CN113579553A - 电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材及方法 - Google Patents
电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种电弧增材制造现场修复船舶Cr‑Ni‑Mo系齿轮的丝材及方法，方法包括如下步骤：S1：检测待修复船舶Cr‑Ni‑Mo系齿轮的损伤情况；S2：对待修复船舶Cr‑Ni‑Mo系齿轮的损伤区域进行预热；S3：在现场搭建CMT电弧增材修复设备，选取修复丝材，采用保护气体，先进行单道单层实验，并确定符合现场条件的修复路径及工艺参数，并以此参数进行多层堆积，实现通过CMT电弧增材现场修复受损的船舶Cr‑Ni‑Mo系齿轮。本发明可以提高增材修复后齿轮的力学性能，至少达到原齿轮性能的80％甚至更高，使得修复后的齿轮零件具有更长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及合金钢电弧增材修复技术领域，具体而言是一种通过CMT电弧增材现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材及方法。
背景技术
随着我国船舶逐渐长时间走向远洋，其船上零件在使用过程中会受到更严重的摩擦磨损，同时还要承受海水腐蚀和海洋生物污损。船舶在航行过程中，需携带大量的备用零件，这些零件利用率较低，且装卸困难，为此，各国都在现场修复课题投入了大量的精力。徐滨士院士在维修工程研究的基础上提出了再制造的概念，以高效、环保、经济的要求实现对废旧零件的尺寸恢复及性能提升，并且利用再制造技术对废旧零件进行修复，充分利用了零件的性能。这一课题对社会资源的节省具有重要意义。
齿轮是船舶中非常重要的零件，具有功率范围广，传动效率高，传动比稳定以及寿命长等特点。目前，运用在大型船舶的齿轮主要为Cr-Mo系或Cr-Ni-Mo系合金钢，但是重载齿轮在使役过程中会产生严重的齿面磨损、齿面的剥落和点蚀、裂纹和断齿等失效。据相关报道，因为齿轮失效导致的设备故障占10.3％，因此齿轮的修复尤其是船舶齿轮的现场修复具有显著的经济意义和战略意义。
电弧增材制造技术的本质是将气体保护焊的方法优化后应用到增材制造领域。该技术将金属焊丝作为增材制造材料，并以电弧作为热源，增材时电弧产生的热量将焊丝熔化，然后按照设定的堆积路径在选定的基板上自下而上层层堆积，直到形成零件。电弧增材制造成形的零件由熔融金属组成，致密度高且化学成分均匀，与锻造件相比具有韧性好、强度高的优点。目前，冷金属过渡(CMT)技术以其变形小、熔滴过度稳定、飞溅少等优点，得到广泛关注。
在使用CMT电弧增材技术现场修复船舶损伤Cr-Ni-Mo系齿轮中，存在着一些技术难题，主要的难题是丝材的成分和电弧增材的参数选择上，导致修复后的齿轮达不到与原来齿轮性能的80％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用CMT电弧增材现场修复船舶损伤Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材及方法，以解决上述背景技术中提出的问题：首先，实现现场修复，保证合理的增材沉积路径参数；其次，设计微合金化丝材提高修复后性能以达到齿轮原来性能的80％以上。
为实现以上目的，本发明提供如下技术方案：
一种电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材，所述丝材为微合金化丝材，主合金为17CrNiMo6，加入V和Nb元素，所加V元素的质量百分比含量为0.15％～0.25％，加入Nb元素的质量百分比含量为0.05％～0.10％。
优选地，所述丝材的直径为0.8～1.6mm。
本发明还公开了一种电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，包括如下步骤：
S1：检测待修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的损伤情况，根据船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的失效形式以及损伤的情况，确定损伤区域的三维尺寸参数，并用此参数计算所用修复丝材的用量，设计修复路径、尺寸参数、工艺参数和所用到的电弧增材修复设备；
S2：对待修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的损伤区域进行预热；
S3：根据步骤S1设计的修复路径、尺寸参数、工艺参数和所用到的电弧增材修复设备，在现场搭建CMT电弧增材修复体系，选取热源，选用针对修复Cr-Ni-Mo系齿轮的修复丝材，所述丝材为电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材，采用保护气体，先进行单道单层实验，并确定符合现场条件的修复路径及工艺参数，并以此参数进行多层堆积，其中，增材沉积一层后，对其沉积表面进行打磨处理，去掉残渣，接着在进行下一层的堆积，直至全部堆积成功，实现通过CMT电弧增材现场修复受损的船舶Cr-Ni-Mo系齿轮。
优选地，在所述步骤S3中，所述保护气体为Ar气，且Ar气中具有体积百分比为15-20％的CO2，此所述保护气体连续喷射到增材修复区域。
优选地，在所述步骤S3中，所述热源为冷金属过渡CMT。
优选地，在所述步骤S3中，单道单层实验中根据现场的海况和条件确定送丝速度和成形速度，所述送丝速度为4.0～9.0m/min，所述成形速度为4.0～7.0mm/s。
优选地，在所述步骤S3中，多层堆积时，层间温度为50～300℃。
优选地，在所述步骤S2中，预热温度为50～70℃。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一：在进行CMT电弧增材修复大型船舶坏损Cr-Ni-Mo系齿轮时，将电弧增材设备搭建在现场，这样可以解决船舶长时间作业齿轮受到磨损和海水腐蚀的问题，并且不用携带大量的备用零件，节省船舶空间和节能减排。
第二：在进行增材修复修复大型船舶坏损Cr-Ni-Mo系齿轮时，选用CMT电弧增材的方式，这种方式符合现场修复的条件，并且也容易搭建在船舶上，CMT电弧增材修复具有变形小、熔滴过度稳定、飞溅少等优点，得到广泛关注。
