CN115945698B - 基于cmt增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法 - Google Patents

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CN115945698B CN202310231434.1A CN202310231434A CN115945698B CN 115945698 B CN115945698 B CN 115945698B CN 202310231434 A CN202310231434 A CN 202310231434A CN 115945698 B CN115945698 B CN 115945698B
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Abstract

本发明提供了一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，涉及材料焊接熔覆层质量优化技术领域。本发明以送丝速度V f 和焊接速度V为单焊道变量，建立了CMT焊接速度、送丝速度与单焊道高度W、单焊道宽度H的定量预测模型。基于单焊道高度W、单焊道宽度H，构建了单焊道横截面的圆弧轮廓模型，推导了焊道间距L的计算公式。考虑预制槽坡口角度的不同，基于单道焊宽度W、单道焊高度H及焊道间距L构建了预制槽宽度W 0 的计算公式，从而实现CMT增材再制造成形尺寸的预测，为CMT再制造熔覆层成形质量优化、预制槽的尺寸设计与优化提供了依据。

Description

基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法
技术领域
本发明涉及材料焊接熔覆层质量优化技术领域，具体涉及一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法。
背景技术
油气钻采关键设备，如防喷器、采油树、泥浆泵等，其服役环境恶劣，遭受磨损、冲蚀、腐蚀、工作载荷等耦合作用，极易形成体积缺陷、导致设备过早失效，影响设备完整性和安全使用。同时，这些装备体积大、制造耗费材料多、加工周期长；此外，为保证强度和安全性，这些关键装备的材料大多为金属材料，特别以调质态30CrMo钢为主。因此，这些设备的过早失效不仅造成显著的经济损失，还造成材料的极大浪费，有必要开展金属零件再制造的基础研究，以充分利用废旧设备的剩余价值、减少材料浪费。
相较于传统的电弧增材再制造技术，冷金属过渡(Cold Metal Transfer, CMT)技术具有熔覆效率高、热输入低、无飞溅、工艺稳定性强等优点，特别是热输入的大幅降低，减小了焊接热变形、减轻了微观组织粗大和成分偏析，有利于保证再制造件的尺寸精度和力学性能；而且CMT焊枪结构简单、可达性好。因此CMT再制造适用于含较大体积缺陷的零部件，可用于材质为金属、如30CrMo钢的油气钻采设备的再制造。
CMT的工艺参数，如焊接速度、送丝速度等，影响电弧热的分布，以及电磁力、电弧压力等熔池驱动力，进而影响熔池液态金属的流动，因此焊缝的高度、宽度依赖于工艺参数，焊缝成形质量不易调控。同时，熔覆层由多道焊缝搭接而成，焊道间距也影响熔覆层的成形质量；焊道间距过小，相邻焊缝间存在凹坑，导致熔覆层表面凹凸不平、有效厚度小；焊道间距过大，后续焊缝与先前焊缝过多的重叠，导致形成阶梯状的表面形貌，而且易于形成未熔合缺陷。此外，再制造需要将缺陷通过铣削的方式清理掉、加工成槽状，以便于增材再制造修复体积缺陷，因此待修复预制槽的尺寸，特别是宽度也是制约熔覆层的成形质量的重要因素。
尽管，针对CMT增材再制造的成形质量预测与调控提出了部分技术方案，涉及高氮钢、铝合金、镁合金、镍基合金，但是不同材料的比热容、热传导系数、熔点、液态金属表面张力等存在差异，导致相同工艺参数条件下熔覆层成形不同。而且，已有技术方案尚未系统、彻底解决成形质量预测、焊道间距计算、预制槽尺寸计算与优化的问题。
发明内容
为了解决已有技术方案尚未系统、彻底的解决成形质量预测、焊道间距计算、预制槽尺寸计算与优化的问题，本发明提供了一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，包括以下步骤：
确定CMT单道焊变量，所述变量包括焊丝的送丝速度Vf和焊接速度V；
利用二元二次多项式拟合送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊宽度W之间的关系，构建单道焊宽度预测模型；利用二元二次多项式拟合送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊高度H之间的关系，构建单道焊高度预测模型；
利用圆弧方程描述CMT单道焊的横截面轮廓，基于单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型，根据单焊道宽度W及单道焊高度H建立单焊道横截面轮廓的圆弧方程，通过圆弧方程计算得到单道焊横截面的圆弧轮廓半径R；
根据两相邻焊道轮廓形成的两区域面积关系及圆弧轮廓半径R，计算得到相邻两个单焊道之间的焊道间距L；
根据紧邻预制槽坡口的单焊道与基体熔合形成的面积关系，计算得到紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz；
根据焊道间距L和紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz计算得到预制槽的宽度W0。
