CN114160932A - 高频tig辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高氮钢电弧增材领域，具体涉及一种高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的装置及方法。竖直方向采用双丝小电流熔化极焊枪进行焊接，同时在侧面使用高频TIG焊枪辅助焊接；所述双丝小电流熔化极焊枪中的两根高氮钢丝材分别独立送丝，且通过一个送丝系统固定在机器人上；双丝小电流熔化极焊枪的焊接电流为80‑120A，高频TIG焊枪的频率为5‑15KHz。本发明利用双丝小电流改善增材高氮钢飞溅大、气孔多等问题；利用高频TIG电弧改善小电流增材成型差等问题，此外高频效应对熔池的搅拌作用，起到消除气孔、细化晶粒作用；有效解决了传统熔化极电弧增材高氮钢易飞溅、气孔多和热积累过多等造成成型件质量差这一难题。
Description
技术领域
本发明属于高氮钢电弧增材领域，具体涉及一种高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的装置及方法。
背景技术
高氮钢具有良好的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，在航空航天、生物医学、船舶装备制造等各个领域都具有广泛的应用和广阔的发展前景。高氮钢焊丝的含氮量较高，导致在增材过程中容易产生飞溅、气孔、裂纹等缺陷，使得力学性能及耐腐蚀性能下降，难以制备高性能的高氮钢构件。此外由于高氮钢焊丝由于其本身的成分特点(高氮、高锰)，在熔化极电弧增材工艺条件下，很容易就形成大量飞溅，极大地增加了清理工作量和缺陷产生的概率。
以电弧作为热源的丝材增材制造技术具有沉积效率高、成本低、材料利用率高等优点。熔化极电弧增材技术是采用连续等速送丝堆焊，焊丝与被焊工件之间的电弧作为焊接热源来熔化焊丝。其优点在于：具有广泛的适应性；采用焊丝作为电极，可选择较大电流，生产效率高。但当采用大电流时虽然提高了沉积效率，但会造成熔滴飞溅问题和由于热输入过大导致热积累严重，最终成型件变形严重，组织粗大，造成成型质量不好，以及力学性能下降等问题。
发明专利“一种双熔化极-TIG电弧复合热源焊接方法”(专利号：ZL2017113269448)发明了一种新的双熔化极焊接方法，其典型工艺特点是在双熔化极间接电弧前面加了辅助TIG电弧，双丝电弧的每根送丝单独配气保护，双丝由角度可调的夹具连接。在对母材热输入小的前提下，可大幅度提高熔敷效率，因此该焊接方法简单、焊接效率高、实用性强。但对于高氮钢增材，由于高氮钢丝材氮含量高，TIG焊枪在前，形成先行熔池，双丝形成间接电弧，造成飞溅仍明显，而且随着熔池温度降低，氮气不易逸出，形成大量气孔，该方法不能明显改善高氮钢易飞溅、气孔多等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的装置及方法，采用小电流、双丝分流的方式，可有效降低热输入、减少飞溅，增加沉积效率，利用高频TIG辅助能改善成型、增加增材件力学性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的方法，竖直方向采用双丝小电流熔化极焊枪进行焊接，同时在侧面使用高频TIG焊枪辅助焊接；所述双丝小电流熔化极焊枪中的两根高氮钢丝材分别独立送丝，且通过一个送丝系统固定在机器人上；双丝小电流熔化极焊枪的焊接电流为80-120A，高频TIG焊枪的频率为5-15KHz。
进一步的，所述双丝小电流熔化极焊枪焊接时的具体工艺参数为：高氮钢丝材的直径为0.8mm、1.0mm或1.2mm，焊接电压为15-20V，熔覆速度VR为2-5mm/s、送丝速度Va和Vb为3-6m/min、熔化极保护气采用93.5％Ar+5％N2+1.5％O2混合气体，气流量为15-20L/min。
进一步的，双丝小电流熔化极焊枪中的两根高氮钢丝材的丝材成分相同或不同，根据目标高氮钢成分进行调整。
进一步的，高频TIG焊枪辅助焊接的具体工艺参数为：基值电流Ij为50-100A，峰值电流IP为180-300A，堆敷速度VW＝VR＝2-5mm/s钨极直径dw为4-6mm，钨极内缩量3-6mm，钨极尖角15°-30°，钨极尖端距基板高度Hw为6-10mm，保护气为99.99％氩气，流量10-20L/min。
一种实现上述的方法的装置，包括双丝小电流熔化极焊枪，高频TIG焊枪，送丝系统，机器人和视觉传感器；
