CN117415509A - 金属型药芯焊丝及马氏体不锈钢结构件的增材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开金属型药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：铬粉6％‑7％，硅粉2％‑3％、铜粉5％‑8％、钛粉0.2％‑0.5％、铌粉2％‑3％，氧化镧0.3％‑0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。该金属型药芯焊丝可以用于制备马氏体不锈钢结构件，制备得到的结构件具有优良的力学性能。还公开了马氏体不锈钢结构件的增材制备方法。
Description
技术领域
本发明属于丝材电弧增材制造技术领域，具体涉及一种金属型药芯焊丝，还涉及一种马氏体不锈钢结构件的增材制备方法。
背景技术
不锈钢是我国三大支柱材料之一，并且随着我国现代工业的迅速发展，对不锈钢综合力学性能提出了更高的要求。马氏体不锈钢作为一种先进的高强度钢，具有高强度、高韧性等特点，同时在抗水蚀和抗弱酸腐蚀中具有较好能力。因此广泛应用于制造例如汽轮机转子叶片、油井管、轴和轴套、紧固螺栓、水压机叶阀片等，是一种重要的工程结构材料。目前我国的马氏体不锈钢结构件都是采用传统工艺(铸造、锻造)制造的，这种工艺在制造大型结构件时，难度大、制造成本高，而且易产生缺陷，构件拉伸性能差。
丝材电弧增材制造(WAAM)是以电弧作为热源熔化金属丝材，按照设定路径在基板上逐层堆积成形的一种制造方法。相较于传统的减法制造，一般不需要模具，且生产周期短、成本低、材料的利用率高、自动化程度高，特别在制造形状复杂的大尺寸构件有较大的优势。目前市场上焊丝主要是针对材料的焊接，没有针对电弧增材制造和再制造的专用丝材，而焊接增材制造的热过程的区别很大，市场上已有焊丝往往难以满足增材制造的要求。
发明内容
本发明第一个目的是提供一种金属型药芯焊丝，可以用于制备马氏体不锈钢结构件，制备得到的结构件具有优良的力学性能。
本发明第二个目的是提供一种马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，以上述金属型药芯焊丝为原料制备得到的结构件具有优良的力学性能。
本发明所采用的第一个技术方案是，金属型药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：铬粉6％-7％，硅粉2％-3％、铜粉5％-8％、钛粉0.2％-0.5％、铌粉2％-3％，氧化镧0.3％-0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
焊皮为奥氏体不锈钢钢带，药芯粉末的填充率控制在25wt％-30wt％。
本发明所采用的第二个技术方案是，马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按质量百分比分别称取以下药粉：铬粉6％-7％，硅粉2％-3％、铜粉5％-8％、钛粉0.2％-0.5％、铌粉2％-3％，氧化镧0.3％-0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的药粉在惰性气体氛围中进行热处理，然后保温；
步骤3、将步骤2得到的药芯粉末在保温后随炉冷却至室温，将药芯粉末填入奥氏体不锈钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成1.20mm的金属型药芯焊丝；
步骤4、使用步骤3得到的金属型药芯焊丝采用MIG焊为热源进行增材制造制备得到马氏体不锈钢结构件。
本发明的特征还在于，
步骤2中，惰性气氛为氩气；步骤2中，热处理的加热温度为200℃～300℃，保温时间为2～3h。
步骤3中，药芯粉末的填充率控制在25wt％-30wt％。
步骤4的具体流程为：将步骤3制备的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至全自动焊接机器人中，运行焊接机器命令，采用MIG焊为热源进行增材制造即得到本发明的马氏体不锈钢结构件。
步骤4中，MIG焊的工艺参数为焊接速度为0.18m/min～0.22m/min；每层焊枪提升3.5mm～5mm；保护气体为氩气。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种金属型药芯焊丝，其制备周期短，生产效率高，可以实现连续生产，其可以用于国防、能源、石油、化工、宇航和生物工程领域中复杂零件的增材制造；药芯焊丝通过钢皮里面的药芯在焊接过程中将合金元素过渡到焊缝中，从而可以很方便的调整合金成份的含量。
(2)本发明的技术方案，所采用的药芯焊丝与实心焊丝相比，药芯焊丝通过钢皮里面的药芯在焊接过程中将合金元素过渡到焊缝中，因此调整合金成份的含量很方便，实芯焊丝每调整一次合金成分需要重新冶炼；并且实芯焊丝在拉拔过程中，有的钢锭拉拔性很差，不易拉拔成所需要的焊丝。
(3)本发明提供了一种以MIG焊为热源、金属型药芯焊丝为原材料、基于增材制造技术制备马氏体不锈钢结构件的方法；本发明方法将均匀混合的药芯粉末放置在管式炉中，持续通入氩气，并在200℃～300℃下，保温2h～3h，通过这种方法可以有效的避免合金元素的氧化，减少马氏体不锈钢结构件氧元素的含量；本发明方法使用全自动焊接机器人增材制造马氏体不锈钢，增材制造效率高，丝材电弧增材制造可以通过焊接机器人编程实现；本发明方法增材制造过程中飞溅少、电弧稳定，焊缝成型美观、基本无塌陷现象、焊缝表面光洁，无气孔无夹渣；本发明方法增材制造完成后，用锤头锤击焊接区域，减小焊接残余应力，提高结构件的抗疲劳能力，基于MIG焊，本发明方法使用金属型药芯焊丝为原料制备马氏体不锈钢，具有以下优点：焊缝金属熔敷率高，生产效率高，结构件成形性好，焊缝中不易产生夹渣，且成本较低，适合自动化生产；焊接过程中飞溅小，熔滴过渡稳定。
(4)目前我国马氏体不锈钢电弧增材制造原料大多采用马氏体不锈钢实芯焊丝，但实芯焊丝每调整一次合金成分都需要重新冶炼，制备周期较长且复杂，本发明专利采用金属型药芯焊丝为马氏体不锈钢电弧增材的原材料，通过钢皮里面的药芯在焊接过程中将合金元素过渡到焊缝中，且向焊缝中过渡La2O3，NbC等增强相较为方便。La2O3作为髙熔点化合物在熔池中可以作为非均匀形核的质点，增加了外来的形核源，或在晶界处偏聚，阻碍了晶粒的长大，提高了马氏体不锈钢结构件的强度。该结构件具有优良的力学性能。
