CN111992923A - 一种金属型药芯焊丝及制备奥氏体不锈钢结构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属型药芯焊丝，并采用该金属型药芯焊丝为原材料，基于电弧增材制造技术制备奥氏体不锈钢结构件，且成形薄壁结构件具有优良的力学性能。金属型药芯焊丝药芯合金成分按质量百分比由以下组分组成：硅铁8％；锰粉18％～22％；镍粉27％；铬粉26％；钼粉4％～8％；铜粉1％～3％；钛粉0.5％；铝粉0.2％；氧化镧0.5％；碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；本发明增材制造得到的奥氏体不锈钢薄壁结构件成形美观，具有优良的力学性能。其增材制造用奥氏体不锈钢金属型药芯焊丝可以用于国防、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。
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，还涉及以上述金属型药芯焊丝为原材料制备奥氏体不锈钢结构件的方法。
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。奥氏体不锈钢凭借其良好的综合性能，在我国国防、能源、石油、化工、宇航和生物工程等领域获得了广泛的应用。
目前我国的奥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。
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薄壁构件有较大的优势。
发明内容
本发明第一个目的是提供一种金属型药芯焊丝，可以用于制备奥氏体不锈钢结构件，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。
本发明第二个目的是提供基于金属型药芯焊丝为原料制备奥氏体不锈钢结构件的方法，其制备的薄壁结构件具有优良的拉伸性能。
本发明所采用的第一种技术方案为：一种金属型药芯焊丝，金属型药芯焊丝成分按照质量百分比由以下成分组成：硅铁8％、锰粉18％-22％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉4％-8％、铜粉1％-3％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二种技术方案为：一种奥氏体不锈钢结构件的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按照质量百分比分别称取硅铁8％，锰粉18％～22％，镍粉27％，铬粉26％，钼粉4％～8％，铜粉1％～3％，钛粉0.5％，铝粉0.2％，氧化镧0.5％，碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的合金粉在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤3、将步骤2得到的组分保温后随炉冷却至室温，将药芯粉末填入低碳钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成Φ2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成Φ1.18mm的金属型药芯焊丝；
步骤4、将制备好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焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件。
本发明采用第二种技术方案的特点还在于，
步骤2中惰性气氛为氩气。
步骤2中加热温度为200～300℃，保温时间为2～3h。
MAG焊的工艺参数为：焊接速度0.21m/min～0.25m/min；每层焊枪提升4mm～6mm，保护气体为80％Ar+20％CO2。
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。
2.本发明提供了一种以MAG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奥氏体不锈钢薄壁结构件的方法；本发明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，减少奥氏体不锈钢薄壁结构件氧元素的含量；本发明使用全自动焊接机器人增材制造奥氏体不锈钢，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，提高薄壁结构件的抗疲劳能力，本发明基于MAG焊，使用金属型药芯焊丝增材制造的奥氏体不锈钢薄壁结构件具有优良的力学性能(抗拉强度大于550Mpa)。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的奥氏体不锈钢结构件应力应变曲线；
图2为本发明实施例2制备的奥氏体不锈钢结构件应力应变曲线；
图3为本发明实施例3制备的奥氏体不锈钢结构件应力应变曲线；
图4为本发明实施例4制备的奥氏体不锈钢结构件应力应变曲线；
图5为本发明实施例5制备的奥氏体不锈钢结构件应力应变曲线。
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。
一种金属型药芯焊丝，按质量百分比由以下成分组成：硅铁8％，锰粉18％～22％，镍粉27％，铬粉26％，钼粉4％～8％，铜粉1％～3％，钛粉0.5％，铝粉0.2％，氧化镧0.5％，碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。
该焊丝中各组分的作用和功能如下：
Si、Mn在铁素体和奥氏体中有较好的固溶强化作用，其次，Si-Mn一般用于联合脱氧，减少因堆焊层增氧引起的堆焊层金属脆化。Mn作为奥氏体稳定化元体素，具有稳定奥氏组织作用，并且Mn能改善奥氏体不锈钢结构件的热塑性；
Ni是奥氏体不锈钢主要的元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，从而使钢具有良好的强度及塑韧性，并具有优良的冷、热加工性、冷成形性以及无磁等性能；
Cr是奥氏体不锈钢中主要的合金元素，在奥氏体不锈钢中，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；
Mo作为奥氏体不锈钢中的重要合金元素，主要作用是提高钢在还原性介质的耐蚀性，并提高钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀等性能；
Cu作为奥氏体不锈钢中的重要合金元素，主要作用是提高奥氏体不锈钢的冷加工成形性能，与Mo配合，进一步提高奥氏体不锈钢在还原性介质中的耐蚀性；
Ti在奥氏体不锈钢中，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，从而提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的能力；
Al在奥氏体不锈钢中与Fe、Ni发生反应可形成一些性能优良且有序的金属间化合物，从而提高奥氏体的抗蠕变能力；
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，提高了奥氏体不锈钢薄壁结构件的强度。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，提高了奥氏体不锈钢薄壁结构件的强度，减弱了电弧增材制造技术制备的奥氏体薄壁件的各向异性。
NbC具有面心立方结构，一般呈颗粒状均匀分布在奥氏体晶内，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，从而提高奥氏体不锈钢薄壁结构件的强度。
本发明基于金属型药芯焊丝为原料制备奥氏体不锈钢薄壁结构件的方法，具体按照以下方法制备：
步骤1、按照质量百分比分别称取硅铁8％，锰粉18％～22％，镍粉27％，铬粉26％，钼粉4％～8％，铜粉1％～3％，钛粉0.5％，铝粉0.2％，氧化镧0.5％，碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。
步骤2、将步骤1得到的组分混匀后置于管式炉中，持续通入氩气，并在200℃～300℃下，保温2h～3h。
步骤3、将步骤2得到的组分保温后随炉冷却至室温，将药芯粉末填入低碳钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成Φ2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成Φ1.18mm的金属型药芯焊丝。
步骤4、将制备好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焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件，其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.21～0.25m/min；每层焊枪提升4～6mm；保护气体为80％Ar+20％CO2。
增材制造完成后，用锤头轻击焊接区域，减小奥氏体不锈钢薄壁结构件在增材过程后所产生的残余应力，提高结构件的抗疲劳能力。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8％、锰粉18％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉5％、铜粉2.5％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％、其余为铁粉，以上组分含量的百分比之和为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的低碳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低碳钢钢带轧制成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15wt％，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1.18mm，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，得到增材制造用奥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奥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MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件；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6mm；保护气体为80％Ar+20％CO2，本发明结构件的应力应变测试曲线结果如图1所示，奥氏体不锈钢结构件的抗拉强度为575.3Mpa。