一種金屬構(gòu)件埋弧堆焊成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬構(gòu)件埋弧堆焊成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，重型設(shè)備行業(yè)關(guān)鍵構(gòu)件如核電、石化行業(yè)壓力容器所用低合金高強(qiáng)度鋼、耐熱合金材料，冶金輥?zhàn)愉?、電站轉(zhuǎn)子鋼等構(gòu)件材料主要采用鑄鍛技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使用數(shù)百噸級大型鋼錠冶煉、鑄造和萬噸液壓機(jī)等重型鍛造工業(yè)裝備鍛壓成形，并輔以最終機(jī)加工。該傳統(tǒng)方法基本能夠滿足技術(shù)質(zhì)量要求，但制造工序繁多、生產(chǎn)周期長、材料利用率低，導(dǎo)致構(gòu)件成本高昂；另一方面，囿于鑄造技術(shù)和鍛造壓機(jī)噸位的限制，大型設(shè)備如核電、石化容器主要采用分段鍛制后再多段組焊的方式解決，鑄鍛工藝的問題將直接影響了后續(xù)的焊接和機(jī)加工，因此造成整體工藝復(fù)雜、化學(xué)與力學(xué)性能控制難度大，質(zhì)量穩(wěn)定性差，廢品率高的缺點(diǎn)。同時(shí)現(xiàn)有的這種制造工藝組合也難以滿足新型產(chǎn)品快速研制和批量生產(chǎn)的進(jìn)度要求。
[0003]埋弧堆焊技術(shù)，作為最基本埋弧增材制造方法之一，由于其生產(chǎn)效率高，堆焊質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)包括容器分段筒體組焊，輥?zhàn)愉摰亩押感迯?fù)，以及特殊件內(nèi)壁堆焊不銹鋼工藝等方面被廣泛應(yīng)用。但對于希望利用該技術(shù)在大型工件快速增材制造，也即直接埋弧堆焊成形方面，由于諸多工藝難點(diǎn)還鮮有實(shí)際應(yīng)用。這些難點(diǎn)包括整體系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造；對應(yīng)成形工件的焊絲和焊劑的研發(fā)和制備；以及最重要的，攻克重型金屬構(gòu)件大尺寸和復(fù)雜形狀的埋弧堆焊成形過程中裂紋、氣孔、化學(xué)偏析等。如何研發(fā)并穩(wěn)定成熟埋弧增材制造工藝，滿足要求越來越高的各行業(yè)重型金屬構(gòu)件的力學(xué)和化學(xué)性能是一個(gè)重大的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種高效、具有良好力學(xué)性能的金屬構(gòu)件埋弧增材制造方法。
[0005]本發(fā)明的金屬構(gòu)件埋弧堆焊成形方法為:將焊接電源的兩極分別接至焊槍和基材，同步輸送顆粒狀焊劑及金屬焊絲于基材表面，接通電源，焊絲在焊劑覆蓋下與基材之間產(chǎn)生電弧，使焊絲及基材表面局部熔化，在基材表面形成熔池，持續(xù)輸送焊絲與焊劑，根據(jù)零件數(shù)模數(shù)據(jù)控制焊槍與基材的相對移動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)在基材上逐層堆焊沉積，成形出金屬構(gòu)件。
[0006]在本發(fā)明中，根據(jù)成形金屬構(gòu)件材料不同，制備所需焊絲，根據(jù)成形金屬構(gòu)件材料不同，直徑為2mm?8_。焊劑由氧化物、或者、氧化物與鹵化物、或者、氧化物與鹵化物及金屬粉末組成，在成形過程中參與熔池元素反應(yīng)，調(diào)整熔池中合金元素，改善成形工件的力學(xué)性能，降低生產(chǎn)成本。
