温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库；
步骤2：使用建立好的温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库对基板进行实际的CMT电弧表面熔覆；
所述步骤1的操作具体包括：
步骤1.1：对基板表面进行打磨或者车削加工，将基板表面的污物清理去除；
步骤1.2：使用加热装置将去除表面污物后的基板预热至温度t1；
步骤1.3：采用CMT电弧在基板表面进行单道熔覆，所述单道熔覆操作过程中的参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost=320A，短路电流I scwait=100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min；
步骤1.4：测量并统计在温度t1下的单道熔覆层的熔宽数据d1；
步骤1.5：改变预热温度至温度t2，重复步骤1.3和1.4，记录在温度t2下的单道熔覆层的熔宽数据d2；
步骤1.6：按照步骤1.5的方法，依次继续改变温度得到温度t3、t4、t5…tn，逐一得到对应的熔宽数据d3、d4、d5…dn；
步骤1.7：设置搭接宽度与熔宽的匹配关系：dn´=1/2dn，计算不同温度和熔宽下对应的搭接熔宽数据dn´；
步骤1.8：建立温度-熔宽-搭接宽度的数据库。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1.2中预热温度范围为100~450℃，相邻两组预热温度d之间的间隔为50℃，温度波动为±5℃。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1.1中，在将基板表面的污物清理去除后，还要使用无水乙醇进行清洗。
在所述步骤1.2中，在预热到温度t1后，在焊枪起弧前保持预热至少3s时间，然后再关闭预热装置。
进一步地，在所述步骤1.3中，在采用CMT电弧在基板表面进行单道熔覆的过程中，焊枪与熔覆方向始终保持75°倾角。
进一步地，所述步骤1.4中统计熔覆层宽度的方法为测量单道熔覆层起弧端1cm处、1/2熔覆层长度处和收弧端1cm处三个位置的宽度，取平均值后作为相应温度下的熔宽数据d。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：通过机械打磨的方法将待熔覆材料表面打磨干净；
步骤2.2：通过加热装置将待熔覆材料预热至100~150℃；
步骤2.3：采用CMT电弧技术在待熔覆材料表面进行熔覆，熔覆过程中的参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min；
步骤2.4：将红外温度测量仪的斑点对准熔覆层一侧2~5mm处的待熔覆金属表面，根据实测温度选择下一道次熔覆的搭接宽度d´，起弧位置为上一道熔覆层息弧处向未熔覆方向平移d´的距离，表面熔覆的路径采用S型扫描；
步骤2.5：重复步骤2.4，直至完成全部的表面熔覆；
步骤2.6：对表面熔覆金属层进行机加处理至所需厚度。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，在所述步骤2.3中，设置氩气进行保护，氩气保护流量为15L/min。
进一步地，在所述步骤2.4中的红外温度测量仪斑点的测量的具体位置为熔覆层长度的1/2处，道间冷却时间为5S，温度测量仪的温度采取时刻为息弧后的第5S。
进一步地，在所述步骤2.4中，在将实测温度与熔覆数据库中记录的温度值进行匹配时，以熔覆数据库中与实测温度的值之差的绝对值最小的温度值作为数据库输出的温度值来判定相应的熔覆宽度。
本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。
实施例6：
本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上，给出具体的一组以本发明方法进行的操作和以常规方法进行的操作的对比试验数据：
一、以本发明方法进行操作：
(1)通过机械打磨的方法将304不锈钢基板表面打磨干净，露出亮白无污物的金属表面；
(2)通过加热装置将待熔覆材料预热至100℃；
(3)采用CMT电弧技术在待熔覆材料表面进行第一道熔覆，焊丝牌号为HGH4169，焊丝直径1.2mm，熔覆参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min，熔覆层长度为50cm；
(4)将红外温度测量仪斑点对准已熔覆一侧4mm处的待熔覆金属表面，根据实测温度数值，通过数据库系统自动选择下一道次熔覆的搭接宽度d´，起弧位置为上一道熔覆层息弧处向未熔覆方向平移d´的距离，扫描路径为S型；
(5)重复（4）步骤，进行80道次的熔覆。
二、以常规方法进行的操作：
(1)通过机械打磨的方法将304不锈钢基板表面打磨干净，露出亮白无污物的金属表面；
(2)通过加热装置将待熔覆材料预热至100℃；
(3)采用CMT电弧技术在待熔覆材料表面进行第一道熔覆，焊丝牌号为HGH4169，焊丝直径1.2mm，熔覆参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min，熔覆层长度为50cm；
