CN108817728B - 一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉、药芯焊丝、增材金属构件 - Google Patents

一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉、药芯焊丝、增材金属构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉、药芯焊丝、增材金属构件，属于电弧增材材料技术领域。本发明的用于电弧增材的药芯焊丝药粉，包括主药粉；所述主药粉由以下质量百分比的组分组成：镍1.8～3.2％，锰6～9％，硅0.4～1.2％，铈0.1～0.4％，钼0.5～2.5％，铬0.4～0.9％，锆0.2～0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的用于电弧增材的药芯焊丝药粉，工艺性良好，在较宽的工艺规范下，电弧稳定，熔渣较少，增材成型美观。采用钨极氩弧增材工艺成型份增材，金属成分稳定，屈服强度大于430MPa，抗拉强度大于550MPa，延伸率大于23％，‑40℃夏比冲击功大于120J。

Description

一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉、药芯焊丝、增材金属构件
技术领域
本发明涉及一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉、药芯焊丝、增材金属构件，属于电弧增材材料技术领域。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期，尤其适于低成本小批量产品制造，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著，在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景。过去几十年中主要研究一激光、电子书为热源的粉基金属增材制造技术，通过不熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，但由于其原材料、热源特点，金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形，其原材料、时间成本很高，具有诸多不足之处。
随着科学技术的迅速发展，基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率的电弧增材制造技术成为学者关注的热点。电弧增材制造的相关技术研究也逐渐增加。电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，成形零件由全焊缝构成，致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，但成型的电弧增材构件常常分布有气孔和裂纹，并且存在起球，成分不均匀等问题，这些问题与电弧增材的工艺参数和电弧增材的填充材料都有密切的关系，严重降低了电弧增材构件的强度和低温冲击韧性受到严重影响，使电弧增材制造技术应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高强度和良好抗低温冲击性能的用于电弧增材的药芯焊丝药粉。
本发明还提供了一种用于电弧增材的药芯焊丝及采用该药芯焊丝制得的增材金属构件。
为了实现以上目的，本发明的用于电弧增材的药芯焊丝药粉所采用的技术方案是：
一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉，包括主药粉；所述主药粉由以下质量百分比的组分组成：镍1.8～3.2％，锰6～9％，硅0.4～1.2％，铈0.1～0.4％，钼0.5～2.5％，铬0.4～0.9％，锆0.2～0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的用于电弧增材的药芯焊丝用药粉，工艺性良好，成本低、在较宽的工艺规范下，电弧稳定，熔渣较少，增材成型美观。采用钨极氩弧增材工艺成型的增材金属，金属成分稳定，屈服强度大于430MPa，抗拉强度大于550MPa，延伸率大于23％，-40℃夏比冲击功大于120J。