[0007]在本發(fā)明中，所使用的電源是直流電源或交流電源，在使用直流電源時(shí)，所述焊絲接正極或負(fù)極，根據(jù)焊絲直徑的不同，電流為200A?2000A，電壓為20V?50V。
[0008]在本發(fā)明中，根據(jù)成形工件材料和尺寸要求，對基材或焊層進(jìn)行加熱或冷卻，控制基材或焊層的溫度為100?400°C，從而獲得晶粒細(xì)密、無宏觀偏析、組織均勻的材料，極大的改善成形工件的塑性、韌性和高溫蠕變等力學(xué)性能，另外高溫熔池對下一層熱影響區(qū)沉積金屬層進(jìn)行熱處理，工件逐層進(jìn)行自回火熱處理，晶粒更為細(xì)密，組織更為穩(wěn)定。
[0009]在本發(fā)明中，根據(jù)成形金屬構(gòu)件的尺寸、形狀和效率要求，焊槍的數(shù)量為I?100個(gè)，多焊槍排布時(shí)，相鄰焊槍間距為50?500mm。
[0010]在本發(fā)明中，基材用于為構(gòu)件成形提供工裝支撐，其尺寸、形狀按照堆焊金屬要求設(shè)計(jì)制作，厚度不小于5mm;另外根據(jù)生產(chǎn)要求不同，基材可選用與堆焊金屬相同或不同的材料，在金屬堆焊完成后，基材可予以保留作為成形構(gòu)件一部分或通過后續(xù)機(jī)加工去除。
[0011]本發(fā)明的方法可用于SA508-3、SA387F22、SA182F1U12 % Cr、316LN、3.5 %NiCrMoV,3.5NiMoV、30Cr2Ni4MoV 或 24Cr2NilMolV 材料構(gòu)件的成形制造。
[0012]本發(fā)明的金屬構(gòu)件埋弧增材制造方法可用于反應(yīng)堆壓力容器、電站轉(zhuǎn)子、加氫反應(yīng)器筒體、核電站蒸發(fā)器筒體、核電站壓力容器筒體或核電站穩(wěn)壓器筒體的成形制造。
[0013]本發(fā)明擺脫了復(fù)雜的工裝、模具和專用工具的約束，成形即為近凈形坯件，生產(chǎn)后只需少量精加工，大大簡化加工工序，縮短產(chǎn)品周期；所成形工件具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學(xué)和化學(xué)性能，強(qiáng)度、韌性、耐蝕等性能均十分突出；本發(fā)明的方法可用于各行業(yè)重型金屬構(gòu)件如低合金鋼、耐熱鋼、不銹鋼、鎳基合金材料的成形與生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為用于說明金屬構(gòu)件埋弧堆焊方法的示意圖；
[0015]圖2為用于說明實(shí)施例1中的制造方法的示意圖；
[0016]圖3為用于說明實(shí)施例2中的制造方法的示意圖；
[0017]圖4為用于說明實(shí)施例3中的制造方法的示意圖；
[0018]圖5為用于說明實(shí)施例4中的制造方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]圖1為金屬構(gòu)件埋弧增材制造方法的示意說明圖。圖中部件是示意性的，其實(shí)際形狀與尺寸關(guān)系等不受圖示限制。
[0020]結(jié)合圖1，該制備方法是將焊絲I熔化而逐層(圖1中所示為堆積至第N層時(shí)的狀態(tài))堆焊在基材2上，從而最終形成所需的金屬構(gòu)件。如圖1所示，在本實(shí)施方式中，送絲機(jī)構(gòu)5經(jīng)由焊槍6向金屬制的基材2 —側(cè)的成形部位不斷輸送焊絲I (具體成分根據(jù)所要形成的材料材質(zhì)等設(shè)定)，其上覆蓋顆粒狀焊劑3 (使用送粉機(jī)構(gòu)4向成形部位輸送)，焊槍6 (焊絲I)與基材2接電源12兩極，成形時(shí)電源電壓使焊絲I (的端部)與基材2之間形成電弧產(chǎn)生電弧熱，電弧熱使焊絲、焊劑熔化，在基材表面形成熔池，控制送絲機(jī)構(gòu)5和送粉機(jī)構(gòu)4持續(xù)輸送焊絲I與焊劑3，并控制焊槍6與基材2相對移動(dòng)和基材2溫度，使熔池凝固并逐層堆焊沉積在基材2上，最終實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件埋弧堆焊增材制造成形。