所述高频TIG焊枪通过夹持机构安装在双丝小电流熔化极焊枪枪身上，且通过夹持机构能够调节高频TIG焊枪的钨极尖端相对于双丝小电流熔化极焊枪出口的位置；所述视觉传感器高度可调且用于观察钨极尖端，从而调整焊接参数。
进一步的，所述送丝系统中设有控制电路，两套送丝子系统，和与两套送丝子系统分别对应的电机与压丝装置，通过机器人的控制实现对送丝系统的整体控制，通过控制电路实现对两套送丝子系统的送丝速度和焊接电流的分别独立的控制。
进一步的，所述双丝熔化极焊枪顶部有两个送丝孔，分别为高氮钢丝材Ι孔和高氮钢丝材Ⅱ孔，两孔呈对称分布，对称中心为焊枪中心，两个送丝孔的中心距d为8-12mm；
所述高氮钢丝材Ι和高氮钢丝材Ⅱ伸出熔化极焊枪底部的长度为8-13mm，丝材距离基板高度Hs为8-13mm，熔化极焊枪底部的丝材与熔化极焊枪轴线呈一夹角
为0°-15°。
进一步的，所述夹持机构包括水平角度夹，水平定位件，倾斜固定夹和水平固定夹：
所述水平角度夹通过竖向螺栓安装在水平固定夹上，其在水平方向的角度能够调节；
所述水平定位件与水平角度夹通过螺栓固定并安装在所述水平固定夹上，使倾斜固定夹在水平方向的角度、位置能够调节；
所述倾斜固定夹一侧通过螺栓与水平定位件固定，另一侧通过螺栓固定TIG焊枪；
所述水平固定夹通过螺栓安装在双丝小电流熔化极焊枪上。
进一步的，所述水平固定夹中间部分为开口环柱形，围绕着双丝小电流熔化极焊枪固定，由对称的两个夹片组成，在开口的两侧的相对位置上分别形成有固定部和安装部，在固定部上形成有用于安装螺栓的螺孔，水平固定夹通过螺栓安装在双丝小电流熔化极焊枪上；安装部形成在水平固定夹本体远离开口一侧，其上形成有用于安装所述水平角度夹的竖向螺栓孔，再由螺栓固定竖向螺栓孔。
进一步的，所述水平角度夹的一端形成一个竖向螺栓孔，用于与所述水平固定夹连接；另一端形成有竖向两个螺栓孔，用于与所述水平定位件连接；
所述水平定位件为单一长方体夹片，一端有两个竖向螺栓孔，用于与所述水平角度夹连接，所述水平定位件中间部分为一长方形孔洞，通过螺栓与倾斜固定夹连接，通过螺栓在长方形孔洞内移动，可以调整倾斜固定夹水平方向位置；
所述倾斜固定夹由对称的两个夹片组成，夹片一端为平面夹，另一端为柱形夹，平面夹一端通过螺栓固定在水平定位件上，柱形夹一端夹持TIG焊枪，由螺栓固定，其在水平方向角度、竖直方向角度能够调节。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明外加高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢新工艺，小电流熔化极电弧增材能减少热输入，减少变形，改善增材高氮钢飞溅大、气孔多等问题，同时高频TIG的加入，改善小电流成型差，此外高频电流有搅拌熔池的作用，一方面使N2逸出，减少气孔量，另一方面使晶粒破碎，细化晶粒，提高成型件力学性能。
附图说明
图1为本发明增材高氮钢的装置的主视图。
图2为本发明增材高氮钢的装置的焊枪示意图。
图3为本发明的倾斜固定夹示意图。
图4为本发明的水平固定架示意图。
图5为本发明的水平角度夹示意图。
图6为本发明的水平定位件示意图。
图7为本发明的双丝熔化极焊枪局部放大示意图。
附图标记说明：
1-竖向螺栓，2-水平角度夹，3-水平定位件，4-倾斜固定夹，5-高频TIG焊枪，6-钨极，7-高氮钢增材件，8-基板，9-工作台，10-高氮钢丝材Ⅰ，11-高氮钢丝材Ⅱ，12-双丝小电流熔化极焊枪，13-水平固定夹，14-送丝系统，15-机器人，16-视觉传感器，17-送丝盘Ι，18-送丝盘Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-7所示，一种高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的设备，包括：双丝小电流熔化极焊枪12、高频TIG焊枪5、视觉传感16；
视觉传感器16位于支架上，支架具有高度调节功能，使视觉传感器16能观察到钨极尖端变化情况；根据钨极尖端的变化采取更换钨极或者调整焊接参数；通过视觉传感器还能观察到熔池情况，调整焊接参数，改善成型质量。
