CN114515886A

CN114515886A - 大尺寸异形不锈钢管道及其高效增材制造装置和方法

Info

Publication number: CN114515886A
Application number: CN202210126952.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Beijing Yuding Zengcai Manufacture Research Institute Co ltd
Current assignee: Beijing Yuding Zengcai Manufacture Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2022-05-20

Abstract

本发明公开了一种大尺寸异形不锈钢管道及其高效增材制造装置和方法，创新性的提出了采取TIG+MIG双枪电弧增材工艺，选用表面缠裹一层不锈钢薄板的中碳钢管基体作为模芯，制备出长度不同的多段路直弯管，并在直管连接处预制坡口，坡口处进行激光深熔焊连接，从而得到性能优异的大尺寸异形不锈钢管道。

Description

大尺寸异形不锈钢管道及其高效增材制造装置和方法

技术领域

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种大尺寸异形不锈钢管道及其增材制造装备和方法。

背景技术

钢管是指具有空心截面，其长度远大于直径或周长的钢材。按生产工艺分为无缝钢管和焊接钢管。无缝钢管可用于各种行业的液体气压管道和气体管道等。焊接管道可用于输水管道、煤气管道、暖气管道、电器管道等。而大尺寸异形不锈钢管道（此处“异形”并不是钢管的截面形状，而是指空间三维结构复杂），如图1a和图1b所示，属于大型金属零部件，传统的制造方法主要有锻造、铸造、机械加工等，或使用锻造、铸造工艺将零件分段成形，再辅以焊接工艺或者机械连接成整个零件。但是，大型金属零部件在铸造过程中易产生疏松、缩孔、夹杂等缺陷；同时锻造大型零件时存在锻压机吨位不足、模具加工费用过高等，再加上制造工序繁琐、加工周期过长等问题，长期困扰着相关装备的制造，已成为限制大型金属管件制备行业进一步发展的瓶颈。特别是对于不锈钢这样的合金成分含量高的材料，在制备厚壁管件过程中，传统成型工艺很容易造成组织不均匀等缺陷，而焊接工艺与成型工艺的巨大差别又会严重导致焊缝处组织性能的缺陷。

电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacture, WAAM）以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW 等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、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，材料利用率更高，成型效率高，设备成本低，对成型件的尺寸基本无限制，特别适用于大尺寸金属复杂构件的低成本、高效快速近净成形。电弧稳定、无飞溅的非熔化极气体保护焊（TIG）和基于熔化极惰性/活性气体保护焊（MIG/MAG）为目前主要使用的热源提供方式。

发明内容

本发明的目的，即在于采用一种TIG+MIG复合焊的电弧增材制造技术制造大尺寸异形不锈钢管道。

本发明提供一种大尺寸异形不锈钢管道的高效增材制造装置，其特征在于：所述增材制造装置包括，加工台，机械台，由中碳钢管基体和缠裹在中碳钢管基体表面的不锈钢薄板组成的模芯，TIG焊枪，MIG焊枪，激光加工头；其中，

所述加工台包括转位盘和顶盘，所述转位盘和顶盘对所述中碳钢管基体的两端进行夹持；所述中碳钢管基体的两端具有密闭端面，两个所述密闭端面上分别设置有用于冷却介质进出的通油孔；

所述机械台包括导轨，所述导轨上设置有机械臂，所述TIG焊枪、MIG焊枪和激光加工头可拆卸地安装于所述机械臂上；

所述MIG焊枪的枪口处设置有电弧约束器，所述电弧约束器包括自枪口处向外延伸的由环形内壁、环形外壁和环形空腔所形成的约束喷嘴以及缠绕在所述约束喷嘴的环形外壁的导线；所述环形外壁上设置有用于将冷却介质导入导出环形空腔的进水口和出水口。

进一步优选的，所述中碳钢管基体的内径为100-1000mm，壁厚为0.25~20mm；所述不锈钢薄板的厚度为0.25~10mm；所述不锈钢薄板自所述中碳钢管基体的两个端面各自延伸10~20mm。

