CN113927130B - 一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法 - Google Patents

一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法，具体包括以下步骤：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，维持电弧稳定燃烧；使得丝材迅速熔化，熔滴迅速长大；维持熔滴稳定长大；使熔滴完成滴落；维持电弧稳定燃烧；重复步骤，直至增材结束。增材过程采用短暂的高电流和机械提拉促进熔滴过渡，增材过程中抑制高电流，在熔滴长大后，采用高的电流和机械提拉共同作用完成熔滴过渡。本发明与高电流脉冲增材射滴过渡相比，可以减少热输入，减少氮气逸出形成炸裂，保证熔滴过渡稳定；本发明与低电流脉冲增材短路过渡相比，可以增加热输入，解决熔敷金属铺展困难、易产生侧壁未熔合与根部未熔透等缺陷的问题。

Description

一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法。
背景技术
高氮奥氏体不锈钢(氮含量在0.4％以上)是在目前受到比较高的关注的一种奥氏体不锈钢，其优异的综合力学性能(包括强度、硬度、疲劳性能、耐磨性能和抗蠕变性能等)，已经在各项领域得到了广泛的应用，包括航空航天、国防工业等领域。在高氮钢电弧增材过程中，利用电弧放电所产生的热量，将高氮钢丝材熔化。由于电弧温度较高，电弧弧柱区中心温度最高为6000～8000K，会使得熔滴在达到较高温度。然而，高氮钢在液态条件下，氮含量会随着温度的升高而降低，从而使氮在熔滴中形成氮气，并聚集形成氮气泡，体积急剧膨胀，导致熔滴炸裂，无法形成稳定的熔滴过渡。
目前高氮钢增材常用的方法为脉冲。脉冲过程为了使熔滴过渡，需要短时较高的电流值，这样就会造成氮迅速在熔滴中形成氮气，聚集形成氮气泡后炸裂，使熔滴过渡不稳定。同时，由于高氮钢的表面张力大，熔滴不易脱离丝材且难以缩颈，在被延轴向拉长后仍不能从丝材端部脱离，过渡过程中未明显缩颈情况下便会形成短路，短路液相桥较粗，断裂后产生大量飞溅，且过渡后会有较多液态金属残留在丝材端部。
如图1所示为常规脉冲增材流程示意图。图1-a表示在基值电流下维持电弧3燃烧，由于此种增材方法下熔滴1不完全过渡，基值阶段丝材2端部熔滴较大；图1-b表示增材进入脉冲阶段，电流迅速上升，丝材2熔化，熔滴1长大。由于高氮钢熔滴表面张力大，大尺寸熔滴难以产生缩颈，因此缩颈不明显，同时，脉冲过程为了使熔滴过渡，需要短时较高的电流值，这样就会造成氮迅速在熔滴中形成氮气，聚集形成氮气泡后炸裂，使熔滴过渡不稳定。图1-d表示高黏度熔滴不易脱离丝材，经历较高电流时熔滴4炸裂，产生大量飞溅颗粒5；图1-e表示液相桥爆断后，大量未进入熔池的液态金属在表面张力作用下回缩，悬垂在丝材2端部，熔滴过渡不完全，丝材2尖端残留液态金属较多的状态。因此常规脉冲下，熔滴1过渡困难，会形成大量飞溅颗粒6，且熔滴过渡不完全，增材效果较差。
如图2所示为常规脉冲增材发生短路过渡流程示意图。图2-a表示在基值电流下维持电弧3燃烧，基值阶段丝材2端部基本无熔滴；图2-b表示增材进入脉冲阶段，电流迅速上升，丝材2熔化，熔滴1长大；图2-c表示在电磁收缩力与等离子流力作用下，熔滴1会被拉长，然后接触到工件6，并形成液相桥7；图2-d表示高黏度熔滴经历较高电流时液相桥7爆断，产生大量飞溅颗粒5；图2-e表示液相桥爆断后，熔滴过渡结束。因此在低热输入常规脉冲下，熔滴1过渡不稳定，易产生爆炸，会形成大量飞溅颗粒5。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：常规电弧脉冲增材下，当电流较大时，会形成射滴过渡，造成大量飞溅，熔滴过渡不稳定；当电流较小时，会形成短路过渡，液相桥断裂时造成爆断，且熔滴过渡不完全，增材效果较差，熔池铺展困难，且易产生侧壁未熔合与根部未熔透缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法，具体包括以下步骤：
