CN113927212A - 一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法。所设计的焊丝不同于常见的实心焊丝,其结构特点为焊丝的正中部是具有一定尺寸的空腔,并利用送粉机器及其他相关设备可提前往空腔里填充能使异种材料达到有效冶金结合的金属粉末,从而实现异种材料的连接;也可以提前往空腔里按一定的比例填充具有不同改性功能作用的混合粉末,从而产生表面多项改性的效果;也可以将在设定长度的焊丝段内,提前往该空腔中依次按序填充不同配比的粉末,从而实现电弧增材制造梯度材料的工艺。所设计的焊丝,可根据电弧增材修复的需求,进行针对性的粉末填充,从而达到理想的的制造效果。

Description

一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法
技术领域
本发明属于焊材技术领域,特别涉及一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法。
背景技术
随着制造技术与经济发展水平的提高,焊接与增材制造已在工业生产中扮演着重要的角色。其中,焊接是通过加热、加压或两者并行,并用或不用填充材料,使同种或异种材料连接在一起的方法,其不但易于保证焊接结构等强度的要求,而且工艺比较简单,对国民经济发展具有重要意义;增材制造是通过加热熔化丝材或粉末,并使熔融金属在计算机程序设定的路径上层层堆积,从而实现三维实体构件的成型,由于其成型效率高,自由度也较高,并适合大型复杂构件的成型等特点,现已逐渐应用于工业生产当中,并具有广泛的应用发展前景。
焊丝作为填充金属或同时作为导电所需的金属丝,是电弧连接或增材制造过程中必不可缺少的材料。传统的焊丝由于其内部化学成分配比固定,在进行电弧连接或增材制造过程中,只可以产生单一的效果,如进行不同材料的焊接时,要想形成质量良好的接头,则所选用的焊丝,其成分必须要与待焊材料相匹配,当待焊材料种类较多时,则需要多次调换不同类型的焊丝,效率较低;若要同时进行满足多项性能指标的电弧增材工艺,则需要调换不同成分的焊丝进行多次增材,无法灵活且针对性地进行增材过程,效率也是较低,且生产与制造成本也较高。
因此亟需发明一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,使制造的焊丝除具有传统焊丝的功能外,还可以满足多种电弧制造工艺的需求,并可以达到针对性的制造效果,从而有效解决以上问题。
发明内容
为满足工艺的需求,灵活实现异种材料的连接以及电弧增材过程,满足多项增材过程的性能指标,本发明提出了一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
所述的空心焊丝6,具体制造流程为:
第一步:将原材料钢带1连续送进;
第二步:利用高频焊设备2将原材料钢带1制成空心线材3,并适当清理;
第三步:将空心线材3分别利用焊丝拉拔机4、5分别进行粗拉丝和细拉丝,直到拉拔到所需的尺寸;
第四步:将所得尺寸的空心焊丝进行精绕,从而制得所需要的空心焊丝6;
所述的空心焊丝6不同于一般的实心焊丝,其结构特点在于焊丝正中部是具有一定尺寸的空腔,使所设计的焊丝不仅具有一般焊丝的功能,还可以根据电弧增材修复的需求,灵活填充不同类型的粉末,利用送粉机7、震动装置8和推入装置9往焊丝空腔里灵活填充不同类型的粉末,制造出面向服役性能需求的多功能成分可调节的焊丝,从而实现异种材料连接、结构件表面改性以及电弧增材制造梯度材料等。
具体地,当进行异种材料连接时,根据待连接材料的种类,将可以使该异种材料能够达到有效冶金结合的粉末放入送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,在进行电弧增材修复时,使用这种填充完金属粉末的焊丝,可实现异种材料的有效连接。
具体地,当结构件表面需要改善性能,如抗腐蚀、耐磨损或耐高温时,将对应改善表面性能的粉末A、B、C按比例a∶b∶c注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,在进行电弧增材修复时,使用这种填充完金属粉末的焊丝,可达到针对性的表面多项改性的效果。
具体地,当进行电弧增材制造功能梯度材料工艺时,将指定的焊丝长度如L1,L2,L3,L4做为各粉末的填充量,再按梯度材料各段不同性能的顺序,将对应配比的粉末按序注入指定位置段,如配比为d的粉末注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔的L1段内,再将配比为e的粉末注入L2段内,接着是配比为f的粉末注入L3段内,配比为g的粉末注入L4等,在进行电弧增材修复时,使用这种填充完金属粉末的焊丝,可以实现增材制造梯度材料的工艺。