(5)本发明采用MIG焊提供制备马氏体不锈钢结构件的热源，与CO2气体保护焊相比，MIG焊电弧稳定，熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形性好；与TIG焊相比，MIG焊采用焊丝作为电极，焊丝和电流密度大，焊丝熔化效率高，焊接变形小，生产率高，适合自动化生产。TIG焊在焊接过程中钨级有少量的熔化和蒸发，钨微粒进入熔池会造成夹钨，影响焊接质量，且TIG焊承载电流有限，电弧容易扩展，不易集中，焊缝的熔深较小。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的马氏体不锈钢结构件的金相组织图；
图2为本发明实施例2制备的马氏体不锈钢结构件的金相组织图；
图3为本发明实施例3制备的马氏体不锈钢结构件的金相组织图；
图4为本发明实施例3制备的马氏体不锈钢结构件的应力应变测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供金属型药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：铬粉6％-7％，硅粉2％-3％、铜粉5％-8％、钛粉0.2％-0.5％、铌粉2％-3％，氧化镧0.3％-0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
焊皮为奥氏体不锈钢钢带，药芯粉末的填充率控制在25wt％-30wt％。
该焊丝中各组分的作用和功能如下：
硅(Si)在铁素体和奥氏体中有较好的固溶强化作用，其次，Si一般用于脱氧，减少因堆焊层增氧引起的堆焊层金属脆化。
铬(Cr)是马氏体不锈钢中主要的合金元素，在马氏体不锈钢中，Cr能增大碳的溶解度，增强奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀能力，当钢种同时有Mo存在时，Cr的这种有效性将大大增强；同时Cr元素在提高堆焊合金的耐磨性方面也起着重要作用。组织中的Cr元素易于以原子形式掺入碳化物如Fe7C3和Fe23C6中，与一些Fe原子置换形成复合相(Fe,Cr)7C3，(Fe,Cr)23C6等。堆焊合金中的Cr元素可以溶于γ-Fe与α-Fe中提高合金的高温强度、韧性，改善低温韧性、抗腐蚀性，提高淬透性，产生固溶强化效果。
铜(Cu)作为马氏体不锈钢中的重要合金元素，主要作用是提高马氏体不锈钢的冷加工成形性能，与Mo配合，进一步提高马氏体不锈钢在还原性介质中的耐蚀性；
钛(Ti)在马氏体不锈钢中，由于其与碳亲和力远大于Cr，常作为稳定化元素，优先于碳结合形成TiC，从而提高马氏体不锈钢抗晶间腐蚀的能力；同时可以作为熔池中的异质形核点，促使堆焊合金晶粒细化。
氧化镧(La2O3)作为髙熔点化合物在熔池中可以作为非均匀形核的质点，增加了外来的形核源，或在晶界处偏聚，阻碍了晶粒的长大，提高了马氏体不锈钢结构件的强度。并且La元素可以与钢液中的氧化物和硫化物夹杂作用，使其变成接近球形，提高了马氏体不锈钢结构件的强度，减弱了电弧增材制造技术制备的马氏体件的各向异性。
铌(Nb)元素可以和C元素结合形成NbC，NbC具有面心立方结构，一般呈颗粒状均匀分布在马氏体晶内，可钉扎位错，阻碍位错运动，形成位错环产生强化作用，并且NbC对晶粒生长及粗化有显著的抑制作用，从而提高马氏体不锈钢结构件的强度。
本发明还提供一种马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按质量百分比分别称取以下药粉：铬粉6％-7％，硅粉2％-3％、铜粉5％-8％、钛粉0.2％-0.5％、铌粉2％-3％，氧化镧0.3％-0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的药粉在惰性气体氛围中进行热处理，然后保温；
步骤2中惰性气氛为氩气。
步骤2中，热处理的加热温度为200℃～300℃，保温时间为2h～3h。
步骤3、将步骤2得到的药芯粉末在保温后随炉冷却至室温，将药芯粉末填入奥氏体不锈钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成1.20mm的金属型药芯焊丝；药芯粉末的填充率控制在25wt％-30wt％；
步骤4、使用步骤3得到的金属型药芯焊丝采用MIG焊为热源进行增材制造制备得到马氏体不锈钢结构件。
步骤4的具体流程为：将步骤3制备的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至全自动焊接机器人中，运行焊接机器命令，采用MIG焊为热源进行增材制造即得到本发明的马氏体不锈钢结构件。
步骤4中，MIG焊的工艺参数为焊接速度为0.18m/min～0.22m/min；每层焊枪提升3.5mm～5mm；保护气体为氩气。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：铬粉6％，硅粉2％、铜粉5％、钛粉0.5％、铌粉3％，氧化镧0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃下保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的奥氏体不锈钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将奥氏体不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在25wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.20mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到增材制造用马氏体不锈钢金属型药芯焊丝。