步骤1、第一基值阶段：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，送丝速度为v1，持续时间t1，维持电弧稳定燃烧；
步骤2、脉冲阶段：将增材电压设置为第一电压、增材电流设置为第一电流，送丝速度为v1，持续时间t2，使得丝材迅速熔化，熔滴迅速长大；
步骤3、第二基值阶段：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，送丝速度为v2，持续时间t3，维持熔滴稳定长大；
步骤4、退丝阶段：将增材电压设置为第二电压、增材电流设置为第二电流，同时将丝材退丝，退丝速度为v3，持续时间t4，使熔滴完成滴落；
步骤5、第三基值阶段：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，送丝速度为v2，持续时间t5，维持电弧稳定燃烧；
步骤6、重复步骤1～步骤5，直至增材结束。
进一步地，增材过程采用短暂的高电流和机械提拉促进熔滴过渡，增材过程中抑制高电流，在熔滴长大后，采用高的电流和机械提拉共同作用完成熔滴过渡。
在熔滴长大到的程度，此时其熔滴最大直径为丝材直径的1.1-1.2倍。
进一步地，第一电压高于基值电压；第一电流高于基值电流。
进一步地，第二电压高于第一电压；第二电流高于第一电流。
进一步地，丝材移动在基值、脉冲阶段为向前送丝速度v1，丝材在退丝阶段为向后退丝速度v2。
进一步地，退丝速度v3大于送丝速度v1大于送丝速度v2。
进一步地，基值电压为13～16V，基值电流为14～22A，t1为6～8ms，送丝速度 v1为4-6m/min。
进一步地，第一电压为22～26V，第一电流为130～180A，t2为3.6～4.2ms，送丝速度v1为4-6m/min。
进一步地，基值电压为13～16V，基值电流为14～22A，t3为3～5ms，送丝速度 v2为0-2m/min。
进一步地，第二电压为29～35V，第二电流为300～340A，t4为1～1.4ms，退丝速度v3为25-33m/min。
进一步地，基值电压为13～16V，基值电流为14～22A，t5为0.2-0.6ms，送丝速度v2为0-2m/min。
相比现有技术，本发明至少具备以下优点：
1、本发明与高电流脉冲增材射滴过渡相比，可以减少热输入，减少氮气逸出形成炸裂，保证熔滴过渡稳定；
2、本发明与低电流脉冲增材短路过渡相比，可以增加热输入，解决熔敷金属铺展困难、易产生侧壁未熔合与根部未熔透等缺陷的问题。
附图说明
图1是常规脉冲增材射滴过渡流程示意图。
图2是常规脉冲增材短路过渡流程示意图。
图3是机械提拉脉冲电弧增材流程示意图。
图4是本发明的一个实施例的电压、电流控制曲线与增材过程对应示意图。
图5是本发明的另一个实施例的电压、电流控制曲线与增材过程对应示意图。
图6是本发明的另一个实施例的电压、电流控制曲线与增材过程对应的熔滴过渡图片。
图7是本发明的一个对比例的电压、电流控制曲线与增材过程对应的熔滴过渡图片。
图8是本发明的另一个对比例的电压、电流控制曲线与增材过程对应的熔滴过渡图片。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1是常规脉冲增材流程示意图，图2是常规脉冲增材短路过渡流程示意图。其中，1-熔滴；2-丝材；3-电弧；4-长大的熔滴；5-飞溅颗粒；6-工件；7-短路液相桥。具体的增材流程已经在背景技术中阐述过。这里不再累述。