本发明产生的有效作用为:
本发明的作用克服了传统焊丝化学成分固定,进而用于制造用途单一,无法灵活满足多种工艺的问题。所提出的焊丝设计,可在面向异种材料焊接的时候,通过提前往焊丝空腔里填充使异种材料达到有效冶金结合的金属粉末,从而实现异种材料的连接;可在面向结构件表面改性的时候,在焊丝空腔中填充一定比例的具有不同改性功能作用的混合粉末,从而产生表面多项改性的效果;也可以在面向制备功能梯度材料的时候,将在设定长度的焊丝段内,往空腔中依次按序填充不同配比的粉末,从而实现增材制造梯度材料的工艺。该焊丝可根据服役性能的需求,灵活填粉,进行相应的制造工艺,从而达到针对性的加工效果。
附图说明
图1是本发明一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法的示意图
图2是本发明具体实施例的粉末投放装置及制成的服役焊丝示意图
其中,附图标记分别为:1-原材料钢带;2-高频焊设备;3-空心线材;4,5-焊丝拉拔机;6-空心焊丝;7-送粉机;8-粉末震动装置;9-粉末推入装置;10-面向异种合金焊接需求的所制焊丝;11-面向表面改性需求的所制焊丝;12-面向制造功能梯度材料需求的所制焊丝;L1、L2、L3、L4分别为在不同配比粉末在焊丝中注入的长度;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处描述的具体实例仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需说明的是,为了方便描述,附图中仅绘出了与本发明相关的部分而并非全部结构。
参考图1所示,本发明的一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,其制造的空心焊丝6,具体制造流程为:
第一步:将原材料钢带1连续送进;
第二步:利用高频焊设备2将原材料钢带1制成空心线材3,并适当清理;
第三步:将空心线材3分别利用焊丝拉拔机4、5分别进行粗拉丝和细拉丝,直到拉拔到所需的尺寸;
第四步:将所得尺寸的空心焊丝进行精绕,从而制得所需要的空心焊丝6;
所述的焊丝设计装置及方法制造的空心焊丝6不同于一般的实心焊丝,其结构特点在于焊丝正中部是具有一定尺寸的空腔,使所设计的焊丝不仅具有一般焊丝的功能,更可以根据服役性能的需求,利用送粉机7、震动装置8和推入装置9往焊丝空腔里灵活填充不同类型的粉末,制造出面向服役性能需求的多功能成分可调节的焊丝,从而实现异种材料连接、结构件表面改性以及增材制造梯度材料等。
具体地,当进行异种材料焊接时,根据待焊接材料的种类,将可以使该异种材料能够达到有效冶金结合的粉末放入送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,从而实现异种材料的有效连接。
具体地,当结构件表面需要改善性能,如抗腐蚀、耐磨损或耐高温时,需要将对应改善表面性能的粉末A、B、C按比例a∶b∶c注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,从而达到针对性的表面多项改性的效果。
具体地,当进行增材制造功能梯度材料工艺时,将指定的焊丝长度如L1,L2,L3,L4做为各填充粉末的长度,再按梯度材料各段不同性能的顺序,将对应配比的粉末按序注入指定位置段,如配比为d的粉末注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔的L1段内,再将配比为e的粉末注入L2段内,接着是配比为f的粉末注入L3段内,配比为g的粉末注入L4等,从而实现增材制造梯度材料的工艺。
以下通过具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
具体地,待焊接的工件为TC4钛合金和AZ31B镁合金,尺寸为100mm×50mm×1mm,采用CMT焊接的方式进行这两种不同材料的连接。
可选地,采用对接接头,设置焊接电流为50A,但由于在焊接过程中,高温会使镁发生大量汽化,从而造成接头缺陷较多,难以形成良好的接头,因而需在焊接过程中对镁元素进行补充。
具体地,在本设计及方法制造的焊丝中,通过提前将AZ31B镁合金粉末放入送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末震动着通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,其送丝速度设置为2.5m/min。具体地,当焊丝填充完粉末以后进行焊接,得焊丝10,待焊前准备工作完成以后,进行两种材料的CMT连接,可使镁合金/钛合金异种材料形成了良好的焊接接头。
实施例2