本发明同时提供一种采用上述的增材制造装置实施大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据所述大尺寸异形不锈钢管道设计出电弧增材制造的至少两端为直管的多段设计管，所述多段设计管在各自直管的端口处相互拼接以形成所述大尺寸异形不锈钢管道；

2）选取所述多段设计管中的一个作为目标管开始进行TIG+MIG复合焊电弧增材制造，具体是，先选取外表面形状与该设计管内壁形状一致的模芯，并将所述模芯的中碳钢管基体夹持于所述转位盘和顶盘之间；利用机械臂将TIG焊枪和MIG焊枪调整至与中碳钢管基体上表面垂直后，起弧沿所述中碳钢管基体的轴线方向扫描；待所述中碳钢管基体表面沉积层高度达到该设计管壁厚、增材宽度为10~100mm、增材长度为10~100mm时，停止起弧，保持焊枪不动转动转位盘5~10°；然后重新起弧重复前述TIG+MIG复合焊电弧增材制造，直至转位盘转过一周后以形成了一圈不锈钢管；随后，沿所述中碳钢管基体的轴线方向移动双枪，重复前述TIG+MIG复合焊电弧增材制造，直至形成完整的所述目标管；

3）选取所述多段设计管中的下一个，重复步骤2）以形成完整的另一个目标管；如此，直至完成所有目标管的TIG+MIG复合焊电弧增材制造；

4）在所有所述目标管的两端直管连接处预制V形坡口，将彼此需要拼接的直管连接处放置好后，利用机械臂将激光加工头调整至与直管上表面垂直，将激光加工头移动至坡口处进行增材制造，并根据需要转动坡口两侧的目标管直至坡口处形成多层相互融合的完整焊缝以完成激光深熔焊；当所有所述目标管都被彼此焊接后，完成所述大尺寸异形不锈钢管道的增材制造。

进一步优选的，步骤2）中，在成形所述目标管的两端直管连接处时，沉积壁厚比该设计管壁厚厚10~100mm，以便于后续坡口加工。

进一步优选的，步骤2）中，将所述模芯的中碳钢管基体夹持于所述转位盘和顶盘之间后，通过通油孔向中碳钢管基体内通入冷却介质；同时，也向约束喷嘴的环形空腔内导入冷却介质。

进一步优选的，步骤2）中，TIG焊枪距离熔池表面的高度h₁为5~10mm，MIG焊枪距离熔池表面的高度h₂为6~15mm，MIG焊枪与竖直方向的夹角θ为30-70°，TIG的钨极与MIG的焊丝之间的距离L为10~50mm。

进一步优选的，步骤2）中，TIG输入电流200~500A，MIG输入电流为300~600A，送丝速率为3~20m/min。

进一步优选的，步骤4）中，激光功率为1500～3500W，激光束焦斑直径1~10mm，扫描速度7～8mm/s，送粉速度70～80g/min，激光束和粉末同步在V形坡口间隙中扫描前进。