本发明的用于电弧增材的药芯焊丝药粉中组分的设计依据为：
药芯焊丝药粉中镍的主要目的在于提高焊缝金属的低温韧性，其次是提高抗拉强度；镍作为合金元素具有合金强化、韧化基体的作用。控制镍的量在1.8％～3.2％时，增材金属的抗拉强度与低温韧性匹配性较好，镍的量过高增加材料成本。
药芯焊丝药粉中锰主要作用是脱氧，特别是与硅、铁联合可以起到良好的脱氧作用；同时向焊缝金属中过渡锰元素，提高焊缝金属的抗拉强度；加入量过少，脱氧不足容易产生气孔，含量过高时降低增材的塑韧性。
药芯焊丝药粉中铈元素使增材金属中的非均匀形核作用增强，并且聚集于晶界，使合金的表面张力降低，晶体长大的驱动力减小，抑制晶粒生长，从而起到细化晶粒的效果。
药芯焊丝药粉中钼的主要作用是提高焊缝金属的抗拉强度，同时降低增材金属的回火脆性。
药芯焊丝药粉中铬可以向焊缝金属中过渡元素铬，与钼、铁、锰元素含量形成平衡元素，在确保增材力学性能的基础上，确保其低温冲击韧性。
药芯焊丝药粉中锆的主要目的在于使夹渣物球化，改善增材金属中夹渣物的形态及分布状态，其加入量在0.2～0.5％时，增材金属中夹渣物呈球形、离散状态分布，且尺寸较小，有利于增材金属的性能稳定。
优选的，所述药芯焊丝药粉还包括稳弧剂。稳弧剂的作用是保持电弧稳定燃烧，确保焊缝良好成形。
优选的，所述稳弧剂的质量为所述药芯焊丝药粉的质量的0.1～0.3％。
优选的，所述稳弧剂为高锰酸钾、碳酸钾、碳酸钙中的至少一种。高锰酸钾受热分解产生K2O、MnO2、MnO等可稳定电弧、有助于形成熔渣、改善增材熔池的成型，加入量过少，起不到应有的效果，加入量过多，不利于增材过程的稳定，最佳加入量为0.1～0.3％。
本发明的用于电弧增材的药芯焊丝药粉可以按照现有技术的药芯焊丝药粉的制备方法进行制备。如一种上述用于电弧增材的药芯焊丝药粉的制备方法，包括：按照主药粉的组成及配比取镍粉、锰粉、稀土硅铁粉、钼粉、铬铁粉、锆铁粉和铁粉混匀，即得。对于还包括稳弧剂的药芯焊丝药粉，在制备时，还需要取稳弧剂，与镍粉、锰粉、稀土硅铁粉、钼粉、铬铁粉、锆铁粉和铁粉混匀。
优选的，所采用的镍粉、锰粉、稀土硅铁粉、钼粉、铬铁粉、锆铁粉和铁粉的粒度均不大于80目。
优选的，所述高锰酸钾的粒度不大于120目。
优选的，所述稀土硅铁粉中，稀土元素的质量百分比为30～34％，Si元素的质量百分比不小于40％，余量为铁元素和不可避免的杂质。
优选的，所述铬铁粉中，铬元素的质量百分比不小于63％，余量为铁元素和不可避免的杂质。
优选的，所述锆铁粉中，锆元素的质量百分比不小于71％，余量为铁元素和不可避免的杂质。
本发明的用于电弧增材的药芯焊丝所采用的技术方案为：
一种用于电弧增材的药芯焊丝，包括金属外***和包裹在金属外***内的药芯焊丝药粉，所述药芯焊丝药粉包括主药粉；所述主药粉由以下质量百分比的组分组成：镍1.8～3.2％，锰6～9％，硅0.4～1.2％，铈0.1～0.4％，钼0.5～2.5％，铬0.4～0.9％，锆0.2～0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的用于电弧增材的药芯焊丝，具有电弧稳定、工艺性优良，边缘不易产生下坠、增材成型均匀、稳定等特点，具有较大的市场推广前景和良好的经济效益。
优选的，所述药芯焊丝药粉还包括稳弧剂。
优选的，所述稳弧剂的质量为所述药芯焊丝药粉的质量的0.1～0.3％。
优选的，所述稳弧剂为高锰酸钾、碳酸钾、碳酸钙中的至少一种。
优选的，所述药粉占所述药芯焊丝质量的21～23％。
优选的，所述金属外***为低碳钢。
优选的，所述药芯焊丝的直径为0.8～1.2mm。
本发明的药芯焊丝可以采用现有技术进行制备，如一种药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：用金属外***基材包裹所述药粉，轧制，即得。该制备方法，工艺简单，熔敷金属化学成分可以在一定范围内进行灵活调节，较实芯焊丝生产环保，且成本低。