具体地,待进行表面改性的材料为40Cr钢,尺寸为60mm×30mm×6mm,需要提高其表面的耐磨性、耐腐蚀性和表面硬度,并采用电弧熔丝的方式。
具体地,根据所想达到的表面性能的要求,分别将有益于提高耐磨性的Cr2O3粉末,提高耐腐蚀性的Stellite粉末和耐高温的BN粉末,以5∶2∶3的比例注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,得焊丝11。
可选地,设置电流为180A,填充完混合粉末以后的焊丝11,其送丝速度设为3.6m/min,待准备工作完成以后,进行电弧熔丝过程,从而实现表面改性效果。
实施例3
具体地,选择基体尺寸为70mm×35mm×10mm的45钢,在其表面通过电弧增材方式制备高硬度且耐磨性能优良的梯度材料。
具体地,根据性能的需求,在焊丝1的不同段长度的空腔2中依次填入不同配比的Ni基合金粉末Ni60A、碳化钨粉末WC和六方氮化硼粉末BN混合粉末。
具体地,将配比为Ni60A∶WC∶BN=6∶3∶1的混合粉末注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里中,填充L1段;将配比为Ni60A∶WC∶BN=12∶5∶3的混合粉末填充L2段;将配比为Ni60A∶WC∶BN=6∶2∶2的混合粉末填充到L3长度段;将配比为Ni60A∶WC∶BN=12∶3∶5的混合粉末填充到L4段,得焊丝12。
可选地,在45钢表面进行熔丝,工艺参数范围根据具体实验设置,调整范围如下:激光功率为1000W~1600W,送丝速度为0.4mm/s~4mm/s,离焦量为12mm~18mm,保护气体为氩气,气体流量为1000L/h。
具体地,在45钢表面进行熔丝,首先将L1段内的焊丝全部熔化,在表面形成第一层材料,再将L2段内的焊丝全部叠在第一层上面形成第二层材料,依次为L3段、L4段内的焊丝熔化,形成第三层、第四层材料,从而完成增材制造梯度材料的工艺。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,其特征在于:
所述的空心焊丝6,具体制造流程为:
第一步:将原材料钢带1连续送进;
第二步:利用高频焊设备2将原材料钢带1制成空心线材3,并适当清理;
第三步:将空心线材3分别利用焊丝拉拔机4、5分别进行粗拉丝和细拉丝,直到拉拔到所需的尺寸;
第四步:将所得尺寸的空心焊丝进行精绕,从而制得所需要的空心焊丝6;
所述的空心焊丝6不同于一般的实心焊丝,其结构特点在于焊丝正中部是具有一定尺寸的空腔,使所设计的焊丝不仅具有一般焊丝的功能,还可以根据电弧增材修复的需求,灵活填充不同类型的粉末。
2.根据权利要求1所述的一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,其特征在于,利用送粉机7、震动装置8和推入装置9往焊丝空腔里灵活填充不同类型的粉末,制造出面向服役性能需求的多功能成分可调节的焊丝,从而实现异种材料连接、结构件表面改性以及电弧增材制造梯度材料等。
3.根据权利要求2所述的一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,其特征在于,当进行异种材料连接时,根据待连接材料的种类,将可以使该异种材料能够达到有效冶金结合的粉末放入送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,在进行电弧增材修复时,使用这种填充完金属粉末的焊丝,可实现异种材料的有效连接。
4.根据权利要求2所述的一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,其特征在于,当结构件表面需要改善性能,如抗腐蚀、耐磨损或耐高温时,将对应改善表面性能的粉末A、B、C按比例a∶b∶c注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔里,在进行电弧增材修复时,使用这种填充完金属粉末的焊丝,可达到针对性的表面多项改性的效果。
5.根据权利要求2所述的一种面向电弧增材修复的焊丝结构设计及粉末配比方法,其特征在于,当进行电弧增材制造功能梯度材料工艺时,将指定的焊丝长度如L1,L2,L3,L4做为各粉末的填充量,再按梯度材料各段不同性能的顺序,将对应配比的粉末按序注入指定位置段,如配比为d的粉末注入到送粉机7中,并利用震动装置8的震动作用,将粉末通过推入装置9送到焊丝6的空腔的L1段内,再将配比为e的粉末注入L2段内,接着是配比为f的粉末注入L3段内,配比为g的粉末注入L4等,在进行电弧增材修复时,使用这种填充完金属粉末的焊丝,可以实现增材制造梯度材料的工艺。
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