步骤4：将制备好的增材制造用马氏体不锈钢金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MIG焊为热源进行增材制造即得到本发明的马氏体不锈钢结构件；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.20m/min；每层焊枪提升3.5mm；保护气体为氩气，本实施例制备得到的结构件的金相组织图如图1所示，成型良好。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：铬粉7％，硅粉3％、铜粉8％、钛粉0.2％、铌粉2％，氧化镧0.3％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在230℃下保温3h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的奥氏体不锈钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将奥氏体不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在26wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.20mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到增材制造用马氏体不锈钢金属型药芯焊丝。
步骤4：将步骤3制备好的增材制造用马氏体不锈钢金属型药芯焊丝全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MIG焊为热源进行增材制造即得到本发明的马氏体不锈钢结构件；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.22m/min；每层焊枪提升5mm；保护气体为氩气，本实施例制备得到的结构件的金相组织图如图2所示，成型良好。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：铬粉6.5％，硅粉2.5％、铜粉7％、钛粉0.4％、铌粉2.5％，氧化镧0.4％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在250℃下保温2.5h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的奥氏体不锈钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将奥氏体不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在30wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.20mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到增材制造用马氏体不锈钢金属型药芯焊丝。
步骤4：将步骤3制备好的增材制造用马氏体不锈钢金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MIG焊为热源进行增材制造即得到本发明的马氏体不锈钢结构件；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.21m/min；每层焊枪提升4.6mm；保护气体为氩气。本实施例制备得到的结构件的金相组织图如图3所示，本实施例所制备的马氏体结构件的堆积件成型良好，无缺陷。本实施例制备得到的结构件的应力应变测试曲线结果如图4所示，屈服强度为750MPa，抗拉强度为938MPa，得到的马氏体不锈钢增材制造结构件具有优良的力学性能。
Claims (7)
1.金属型药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：铬粉6％-7％，硅粉2％-3％、铜粉5％-8％、钛粉0.2％-0.5％、铌粉2％-3％，氧化镧0.3％-0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的金属型药芯焊丝，其特征在于，焊皮为奥氏体不锈钢钢带，药芯粉末的填充率控制在25wt％-30wt％。
3.马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按质量百分比分别称取以下药粉：铬粉6％-7％，硅粉2％-3％、铜粉5％-8％、钛粉0.2％-0.5％、铌粉2％-3％，氧化镧0.3％-0.5％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的药粉在惰性气体氛围中进行热处理，然后保温；
步骤3、将步骤2得到的药芯粉末在保温后随炉冷却至室温，将药芯粉末填入奥氏体不锈钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成1.20mm的金属型药芯焊丝；
步骤4、使用步骤3得到的金属型药芯焊丝采用MIG焊为热源进行增材制造制备得到马氏体不锈钢结构件。
4.根据权利要求3所述的马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，其特征在于，步骤2中，惰性气氛为氩气；步骤2中，热处理的加热温度为200℃～300℃，保温时间为2～3h。
5.根据权利要求3所述的马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，其特征在于，步骤3中，药芯粉末的填充率控制在25wt％-30wt％。
6.根据权利要求3所述的马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，其特征在于，步骤4的具体流程为：将步骤3制备的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至全自动焊接机器人中，运行焊接机器命令，采用MIG焊为热源进行增材制造即得到本发明的马氏体不锈钢结构件。
7.根据权利要求6所述的马氏体不锈钢结构件的增材制备方法，其特征在于，步骤4中，MIG焊的工艺参数为焊接速度为0.18m/min～0.22m/min；每层焊枪提升3.5mm～5mm；保护气体为氩气。
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