第三：在进行CMT电弧增材修复大型船舶坏损Cr-Ni-Mo系齿轮具体操作时，使用保护气体为Ar+15-20％CO2，对于Cr-Ni-Mo系合金钢这种保护气体可以防止氧化，提高丝材的熔覆率，控制增材成形，减小过度焊接等。
第四：在进行CMT电弧增材修复大型船舶坏损Cr-Ni-Mo系齿轮具体操作时，选用微合金化17CrNiMo6丝材，可以提高增材修复后的力学性能，至少达到原来齿轮性能的80％甚至更高，使得修复后的齿轮零件有更长的使用寿命。
第五：在进行CMT电弧增材修复大型船舶坏损Cr-Ni-Mo系齿轮具体操作时，针对现场环境下选择合适的单道单层参数和单道多层的参数，调整好送丝速度和成形速度，控制好层间温度。
基于上述理由本发明可在船舶修复等领域广泛推广。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
实施例1
电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材，所述丝材为微合金化丝材，主合金为17CrNiMo6，加入V和Nb元素，所加V元素的质量百分比含量为0.15％～0.25％，加入Nb元素的质量百分比含量为0.05％～0.10％。
优选地，所述丝材的直径为0.8～1.6mm。
实施例2
本发明还公开了电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，包括如下步骤：
S1：检测待修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的损伤情况，根据船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的失效形式以及损伤的情况，确定损伤区域的三维尺寸参数，并用此参数计算所用修复丝材的用量，设计修复路径、尺寸参数、工艺参数和所用到的电弧增材修复设备；
S2：对待修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的损伤区域进行预热；
S3：根据步骤S1设计的修复路径、尺寸参数、工艺参数和所用到的电弧增材修复设备，在现场搭建CMT电弧增材修复体系，选取热源，选用针对修复Cr-Ni-Mo系齿轮的修复丝材，所述丝材为实施例1中所提到丝材，采用保护气体，先进行单道单层实验，并确定符合现场条件的修复路径及工艺参数，并以此参数进行多层堆积，其中，增材沉积一层后，对其沉积表面进行打磨处理，去掉残渣，接着在进行下一层的堆积，直至全部堆积成功，实现通过CMT电弧增材现场修复受损的船舶Cr-Ni-Mo系齿轮。
优选地，在所述步骤S3中，所述保护气体为Ar气，且Ar气中具有体积百分比为15-20％的CO2，此所述保护气体连续喷射到增材修复区域。
优选地，在所述步骤S3中，所述热源为冷金属过渡CMT。
优选地，在所述步骤S3中，单道单层实验中根据现场的海况和条件确定送丝速度和成形速度，所述送丝速度为4.0～9.0m/min，所述成形速度为4.0～7.0mm/s。
优选地，在所述步骤S3中，多层堆积时，层间温度为50～300℃。
优选地，在所述步骤S2中，预热温度为50～70℃。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材，其特征在于：所述丝材为微合金化丝材，主合金为17CrNiMo6，加入V和Nb元素，所加V元素的质量百分比含量为0.15％～0.25％，加入Nb元素的质量百分比含量为0.05％～0.10％。
2.根据权利要求1所述的电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的丝材，其特征在于，所述丝材的直径为0.8～1.6mm。
3.电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：检测待修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的损伤情况，根据船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的失效形式以及损伤的情况，确定损伤区域的三维尺寸参数，并用此参数计算所用修复丝材的用量，设计修复路径、尺寸参数、工艺参数和所用到的电弧增材修复设备；
S2：对待修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的损伤区域进行预热；
S3：根据步骤S1设计的修复路径、尺寸参数、工艺参数和所用到的电弧增材修复设备，在现场搭建CMT电弧增材修复体系，选取热源，选用针对修复Cr-Ni-Mo系齿轮的修复丝材，所述丝材为权利要求1～2任一权利要求所述的丝材，采用保护气体，先进行单道单层实验，并确定符合现场条件的修复路径及工艺参数，并以此参数进行多层堆积，其中，增材沉积一层后，对其沉积表面进行打磨处理，去掉残渣，接着在进行下一层的堆积，直至全部堆积成功，实现通过CMT电弧增材现场修复受损的船舶Cr-Ni-Mo系齿轮。
4.根据权利要求3所述的电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述保护气体为Ar气，且Ar气中具有体积百分比为15-20％的CO2，此所述保护气体连续喷射到增材修复区域。
5.根据权利要求3所述的电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述热源为冷金属过渡CMT。
6.根据权利要求3所述的电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，单道单层实验中根据现场的海况和条件确定送丝速度和成形速度，所述送丝速度为4.0～9.0m/min，所述成形速度为4.0～7.0mm/s。
7.根据权利要求3所述的电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，多层堆积时，层间温度为50～300℃。
8.根据权利要求3所述的电弧增材制造现场修复船舶Cr-Ni-Mo系齿轮的方法，在所述步骤S2中，预热温度为50～70℃。
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| 清华大学焊接教研组: "熔化焊工艺学", vol. 1961, 31 October 1961, 中国工业出版社, pages: 113 - 114 * |
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