(4)设置搭接宽度为4mm，即下一道熔覆层起弧位置为上一道熔覆层息弧处向未熔覆方向平移4mm的距离，扫描路径为S型；
(5)保持参数不变，完成80道次的表面熔覆。
测量本发明方法下的操作和和常规方法下的操作完成的熔覆层总宽度和熔覆层厚度，宽度值采用两端和1/2处的测量值取平均值，厚度的测量采用对1、20、40、60、80道次的1/2熔覆层长度处的厚度值取平均值。测量结果如下表1所示：
由表1可知，对比本发明的方法和常规方法，在相同熔覆热输入参数下，基于数据库系统的试样熔覆宽度达到了467.7mm，相比于等距离搭接宽的常规方法，其相同焊丝消耗的前提下，熔覆效率提升了44.8%，熔覆厚度下降，降低了后续机加的工作量。
由以上实施例可知，本发明提供的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，实际熔覆过程中可以显著降低成本，效率大幅提升。
本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库；
步骤2：使用建立好的温度-熔宽-搭接宽度的熔覆数据库对基板进行实际的CMT电弧表面熔覆；
所述步骤1的操作具体包括：
步骤1.1：对基板表面进行打磨或者车削加工，将基板表面的污物清理去除；
步骤1.2：使用加热装置将去除表面污物后的基板预热至温度t1；
步骤1.3：采用CMT电弧在基板表面进行单道熔覆，所述单道熔覆操作过程中的参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min；
步骤1.4：测量并统计在温度t1下的单道熔覆层的熔宽数据d1；
步骤1.5：改变预热温度至温度t2，重复步骤1.3和1.4，记录在温度t2下的单道熔覆层的熔宽数据d2；
步骤1.6：按照步骤1.5的方法，依次继续改变温度得到温度t3、t4、t5…tn，逐一得到对应的熔宽数据d3、d4、d5…dn；
步骤1.7：设置搭接宽度与熔宽的匹配关系：dn´=1/2dn，计算不同温度和熔宽下对应的搭接熔宽数据dn´；
步骤1.8：建立温度-熔宽-搭接宽度的数据库。
2.如权利要求1所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，所述步骤1.2中预热温度范围为100~450℃，相邻两组预热温度d之间的间隔为50℃，温度波动为±5℃。
3.如权利要求1所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，所述步骤1.4中统计熔覆层宽度的方法为测量单道熔覆层起弧端1cm处、1/2熔覆层长度处和收弧端1cm处三个位置的宽度，取平均值后作为相应温度下的熔宽数据d。
4.如权利要求1所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，在所述步骤1.2中，在预热到温度t1后，在焊枪起弧前保持预热至少3s时间，然后再关闭预热装置。
5.如权利要求1所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，在所述步骤1.3中，在采用CMT电弧在基板表面进行单道熔覆的过程中，焊枪与熔覆方向始终保持75°倾角。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，所述步骤1.1中，在将基板表面的污物清理去除后，还要使用无水乙醇进行清洗。
7.如权利要求1所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：通过机械打磨的方法将待熔覆材料表面打磨干净；
步骤2.2：通过加热装置将待熔覆材料预热至100~150℃；
步骤2.3：采用CMT电弧技术在待熔覆材料表面进行熔覆，熔覆过程中的参数为：送丝速度WFS=5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流I boost =320A，短路电流I scwait =100A，短路电流持续时间t b =4.2ms，焊枪移动速度5.4m/min；
步骤2.4：将红外温度测量仪的斑点对准熔覆层一侧2~5mm处的待熔覆金属表面，根据实测温度选择下一道次熔覆的搭接宽度d´，起弧位置为上一道熔覆层息弧处向未熔覆方向平移d´的距离，表面熔覆的路径采用S型扫描；
步骤2.5：重复步骤2.4，直至完成全部的表面熔覆；
步骤2.6：对表面熔覆金属层进行机加处理至所需厚度。
8.如权利要求7所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，在所述步骤2.3中，设置氩气进行保护，氩气保护流量为15L/min。
9.如权利要求7所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，在所述步骤2.4中的红外温度测量仪斑点的测量的具体位置为熔覆层长度的1/2处，道间冷却时间为5S，温度测量仪的温度采取时刻为息弧后的第5S。
10.如权利要求7所述的一种基于数据库系统的CMT电弧表面熔覆方法，其特征在于，在所述步骤2.4中，在将实测温度与熔覆数据库中记录的温度值进行匹配时，以熔覆数据库中与实测温度的值之差的绝对值最小的温度值作为数据库输出的温度值来判定相应的熔覆宽度。
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