夹持机构包括水平固定夹13、水平角度夹2、水平定位件3和倾斜固定夹4，其中：水平固定夹13由对称的两个夹片组成，中间部分为开口环柱形，固定在双丝小电流熔化极焊枪12上，在所述开口的两侧的相对位置上分别形成有所述固定部和安装部，在固定部上形成有用于安装螺栓的螺孔，水平固定夹13通过螺栓安装在双丝小电流熔化极焊枪12上，安装部上形成有用于安装所述水平角度夹2的竖向螺栓孔，再由螺栓固定竖向螺栓孔；所述水平角度夹2的一端有一竖向螺栓孔，通过竖向螺栓1安装在水平固定夹13上，另一端形成有两个螺栓孔，用于与水平定位件3连接，在水平方向的角度能够调节；所述水平定位件3为单一长方体夹片，一端有两个螺栓孔，用于与所述水平角度夹2连接，水平定位件3中间部分为一长方形孔洞，通过螺栓与倾斜固定夹4连接，通过螺栓在长方形孔洞内移动，使倾斜固定夹4在水平方向的角度、位置能够调节；所述倾斜固定夹4由对称的两个夹片组成，夹片一端为平面夹，另一端为柱形夹，通过螺栓的调节在水平方向角度、位置改变，倾斜固定夹4一侧通过螺栓与水平定位件3固定，另一侧通过螺栓固定高频TIG焊枪5，通过夹持机构可以调节TIG焊枪5与双丝小电流熔化极焊枪12之间的位置；
所述高频TIG焊枪5在增材时采用高频电源，频率f为5-15KHz，基值电流Ij为50-100A，峰值电流IP为180-300A，堆敷速度VW＝VR＝2-5mm/s钨极直径dw为4-6mm，钨极内缩量3-6mm，钨极尖角15°-30°，钨极尖端距基板(8)高度Hw为6-10mm，保护气(99.99％氩气)，流量10-20L/min；
所述的双丝小电流熔化极焊枪12采用保护气采用93.5％Ar+5％N2+1.5％O2混合气体，气流量为15-20L/min，双丝小电流熔化极焊枪顶部有两个送丝孔，分别为高氮钢丝材Ι孔和高氮钢丝材Ⅱ孔，两孔以焊枪轴线为对称轴，两个送丝孔的中心距d为8-12mm，高氮钢丝材Ι和高氮钢丝材Ⅱ的丝材成分相同或不同，根据目标高氮钢成分进行调整，两种丝材的直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm；
所述高氮钢丝材Ι和高氮钢丝材Ⅱ伸出熔化极焊枪底部的长度为8-13mm，丝材距离基板8高度Hs为8-13mm，熔化极焊枪底部的丝材与竖直方向呈一夹角
为0°-15°，双丝由送丝系统14送进，各丝材的送丝速度Va和Vb、焊接电流Ia和Ib。
本发明采用更加高效的双丝小电流电弧增材制造方法对高氮钢进行电弧增材，既降低热输入和减少气孔率，又能有效避免了高氮钢丝材熔化形成熔滴向熔池过渡过程中爆炸产生的大量飞溅，降低了环境的污染。同时采用高频TIG辅助，高频TIG电弧作用于熔池，一方面增加热输入，改善成型质量，又能细化晶粒，减少气孔率。
实施例1
利用上述设备，采用上述用于高氮钢的高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的设备及方法制备高氮钢构件，其尺寸为120mm×120mm×60mm。其具体步骤如下：
步骤1：根据目标增材件高氮钢的成分，选择合适的高氮钢丝材成分，丝材直径，确定送丝夹角
和两个送丝孔的中心距d；
步骤2：选择基板8，试验前对基板8表面进行清理，基板8位于焊枪活动范围之内，调节钨极尖端和丝材距基板8表面间距Hw和Hs，并调整高频TIG焊枪5钨极尖端与双丝小电流熔化极焊枪12之间的位置，确定两者合适位置；
步骤3：接通电源，等待整个系统的通讯信号就位，预设熔覆速度VR、送丝速度Va和Vb、焊接电流Ia、Ib、IW、高频电源频率f等参数，以及钨极和熔化极各自保护气成分。
步骤4：根据目标高氮钢结构件实际形状尺寸确定增材路线，以熔覆速率VR进行增材，每一层增材完后，将焊枪提高一个层厚，层间等待后，开始增材下一层；重复增材过程最终获得高氮钢增材件。
其中：在增材过程中，通过视觉传感器16观察钨极尖端变化情况，视觉传感器中钨极尖端的变化，调整TIG焊枪位置，对于钨极尖端被污染或者损耗过大，要及时更换钨极。
Claims (10)
1.一种高频TIG辅助双丝小电流熔化极电弧增材高氮钢的方法，其特征在于，竖直方向采用双丝小电流熔化极焊枪进行焊接，同时在侧面使用高频TIG焊枪辅助焊接；所述双丝小电流熔化极焊枪中的两根高氮钢丝材分别独立送丝，且通过一个送丝系统固定在机器人上；双丝小电流熔化极焊枪的焊接电流为80-120A，高频TIG焊枪的频率为5-15KHz。