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8％、锰粉19％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉7％、铜粉2％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分含量的百分比之和为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的低碳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低碳钢钢带轧制成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15wt％，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1.18mm，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，得到增材制造用奥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奥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MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件；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5.5mm；保护气体为80％Ar+20％CO2，本发明结构件的应力应变测试曲线结果如图2所示，奥氏体不锈钢薄壁结构件的抗拉强度为603Mpa。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8％、锰粉20％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉4％、铜粉1.5％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％、其余为铁粉，以上组分含量的百分比之和为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的低碳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低碳钢钢带轧制成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15wt％，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1.18mm，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，得到增材制造用奥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奥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MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.23m/min；每层焊枪提升5mm；保护气体为80％Ar+20％CO2，本发明结构件的应力应变测试曲线结果如图3所示，奥氏体不锈钢薄壁结构件的抗拉强度为619.4Mpa。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8％、锰粉21％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉6％、铜粉1％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％、其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为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，在280℃下，保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳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低碳钢钢带轧制成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15wt％，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1.18mm，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，得到增材制造用奥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奥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MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.24m/min；每层焊枪提升4.5mm；保护气体为80％Ar+20％CO2，本发明结构件的应力应变测试曲线结果如图4所示，奥氏体不锈钢结构件的抗拉强度为615.5Mpa。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8％、锰粉22％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉8％、铜粉3％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％、其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为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，在300℃下，保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳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低碳钢钢带轧制成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15wt％，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1.18mm，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，得到增材制造用奥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奥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MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.25m/min；每层焊枪提升4mm；保护气体为80％Ar+20％CO2，本发明结构件的应力应变测试曲线结果如图5所示，奥氏体不锈钢薄壁结构件的抗拉强度为586.5Mpa。
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。
本发明采用MAG焊提供制备奥氏体不锈钢结构件的热源，与CO2气体保护焊相比，MAG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，MAG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。
基于MAG焊，本发明使用金属型药芯焊丝为原料制备奥氏体不锈钢，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。
目前我国奥氏体不锈钢电弧增材制造原料大多采用奥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奥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，提高了奥氏体不锈钢薄壁结构件的强度。NbC具有面心立方结构，一般呈颗粒状均匀分布在奥氏体晶内，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，从而提高奥氏体不锈钢薄壁结构件的强度。
本发明专利实例所制备的奥氏体薄壁结构件的抗拉强度为575.3Mpa～619.4Mpa，均大于目前现有基于MAG焊电弧增材制造技术所制备的奥氏体薄壁结构件。
Claims (5)
1.一种金属型药芯焊丝，其特征在于，所述金属型药芯焊丝成分按照质量百分比由以下成分组成：硅铁8％、锰粉18％～22％、镍粉27％、铬粉26％、钼粉4％～8％、铜粉1％～3％、钛粉0.5％、铝粉0.2％、氧化镧0.5％、碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
2.一种权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按照质量百分比分别称取硅铁8％，锰粉18％～22％，镍粉27％，铬粉26％，钼粉4％～8％，铜粉1％～3％，钛粉0.5％，铝粉0.2％，氧化镧0.5％，碳化铌1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的合金粉在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤3、将步骤2得到的组分保温后随炉冷却至室温，将药芯粉末填入低碳钢钢带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□1.18mm的金属型药芯焊丝；
步骤4、将制备好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焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的奥氏体不锈钢结构件。
3.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢结构件的制备方法，其特征在于，所述步骤2中惰性气氛为氩气。
4.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢结构件的制备方法，其特征在于，所述步骤2中加热温度为200～300℃，保温时间为2～3h。
5.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢结构件的制备方法，其特征在于，所述MAG焊的工艺参数为焊接速度为0.21m/min～0.25m/min；每层焊枪提升4mm～6mm；保护气体为80％Ar+20％CO2。
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