优选地，所述单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型分别为：
Figure SMS_1
（1）
Figure SMS_2
（2）
式中，Vf为焊丝的送丝速度，V为焊接速度，W为单焊道宽度，H为单道焊高度。
优选地，所述单焊道横截面轮廓的圆弧方程为：
Figure SMS_3
（3）
式中，R为单焊道横截面的圆弧轮廓的半径。
优选地，所述焊道间距L为：
Figure SMS_4
（4）
焊道间距L具体为两条焊道中心面之间的距离；
x为坐标系中X轴的变量。
优选地，所述紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz的计算公式为：
Figure SMS_5
（5）
Figure SMS_6
（6）
Figure SMS_7
（7）
式中，α为预制槽坡口角度；
L0为焊道轮廓与预制槽坡口的交点p3至焊道中心p2的x轴方向距离；
L1为焊道轮廓与预制槽坡口交点p3至基体表面坡口棱线上点p0的x轴方向距离。
优选地，所述预制槽的宽度W0的计算公式为：
Figure SMS_8
（8）
式中，n为再制造焊道数量。
优选地，所述预制槽深度为
Figure SMS_9
、且/>
Figure SMS_10
。
本发明提供的基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法具有以下有益效果：
(1) 本发明以送丝速度Vf和焊接速度V为单焊道变量，构建单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型，实现不同送丝速度Vf和焊接速度V所得单道焊宽度W、单道焊高度H的准确预测。
(2) 本发明基于圆弧方程推导了焊道间距L计算公式，考虑预制槽坡口角度的不同，基于单道焊宽度W、单道焊高度H及焊道间距L构建了预制槽宽度W0的计算公式，为CMT再制造熔覆层成形质量优化、预制槽的尺寸设计与优化提供了依据。
(3) 本发明提出的焊道间距L、预制槽宽度W0的计算公式有利于相邻焊道、焊道与基体熔合形成平整的表面，避免了搭接距离过大造成的材料过渡累计、形成倾斜熔覆表面，或搭接过小形成凹凸不平的表面，提高了金属熔覆层成形质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为再制造熔覆层横截面轮廓示意图；
图2为送丝速度为7m/min、焊接速度为6mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的实际各参数实际测量结果示意图；
图3为送丝速度为7m/min、焊接速度为7mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图；
图4为送丝速度为7m/min、焊接速度分别为8mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
本发明提供了一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，具体如图1所示，包括以下步骤：
(1) 以焊丝的送丝速度Vf、焊接速度V为变量，每个变量赋予多个不同的数值，开展单道焊试验，共可实现多组试验。选择送丝速度Vf和焊接速度V作为变量是因为焊接电流、焊接电压可以根据送丝速度Vf和焊接速度V自动匹配。
(2) 在完成单道焊的焊接后，采用线切割切取包含单焊道的试样，以单道焊宽度W、单道焊高度H作为评价成形质量的指标，测量每组试验所得单道焊宽度W和单道焊高度H。
(3) 利用二元二次多项式拟合送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊宽度W之间的关系，构建单道焊宽度预测模型；利用二元二次多项式拟合送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊高度H之间的关系，构建单道焊高度预测模型。单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型分别为：
Figure SMS_11
Figure SMS_12
式中：Vf为焊丝的送丝速度，V为焊接速度，W为单焊道宽度，H为单道焊高度，
Figure SMS_14
、/>
Figure SMS_15
、/>
Figure SMS_17
、/>
Figure SMS_19
、/>
Figure SMS_20
、/>
Figure SMS_22
、/>
Figure SMS_24
、/>
Figure SMS_13
、/>
Figure SMS_16
、/>
Figure SMS_18
、/>
Figure SMS_21
、/>
Figure SMS_23
均为模型系数。具体的，本实施例中各系数均为常数。根据每组试验的Vf、V和测量的W、H联立求解得到。具体为将每组试验所用的送丝速度Vf、焊接速度V，测量得到的单道焊宽度W和单道焊高度H带入上面W和H的公式中，得到多个方程组，通过联立各方程组，得到各模型系数的具体值。
此公式可用于不同CMT工艺参数所得单焊道宽度、高度的预测。
(4) 利用圆弧方程描述CMT单道焊的横截面轮廓，建立如图1所示坐标系（以预制槽宽度方向为x轴，以预制槽高度方向为y轴），根据单焊道宽度W及单道焊高度H建立单焊道横截面轮廓的圆弧方程，通过圆弧方程计算得到单道焊横截面的圆弧轮廓半径，如下：
Figure SMS_25
（3）
式中，R为单焊道横截面的圆弧轮廓半径。