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双丝小电流熔化极焊枪焊接时的具体工艺参数为：高氮钢丝材的直径为0.8mm、1.0mm或1.2mm，焊接电压为15-20V，熔覆速度VR为2-5mm/s、送丝速度Va和Vb为3-6m/min、熔化极保护气采用93.5％Ar+5％N2+1.5％O2混合气体，气流量为15-20L/min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，双丝小电流熔化极焊枪中的两根高氮钢丝材的丝材成分相同或不同，根据目标高氮钢成分进行调整。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，高频TIG焊枪辅助焊接的具体工艺参数为：基值电流Ij为50-100A，峰值电流IP为180-300A，堆敷速度VW＝VR＝2-5mm/s钨极直径dw为4-6mm，钨极内缩量3-6mm，钨极尖角15°-30°，钨极尖端距基板高度Hw为6-10mm，保护气为99.99％氩气，流量10-20L/min。
5.一种实现权利要求1-4任一项所述的方法的装置，其特征在于，包括双丝小电流熔化极焊枪(12)，高频TIG焊枪(15)，送丝系统(14)，机器人(15)和视觉传感器(16)；
所述高频TIG焊枪(15)通过夹持机构安装在双丝小电流熔化极焊枪(12)枪身上，且通过夹持机构能够调节高频TIG焊枪(15)的钨极尖端相对于双丝小电流熔化极焊枪(12)出口的位置；所述视觉传感器(16)高度可调且用于观察钨极尖端，从而调整焊接参数。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述送丝系统(14)中设有控制电路，两套送丝子系统，和与两套送丝子系统分别对应的电机与压丝装置，通过机器人(15)的控制实现对送丝系统(14)的整体控制，通过控制电路实现对两套送丝子系统的送丝速度和焊接电流的分别独立的控制。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述双丝熔化极焊枪(12)顶部有两个送丝孔，分别为高氮钢丝材Ι孔和高氮钢丝材Ⅱ孔，两孔呈对称分布，对称中心为焊枪中心，两个送丝孔的中心距d为8-12mm；
所述高氮钢丝材Ι(10)和高氮钢丝材Ⅱ(11)伸出熔化极焊枪底部的长度为8-13mm，丝材距离基板(8)高度Hs为8-13mm，熔化极焊枪底部的丝材与熔化极焊枪轴线呈一夹角
为0°-15°。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述夹持机构包括水平角度夹(2)，水平定位件(3)，倾斜固定夹(4)和水平固定夹(13)：
所述水平角度夹(2)通过竖向螺栓(1)安装在水平固定夹(13)上，其在水平方向的角度能够调节；
所述水平定位件(3)与水平角度夹(2)通过螺栓固定并安装在所述水平固定夹(13)上，使倾斜固定夹(4)在水平方向的角度、位置能够调节；
所述倾斜固定夹(4)一侧通过螺栓与水平定位件(3)固定，另一侧通过螺栓固定TIG焊枪(5)；
所述水平固定夹(13)通过螺栓安装在双丝小电流熔化极焊枪(12)上。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述水平固定夹(13)中间部分为开口环柱形，围绕着双丝小电流熔化极焊枪(12)固定，由对称的两个夹片组成，在开口的两侧的相对位置上分别形成有固定部和安装部，在固定部上形成有用于安装螺栓的螺孔，水平固定夹(13)通过螺栓安装在双丝小电流熔化极焊枪(12)上；安装部形成在水平固定夹本体远离开口一侧，其上形成有用于安装所述水平角度夹(2)的竖向螺栓孔，再由螺栓固定竖向螺栓孔。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述水平角度夹(2)的一端形成一个竖向螺栓孔，用于与所述水平固定夹(13)连接；另一端形成有竖向两个螺栓孔，用于与所述水平定位件(3)连接；
所述水平定位件(3)为单一长方体夹片，一端有两个竖向螺栓孔，用于与所述水平角度夹(2)连接，所述水平定位件(3)中间部分为一长方形孔洞，通过螺栓与倾斜固定夹(4)连接，通过螺栓在长方形孔洞内移动，可以调整倾斜固定夹(4)水平方向位置；
所述倾斜固定夹(4)由对称的两个夹片组成，夹片一端为平面夹，另一端为柱形夹，平面夹一端通过螺栓固定在水平定位件(3)上，柱形夹一端夹持TIG焊枪(5)，由螺栓固定，其在水平方向角度、竖直方向角度能够调节。
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