[0021]另外，控制裝置(計(jì)算機(jī))根據(jù)零件數(shù)模(數(shù)值模擬)數(shù)據(jù)控制焊槍與基材的相對移動(dòng)軌跡。
[0022]在本發(fā)明中，焊絲I根據(jù)不同材料要求特殊制備，形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀，直徑設(shè)定為2?8mm，具體可根據(jù)成形金屬構(gòu)件材料不同來設(shè)定。
[0023]在本發(fā)明中，焊劑3覆蓋在熔池上，使用焊劑3的作用包括:覆蓋電弧，防止電弧飛濺；覆蓋熔池11，隔絕空氣，使熔池金屬免受空氣中氧、氮、氫等的侵害；對熔池金屬形成保溫；冶金反應(yīng)過程中去除雜質(zhì)、摻入合金；形成的渣池以機(jī)械方式保護(hù)堆焊金屬10良好成形等。
[0024]在本發(fā)明逐層成形的過程中，焊絲在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態(tài)進(jìn)入熔池后凝固使兩層金屬形成一體，實(shí)現(xiàn)分層成形，整體融合，保證了所形成材料的整體質(zhì)量。根據(jù)成形材料的不同，控制基材2或堆焊金屬預(yù)熱(或冷卻)使層間溫度為100?450°C，實(shí)現(xiàn)熔池快速冷卻，細(xì)化晶粒，并且高溫熔池對下一層熱影響區(qū)沉積金屬層進(jìn)行熱處理，逐層進(jìn)行自回火熱處理，晶粒更為細(xì)密，組織更為穩(wěn)定。采用本實(shí)施方式的制備方法成形的金屬構(gòu)件材料，無宏觀化學(xué)偏析、綜合力學(xué)性能良好且無方向性、晶粒細(xì)密，達(dá)到7級以上。
[0025]采用本實(shí)施方式的制備方法，原料絲利用率接近100% ;相比現(xiàn)有的加工技術(shù)(鍛造、鑄造等)，制造工序少(不需要復(fù)雜的熱處理)，周期短，效率高，超低碳超細(xì)晶高強(qiáng)度鋼材料的機(jī)械加工余量非常小，同時(shí)減少了精加工時(shí)間及節(jié)約了大量的材料。本發(fā)明的方法可用于 SA508-3、SA387F22、SA182F1U12 % Cr、316LN、3.5 % NiCrMoV,3.5NiMoV、30Cr2Ni4MoV或24Cr2NilMolV材料構(gòu)件的成形制造。另外，可用于反應(yīng)堆壓力容器、電站轉(zhuǎn)子、加氫反應(yīng)器筒體、核電站蒸發(fā)器筒體、核電站壓力容器筒體或核電站穩(wěn)壓器筒體的成形制造。
[0026]【實(shí)施例1】
[0027]法蘭盤的臥式制作。本實(shí)例描述通過埋弧堆焊成形方法制作法蘭的過程，材料為40Cr，基材材料Q235，所使用的設(shè)備包括:
[0028](I)回轉(zhuǎn)支撐臺；⑵電源；(3)焊槍；(4)自動(dòng)送絲裝置；(5)焊劑自動(dòng)輸送與回收裝置;(6)加熱裝置;(7)冷卻裝置;(8)基材;(9)中央控制裝置(計(jì)算機(jī))ο
[0029]圖2為用于表示本實(shí)施例的埋弧增材制造方法的示意性說明圖，圖中省略了電源、自動(dòng)送絲裝置等裝置。如圖2所示，焊絲101特殊制備，C元素:0.09-0.10%，其它元素按照SA508Gr3Cll要求，直徑4mm，數(shù)量2個(gè)(即焊槍401a、401b，下面說明中統(tǒng)稱為焊槍401)，焊劑為核電用燒結(jié)焊劑SJ6