（5）再制造熔覆层平整，则图1中相邻两个单焊道轮廓内重叠区域面积A2与轮廓外应填充面积A1相等，基于单焊道横截面的圆弧轮廓的半径可得：
Figure SMS_26
Figure SMS_27
Figure SMS_28
根据公式（3）及A1、A2的相关公式，可推导得到相邻两个单焊道之间的焊道间距L的计算公式，如下：
Figure SMS_29
（4）
(6) 熔覆层应与待修复基体熔合形成平整的表面，则图1中A3=A4是最优Lz求解的条件，即焊缝底部与母材的重叠区域面积A4应等于焊缝上部与母材坡口边线及母材表面形成的缺口区域面积A3，据此计算得到紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz，即线段p2p0的长度，由此可得到Lz的计算公式，具体如下：
Figure SMS_30
/>
Figure SMS_31
Figure SMS_32
Figure SMS_33
Figure SMS_34
（5）
结合图1，联立求解A3、A4的相关公式，可得：
Figure SMS_35
（6）
Figure SMS_36
（7）
式中，α为预制槽坡口角度。
L0为焊道轮廓与预制槽坡口的交点p3至焊道中心面p2的x轴方向距离，即线段p3p2的距离。
L1为焊道轮廓与预制槽坡口的交点p3至基体表面坡口棱线上点p0的x轴方向距离，即线段p3p0的距离，如图1所述，交点p3在垂直方向与点p1在同一直线上，线段p3p0的距离也就是线段p1p0的距离。
h1为焊道轮廓与预制槽坡口边的交点至基体上表面的距离。
h2为焊道轮廓与预制槽坡口边的交点至预制槽底面的距离。
(7) 再制造前先加工预制槽，预制槽深度为
Figure SMS_37
、且/>
Figure SMS_38
，参照预制槽深度/>
Figure SMS_39
选择高度与其相近的单焊道，然后根据对应的焊道宽度，设计的预制槽坡口角度α，根据焊道间距L和紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz计算得到预制槽的宽度W0：
Figure SMS_40
（8）
式中，n为再制造焊道数量。
由此确保了焊道恰好能够平整的填充预制槽，使得再制造所得的熔覆层以及熔覆层与母材制件具有良好的平整度，即获得良好的成形质量。
实施例1
下面以30CrMo钢为例，具体来对本发明提供的基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法进行验证。
利用本发明基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法来获取预制槽的宽度，具体包括：
(1) 以送丝速度Vf、焊接速度V为变量，每个变量赋予4个不同的数值，试验参数组合见表1，共16组试验，开展单道焊试验。
表1 CMT再制造试验参数
序号 Vf(m/s) V (mm/s)
1 5 6
2 6 6
3 7 6
4 8 6
5 5 7
6 6 7
7 7 7
8 8 7
9 5 8
10 6 8
11 7 8
12 8 8
13 5 9
14 6 9
15 7 9
16 8 9
(2) 采用线切割切取包含单焊道的试样，以单道焊宽度W、单道焊高度H作为评价成形质量的指标，测量每组试验所得焊道的高度、宽度，见表2，以及横截面轮廓形状。
表2 CMT再制造试验测量得到的单道焊宽度和高度
序号 W (mm) H (mm)
1 9.1669 2.9475
2 10.0556 3.0059
3 10.1453 3.1801
4 10.0107 3.5775
5 8.92846 2.67
6 9.8569 2.7869
7 9.4798 2.9924
8 9.2806 3.3991
9 8.3888 2.6273
10 9.2034 2.7243
11 9.1638 2.8891
12 8.6757 3.1321
13 8.1239 2.5376
14 8.7205 2.5178
15 8.7278 2.7274
16 8.2887 2.9267
(3) 利用二元二次多项式拟合CMT的送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊宽度W、单道焊高度H之间数学关系，得到的数学关系式如下：
Figure SMS_41
（1）
Figure SMS_42
（2）
即构建了单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型。
为了检验所建立的单道焊宽度预测模型、单道焊高度预测模型的准确性，再次开展单道焊试验，试验条件与先前试验相同，所用工艺参数、对应的实测值、预测值，如表3所示。对比可知：试验的预测值和测量值吻合较好，最大相对误差为4.52%，这表明所建立的预测模型具有较高的预测精度，可用于单焊道高度、宽度的预测。
表3 验证试验的工艺参数及实测值、对应的预测值
Figure SMS_43
（4）用单焊道横截面轮廓的圆弧方程对焊缝横截的轮廓进行拟合。
（5）以送丝速度为7m/min，焊接速度分别为6mm/s、7mm/s、8mm/s，按照焊道间距L的计算公式计算得到的焊道间距值分别为：7.68mm、7.36mm、7.01mm；利用所得的焊道间距L分别开展多道再制造试验。各熔覆层的波纹度分别是：0.51mm、0.38mm、0.32mm。可见，焊道间距L的计算公式是可行的。
以如下条件为例，对各参数进行验证：
送丝速度为7m/min、焊接速度分别为6mm/s、7mm/s、8mm/s，预制槽坡口角度α=30°，再制造焊道数量n=5。
按照W、H、R、L1、L0、L及W0的计算公式计算得到的结果如表4所示。