上述药芯焊丝的制备方法还包括按照配方量取组分混匀制成所述药粉。
所述包裹是将所述金属外***基材制成U型，置入所述药粉后将U型口焊合。
优选的，所述金属外***基材为钢带。所述钢带为低碳钢。
上述药芯焊丝的制备方法还包括将轧制后得到的材料进行减径、绕盘。经过绕盘后的药芯焊丝可以进行包装、入库。
本发明的增材金属构件所采用的技术方案为：
一种采用上述用于电弧增材的药芯焊丝制备得到的增材金属构件。
本发明的增材金属构件采用上述用于电弧增材的药芯焊丝制备得到，具有成型均匀，抗拉强度高、延伸率高、屈服强度高、低温抗冲击性好的优点。本发明的增材金属构件可以按照现有技术的方法进行制备。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
在实施本发明的技术方案的过程中，药芯焊丝药粉的各组分在选材时不可避免携带一些杂质元素，为了避免杂质元素对药芯焊丝性能的影响，应当尽量减少杂质元素的带入，如应当尽量选用P等杂质元素含量交底的组分，以减少其向增材金属中的过渡，提高增材金属的纯净度，有利于增材金属性能的稳定。
如选用的镍粉中，Ni元素和Co元素的质量百分比总和不小于95％，C元素的质量百分比不大于0.05％，S元素的质量百分比不大于0.005％，P元素的质量百分比不大于0.005％。
如选用的锰粉中，Mn元素的质量百分比不小于97％，Si元素的质量百分比不大于0.4％，Fe元素的质量百分比不大于2％，S元素的质量百分比不大于0.02％，P元素的质量百分比不大于0.03％。
如选用的钼粉中，Mo元素的质量百分比不小于99％，C元素的质量百分比不大0.015％，S元素的质量百分比的不大于0.1％，P元素的质量百分比不大于0.08％。
如选用的铬铁粉中，Cr元素的质量百分比不小于63％，C元素的质量百分比不大于0.02％，S元素的质量百分比不大于0.1％，P元素的质量百分比不大于0.08％。
如选用的锆铁粉中，Zr元素的质量百分比不小于71％，C元素的质量百分比不大于0.03％，S元素的质量百分比不大于0.05％，P元素的质量百分比不大于0.06％。
如选用的铁粉中，Fe元素的质量百分不小于98％，C元素的质量百分百比不大于0.05％，S元素的质量百分不大于0.02％，P元素的质量百分比不大于0.02％。
各实施例中所采用的镍粉、锰粉、钼粉、铬铁粉和铁粉均按照上述条件进行选材，镍粉、锰粉、稀土硅铁粉、钼粉、铬铁粉、锆铁粉、铁粉的粒度均不大于80目；所采用的高锰酸钾的粒度不大于120目，纯度不小于97％。
具体实施方式中所采用的金属外***为低碳钢。
实施例1
本实施例的用于电弧增材的药芯焊丝药粉，由主药粉和稳弧剂组成；主药粉由以下质量百分比的组分组成：镍1.8％，锰9％，硅0.4％，铈0.2％，钼2.5％，铬0.4％，锆0.3％，余量为铁和不可避免的杂质；所采用的稳弧剂为高锰酸钾，稳弧剂的质量为药芯焊丝药粉的质量的0.1％。
本实施例的药芯焊丝药粉的制备方法，包括：按照主药粉的组分组成及配比取镍粉、锰粉、稀土硅铁粉、钼粉、铬铁粉、锆铁粉和铁粉，按照稳弧剂占药芯焊丝药粉的质量百分比取高锰酸钾；然后将镍铁粉、锰粉、稀土硅铁粉、钼铁粉、铬铁粉、锆铁粉和高锰酸钾混匀，即得。
本实施例的用于电弧增材的药芯焊丝，直径为1.2mm，包括金属外***和本实施例的药芯焊丝药粉；药芯焊丝药粉占用于电弧增材的药芯焊丝的质量的21％；金属外***为低碳钢。
本实施例的用于电弧增材的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
将低碳钢钢带进行轧制，使其横截面成为U型，然后在U型结构中加入本实施例的药芯焊丝药粉，再将U型口焊合，使药芯焊丝药粉包裹在U型结构中，然后拉拔减径，再绕盘、包装、入库，即得。
实施例2～3及对比例
实施例2～3及对比例的用于电弧增材的药芯焊丝药粉均由主药粉和稳弧剂组成；主药粉的组成及配比见表1，稳弧剂占药芯焊丝药粉的质量百分比见表2。