图3是本发明在脉冲的基础上进一步改进，增加了高电流及其下的机械提拉过程，进行机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材过程示意图。采用低电流，使熔滴1 长大，采用高电流和机械提拉共同作用，使熔滴1在高电流形成的向下电弧力和机械力的作用下，有利于形成颈缩的熔滴8，可改善熔滴过渡，并保证总体热输入。
机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材方法，具体流程如下：
D-PMIG的熔化极增材方法，熔滴1基本完全过渡，在基值阶段丝材2端部熔滴1 较少(如图3-a)；进入脉冲阶段后，电流上升，焊丝2熔化，熔滴1长大(如图3-b)；随后进入基值电流阶段，维持电弧，使熔滴1形状趋于稳定(如图3-c)；随后在高电流形成的向下电弧力和机械力的作用下，形成颈缩的熔滴8(图3-d)；机械提拉结束时，熔滴在电弧力和机械力的作用下，缩颈处液相桥8断裂，断裂处9无飞溅产生(如图3-e)；该方法下熔滴过渡基本完全，丝材端部残留液态金属较少(如图3-f)。因此，本发明可以解决高氮钢熔滴过渡稳定性与熔池铺展困难的问题。
形成颈缩的熔滴，在熔滴长大到，此时其熔滴最大直径为丝材直径的1.1-1.2倍。
实施例1
机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材方法中，增材电流控制和机械提拉为抑制飞溅的核心技术。如图5所示，本发明提供的一种高氮钢熔化极电弧增材控制方法的一个优选实施例。具体控制周期与熔滴过渡过程是对应的。
图4中A阶段为第一基值阶段(对应图4-a)：将增材电压设置为14V、增材电流设置为17A，持续时间t1设置为7ms，送丝速度v1设置为5m/min，维持电弧3稳定燃烧；
图4中B阶段为脉冲阶段(对应图4-b)：将增材电压设置为24V、增材电流设置为150A，持续时间t2设置为3.8ms，送丝速度v1设置为5m/min，使得焊丝2迅速熔化，熔滴1迅速长大；
图4中C阶段为第二基值阶段(对应图4-c)：将增材电压设置为14V、增材电流设置为17A，持续时间t3设置为3ms，送丝速度v2设置为0m/min，维持电弧3稳定燃烧，维持长大后的熔滴1稳定；
图4中D阶段为机械提拉阶段(对应图4-d)：将增材电压设置为30V、增材电流设置为320A，持续时间t4设置为1ms，退丝速度v3设置为32m/min，使得熔滴在电弧力和机械力的作用下，形成颈缩的熔滴8，并在阶段结束时形成断裂，断裂处9无飞溅产生。
图4中E阶段为第三基值阶段(对应图4-e)：检测到液相桥断裂现象后，降低增材电流值，将电压设置为14V、增材电流设置为17A，持续时间t5设置为0.4ms，送丝速度v2设置为0m/min，用以维持电弧；
图4中F阶段为下一个熔滴过渡周期的基值阶段，每个熔滴都以相同过程完成，直到完成整个增材工作。
实施例2
机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材方法中，增材电流控制和机械提拉为抑制飞溅的核心技术。如图5所示，本发明提供的一种高氮钢熔化极电弧增材控制方法的一个优选实施例。具体控制周期与熔滴过渡过程是对应的。
图5中A阶段为第一基值阶段(对应图5-a)：将增材电压设置为15V、增材电流设置为20A，持续时间t1设置为6ms，送丝速度v1设置为5m/min，维持电弧3稳定燃烧；