表4 按照公式计算所得L1、L0、Lz、L和W0的数值列表
Vf(m/min) V (mm/s) W(mm) H(mm) R(mm) L1(mm) L0(mm) Lz(mm) L(mm) W0(mm)
7 6 10.145 3.180 5.636 0.808 3.735 4.543 7.269 38.162
7 7 9.480 2.992 5.250 0.769 3.494 4.263 6.798 35.718
7 8 9.164 2.889 5.078 0.757 3.377 4.134 6.571 34.552
按照单焊道横截面轮廓的圆弧方程、单焊道高度H，单焊道宽度W，基于公式计算所得的L1、L0、Lz、L和W0的具体数值，同时本发明按照1:1的比例，采用几何画图的方法，根据各参数画出各焊道、预制槽、基体间的相对关系，所得效果如图2-4所示。图2为送丝速度为7m/min、焊接速度为6mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图；图3为送丝速度为7m/min、焊接速度为7mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图；图4为送丝速度为7m/min、焊接速度分别为8mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图。图中标出了H、W、L1、L0、Lz、L和W0的数值，并统计了各区域的面积，见表5。
表5 不同参数再制造各区域面积统计
Vf(m/min) V (mm/s) A3(mm²) A4(mm²) A1(mm²) A2(mm²)
7 6 2.2351 2.2317 3.0497 3.0496
7 7 1.9744 1.9741 2.6799 2.6802
7 8 1.8517 1.8569 2.5021 2.5017
由表5可以看出，各组参数所对应的面积A3与面积A4非常接近、面积A1与面积A2非常接近。将表4的计算值与列在表5、图2-4的实测值进行对比可知，各参数的计算值与实测值几乎零误差，这证明了本发明所提出成形质量优化方法的可行性。综上，本发明建立了CMT工艺参数与再制造熔覆层成形尺寸、预制槽尺寸之间的定量关系，为成形质量的优化和预制槽尺寸的设计提供了依据。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定CMT单道焊变量，所述变量包括焊丝的送丝速度Vf和焊接速度V；
利用二元二次多项式拟合送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊宽度W之间的关系，构建单道焊宽度预测模型；利用二元二次多项式拟合送丝速度Vf、焊接速度V与单道焊高度H之间的关系，构建单道焊高度预测模型；
利用圆弧方程描述CMT单道焊的横截面轮廓，基于单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型，根据单道焊宽度W及单道焊高度H建立单焊道横截面轮廓的圆弧方程，通过圆弧方程计算得到单道焊横截面的圆弧轮廓半径R；
根据两相邻焊道轮廓形成的两区域面积关系及圆弧轮廓半径R，计算得到相邻两个单焊道之间的焊道间距L；
根据紧邻预制槽坡口的单焊道与基体熔合形成的面积关系，计算得到紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz；
根据焊道间距L和紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz计算得到预制槽的宽度W0；
所述单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型分别为：
W＝-3.964+4.329Vf+0.2732V-0.2973Vf 2-0.05042VfV+0.02868V2 (1)
H＝4.656-0.3003Vf-0.2402V+0.05587Vf 2-0.03075VfV+0.01871V2 (2)
式中，Vf为焊丝的送丝速度，V为焊接速度，W为单道焊宽度，H为单道焊高度；
所述单焊道横截面轮廓的圆弧方程为：
R＝(W2+4H2)/(8H) (3)
式中，R为单道焊横截面的圆弧轮廓半径；
所述焊道间距L为：
Figure FDA0004191665970000021
焊道间距L具体为两条焊道中心面之间的距离；
x为坐标系中X轴的变量；
所述紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离Lz的计算公式为：
Lz＝L1+L0 (5)
Figure FDA0004191665970000022
Figure FDA0004191665970000023
式中，α为预制槽坡口角度；
L0为焊道轮廓与预制槽坡口的交点p3至焊道中心p2的x轴方向距离；
L1为焊道轮廓与预制槽坡口的交点p3至基体表面坡口棱线上点p0的x轴方向距离。
2.根据权利要求1所述的基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，其特征在于，所述预制槽的宽度W0的计算公式为：
W0＝2Lz+(n-1)L (8)
式中，n为再制造焊道数量。
3.根据权利要求1所述的基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，其特征在于，所述预制槽深度为h、且h≤H。
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