表1实施例2～3及对比例的用于电弧增材的药芯焊丝药粉中主药粉的组成及配比(质量百分比％)
Figure BDA0001721235660000051
Figure BDA0001721235660000061
表2实施例2～3及对比例的药芯焊丝药粉中稳弧剂占药芯焊丝药粉的质量百分比(％)
实施例2 实施例3 对比例
稳弧剂 0.3 0.2 0.2
按照实施例1中的用于电弧增材的药芯焊丝药粉的制备方法，依照表1中提供的主药粉的组成及配比制备出实施例2～3及对比例的药芯焊丝药粉。
按照实施例1中药芯焊丝的制备方法，将实施例2～3及对比例的用于电弧增材的药芯焊丝药粉制成药芯焊丝。实施例2～3及对比例的药芯焊丝中，药芯焊丝药粉占药芯焊丝的质量百分比分别为22％、23％、22％，药芯焊丝的直径均为1.2mm。
在药芯焊丝的其他实施例中，与实施例1的区别仅在于：药芯焊丝的直径为0.8mm或1.0mm。
实验例
分别将实施例1～3及对比例的药芯焊丝进行金属构件增材制造，电弧增材工艺参数为：电流160～200A，焊接电压10～14V，熔敷后得到的增材金属构件的化学成分见表3，增材金属构件的力学能性能见表4，拉伸性能测试按照GB/T228.1_2010，冲击性能测试按照GB/T229_2007。
表3增材金属构件中部分金属元素及百分含量(wt％)
实施例 C Si Mn Ni Mo Cr S P
实施例1 0.017 0.124 1.63 0.34 0.57 0.37 0.0028 0.007
实施例2 0.013 0.130 1.62 0.41 0.51 0.41 0.0026 0.010
实施例3 0.016 0.132 1.60 0.46 0.48 0.44 0.0028 0.009
对比例 0.018 0.276 2.1 0.43 0.46 0.42 0.0027 0.011
表4增材金属构件的力学性能
Figure BDA0001721235660000062
Figure BDA0001721235660000071
由表4可以看出，本发明的药芯焊丝工艺性能优良，可应用于电弧增材制造，增材金属构件各项性能优良。

Claims (9)

1.一种用于电弧增材的药芯焊丝药粉，其特征在于：包括主药粉；所述主药粉由以下质量百分比的组分组成：镍1.8～3.2％，锰6～9％，硅0.4～1.2％，铈0.1～0.4％，钼0.5～2.5％，铬0.4～0.9％，锆0.2～0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于电弧增材的药芯焊丝药粉，其特征在于：还包括稳弧剂；所述稳弧剂的质量为所述药芯焊丝药粉的质量的0.1～0.3％。
3.根据权利要求2所述的用于电弧增材的药芯焊丝药粉，其特征在于：所述稳弧剂为高锰酸钾、碳酸钾、碳酸钙中的至少一种。
4.一种用于电弧增材的药芯焊丝，包括金属外***和包裹在金属外***内的药芯焊丝药粉，其特征在于：所述药芯焊丝药粉包括主药粉；所述主药粉由以下质量百分比的组分组成：镍1.8～3.2％，锰6～9％，硅0.4～1.2％，铈0.1～0.4％，钼0.5～2.5％，铬0.4～0.9％，锆0.2～0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的用于电弧增材的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝药粉还包括稳弧剂；所述稳弧剂的质量为所述药芯焊丝药粉的质量的0.1～0.3％。
6.根据权利要求5所述的用于电弧增材的药芯焊丝，其特征在于：所述稳弧剂为高锰酸钾、碳酸钾、碳酸钙中的至少一种。
7.根据权利要求4～6中任意一项所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝药粉占所述药芯焊丝质量的21～23％。
8.根据权利要求4～6中任意一项所述的药芯焊丝，其特征在于：所述金属外***为低碳钢。
9.一种采用如权利要求4所述的药芯焊丝制得的增材金属构件。
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