图5中B阶段为脉冲阶段(对应图5-b)：将增材电压设置为23V、增材电流设置为160A，持续时间t2设置为3.6ms，送丝速度v1设置为5m/min，使得焊丝2迅速熔化，熔滴1迅速长大；
图5中C阶段为第二基值阶段(对应图5-c)：将增材电压设置为15V、增材电流设置为20A，持续时间t3设置为3.2ms，送丝速度v2设置为2m/min，维持电弧3稳定燃烧，维持长大后的熔滴1稳定；
图5中D阶段为机械提拉阶段(对应图5-d)：将增材电压设置为30V、增材电流设置为350A，持续时间t4设置为1.2ms，退丝速度v3设置为30m/min，使得熔滴在电弧力和机械力的作用下，形成颈缩的熔滴8，并在阶段结束时形成断裂，断裂处9无飞溅产生。
图5中E阶段为第三基值阶段(对应图5-e)：检测到液相桥断裂现象后，降低增材电流值，将电压设置为15V、增材电流设置为20A，持续时间t5设置为0.6ms，送丝速度v2设置为2m/min，用以维持电弧；
图5中F阶段为下一个熔滴过渡周期的基值阶段，每个熔滴都以相同过程完成，直到完成整个增材工作。
实施例3
机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材方法中，增材电流控制和机械提拉为抑制飞溅的核心技术。如图6所示，本发明提供的一种高氮钢熔化极电弧增材控制方法的一个优选实施例。具体控制周期与熔滴过渡过程是对应的。
图6中A阶段为第一基值阶段(对应图6-a)：将增材电压设置为14V、增材电流设置为19A，持续时间t1设置为6.2ms，送丝速度v1设置为5m/min，维持电弧3稳定燃烧；
图6中B阶段为脉冲阶段(对应图6-b)：将增材电压设置为23V、增材电流设置为155A，持续时间t2设置为3.6ms，送丝速度v1设置为5m/min，使得焊丝2迅速熔化，熔滴1迅速长大；
图6中C阶段为第二基值阶段(对应图6-c)：将增材电压设置为14V、增材电流设置为19A，持续时间t3设置为3.2ms，送丝速度v2设置为2m/min，维持电弧3稳定燃烧，维持长大后的熔滴1稳定；
图6中D阶段为机械提拉阶段(对应图6-d)：将增材电压设置为31V、增材电流设置为360A，持续时间t4设置为1.2ms，退丝速度v3设置为32m/min，使得熔滴在电弧力和机械力的作用下，形成颈缩的熔滴，并在阶段结束时形成断裂，断裂处无飞溅产生。
图6中E阶段为第三基值阶段(对应图6-e)：检测到液相桥断裂现象后，降低增材电流值，将电压设置为14V、增材电流设置为19A，持续时间t5设置为0.8ms，送丝速度v2设置为2m/min，用以维持电弧；
图6中F阶段为下一个熔滴过渡周期的基值阶段，每个熔滴都以相同过程完成，直到完成整个增材工作。
对比例1
机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材方法中，增材电流控制和机械提拉为抑制飞溅的核心技术，缺少任何一个阶段都会对熔滴过渡造成影响。为了使得高氮钢增材过程稳定，不能使用长时间的高电流，相较于传统的脉冲模式，如果只是单纯的增加一个机械提拉过程，并不会使得小电流下的熔滴在机械回抽的作用下滴落，进而影响熔滴过渡过程。
如图7所示，本发明提供的一种高氮钢熔化极电弧增材控制方法的一个对比例，采用小电流脉冲并配合机械提拉过程。具体控制周期与熔滴过渡过程是对应的。
图7中A阶段为基值阶段(对应图7-A)：将增材电压设置为14V、增材电流设置为19A，持续时间t1设置为6.2ms，送丝速度v1设置为5m/min，维持电弧3稳定燃烧；
图7中B阶段为脉冲阶段(对应图7-B)：将增材电压设置为23V、增材电流设置为155A，持续时间t2设置为3.6ms，送丝速度v1设置为5m/min，使得焊丝2迅速熔化，熔滴1迅速长大；
图7中C阶段为机械提拉阶段(对应图7-C)：将增材电压设置为23V、增材电流设置为155A，持续时间t4设置为1.2ms，退丝速度v3设置为32m/min，由于热输入较小，且高氮钢粘度较大，使得熔滴出现颈缩，但是并未断裂，熔滴无法滴落。
图8中D阶段为下一个熔滴过渡周期的基值阶段，每个熔滴都以相同过程完成，直到完成整个增材工作。
对比例2
机械提拉脉冲电弧增材D-PMIG的熔化极增材方法中，单纯的小电流加机械提拉无法保证熔滴过渡，那么直接在小电流脉冲阶段后加入机械提拉配合大电流脉冲，同样会使得熔滴过渡不稳定。这是由于在小电流脉冲阶段，熔滴已经形成并长大，此时熔滴温度较高，此时通过大电流，会急剧增加熔滴温度，促进氮逸出形成氮气泡，从而造成熔滴炸裂。
如图8所示，本发明提供的一种高氮钢熔化极电弧增材控制方法的一个对比例，其中减少一个基值电流阶段。具体控制周期与熔滴过渡过程是对应的。
图8中A阶段为基值阶段(对应图8-A)：将增材电压设置为14V、增材电流设置为19A，持续时间t1设置为6.2ms，送丝速度v1设置为5m/min，维持电弧3稳定燃烧；
图8中B阶段为脉冲阶段(对应图8-B)：将增材电压设置为23V、增材电流设置为155A，持续时间t2设置为3.6ms，送丝速度v1设置为5m/min，使得焊丝2迅速熔化，熔滴1迅速长大；
图8中C阶段为机械提拉阶段(对应图8-C)：将增材电压设置为31V、增材电流设置为360A，持续时间t4设置为1.2ms，退丝速度v3设置为32m/min，由于脉冲阶段热输入较大，本阶段仍采用较高热输入时，会造成熔滴温度过高，使得熔滴出现炸裂。
图8中D阶段为基值阶段(对应图8-D)：在熔滴炸裂现象后，增材电流降低，但是飞溅仍然会继续，将电压设置为14V、增材电流设置为19A，持续时间t5设置为0.8ms，送丝速度v2设置为2m/min，用以维持电弧；
图8中E阶段为下一个熔滴过渡周期的基值阶段，每个熔滴都以相同过程完成，直到完成整个增材工作。

Claims (1)

1.一种超低热输入的高氮钢电弧增材方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、第一基值阶段：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，送丝速度为v1，持续时间t1，维持电弧稳定燃烧；
步骤2、脉冲阶段：将增材电压设置为第一电压、增材电流设置为第一电流，送丝速度为v1，持续时间t2，使得丝材迅速熔化，熔滴迅速长大；
步骤3、第二基值阶段：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，送丝速度为v2，持续时间t3，维持熔滴稳定长大；
步骤4、退丝阶段：将增材电压设置为第二电压、增材电流设置为第二电流，同时将丝材退丝，退丝速度为v3，持续时间t4，使熔滴完成滴落；
步骤5、第三基值阶段：将增材电压设置为基值电压、增材电流设置为基值电流，送丝速度为v2，持续时间t5，维持电弧稳定燃烧；
步骤6、重复步骤1～步骤5，直至增材结束；
所述基值电压为13～16V，所述基值电流为14～22A，所述t1为6～8ms；所述第一电压为22～26V，所述第一电流为130～180A，所述t2为3.6～4.2ms；所述t3为3～5ms；所述第二电压为29～35V，所述第二电流为300～340A，所述t4为1～1.4ms；所述t4为0.2-0.6ms；
所述的送丝速度v1为4-6m/min，送丝速度v2为0-2m/min，退丝速度v3为25-33m/min；
在熔滴长大到的程度为，此时其熔滴最大直径为丝材直径的1.1-1.2倍。
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