进一步优选的，采用多个所述增材制造装置同时实施步骤2）以同时TIG+MIG复合焊电弧增材制造多个所述目标管。

本发明还提供一种大尺寸异形不锈钢管道，其采用上述的增材制造方法制备得到。

与现有技术相比，本发明优点在于：

第一，由于异形不锈钢管尺寸较大，不可能整体增材制造，所以采取分段路多路同时沉积（可1~5段路同时沉积增材）制造，然后在直管处连接以形成完整的大尺寸异性不锈钢管。

第二，TIG焊接效率低，氩气没有脱氧或去氢作用，焊接时钨极也会有少量的融化蒸发，而钨微粒如果进入熔池会造成夹钨（去锈，去水等准备工作要求电流过大时尤为明显）。另外，由于生产效率较低和惰性气体的价格较高，生产成本比焊条电弧焊，埋弧焊和CO2气体保护焊都要高。而MIG 焊采用纯 Ar 气保护焊接不锈钢时，电弧的阴极斑点常因寻找氧化膜四处漂移；且熔滴和熔池液态金属的粘度大，二者的共同作用导致焊缝易出现蛇形焊道、咬边和气孔等缺陷。因此，本发明将采用TIG+MIG复合焊来增材制造异形钢管，TIG-MIG 复合焊接技术利用前置的 TIG 电弧的持续存在，不仅对焊丝和工件有预热作用，而且能在纯 Ar 气保护下保证 MIG 电弧的阴极斑点稳定，使得焊缝成形美观、熔深增加、接头质量与 TIG 焊相当，也就是说TIG电弧起到形成熔池的作用，而MIG电弧则把融化的焊丝送入熔池当中，从而形成沉积层材料，这样，TIG-MIG 复合焊兼具TIG 焊高质量和 MIG 焊高效率的特点。

第三，选用表面缠裹一层不锈钢薄板的中碳钢管基体作为模芯，中碳钢管成本低廉，但不锈钢是以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5%，碳含量最大不超过1.2%的钢，一般来讲其碳含量会很低，一般低于0.25%，以避免与铬形成碳化物而失去不锈钢的抗腐蚀作用，如果直接在中碳钢上进行电弧增材，在电弧高温作用下，中碳钢中的碳会扩散进去沉积层，从而降低不锈钢的抗腐蚀作用，而缠裹一层不锈钢薄板可以降低碳的稀释率，有效解决了这个问题。

第四，多段分体管连接处要求精度更高，操作难度大，双枪电弧不足以满足要求，在直管连接处预制坡口，使用激光深熔焊的方式进行连接，很好解决了上述问题。

附图说明

图1a和图1b为大型异型管的结构示意图。

图2为TIG+MIG电弧复合增材的加工示意图。

图3为在模芯外表面增材制得不锈钢管的截面图。

图4为MIG焊枪结构的示意图。

图5为电弧增材制造装置的整体立体示意图。

图6为在模芯外表面形成了一圈不锈钢管的示意图。

图7为坡口示意图。

图8为沉积态丝材电弧增材316L不锈钢组织形貌。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。

具体的，本发明的大型异形不锈钢管道，结合图2-图7，通过如下的增材制造装置和增材制造方法制备得到：

本发明采用电弧增材制造的方式进行分段制造，采用TIG+MIG电弧复合增材的方式进行增材制造。如图2、图5所示，增材制造装置包括，加工台，机械台，由中碳钢管基体6和缠裹在中碳钢管基体6表面的不锈钢薄板5组成的模芯（模芯截面图如图3所示），TIG焊枪1，MIG焊枪4，激光加工头；其中，

加工台包括转位盘17和顶盘18，转位盘17和顶盘18对中碳钢管基体6的两端进行夹持；在TIG+MIG双枪电弧增材时，会产生大量的热量，为防止中碳钢管基体6过热，将其两端设置密闭端面焊死，并在两个密闭端面的中轴位置两端各加工一个小孔，作为通油孔11（如图3所示，因为中碳钢管基体12接电，为避免发生事故，优选用有机油作为冷却液，当然也可选用纯水或其他适宜的冷却介质）；

机械台包括导轨19，导轨上设置有机械臂20， TIG焊枪1、MIG焊枪4和激光加工头可拆卸地安装于机械臂20上；

由于MIG焊丝16在高能电弧束作用下，会发生微弱振动，电弧也不会在预定焊枪角度的直线方向上，而是更亲近基体表面，这就可能导致熔化的焊丝液滴8（参见图2）不能稳定送入熔池9中，所以本发明在MIG焊枪枪口处增加一个电弧约束器3，如图2和4所示，电弧约束器3包括自枪口处向外延伸的由环形内壁、环形外壁和环形空腔所形成的约束喷嘴12以及缠绕在约束喷嘴12的环形外壁的导线13；环形外壁上设置有用于将冷却介质导入导出环形空腔的进水口14和出水口15（焊枪口由于电弧工作时温度极高，所以感应线圈需要冷却）。通过电弧约束器3来产生磁场，约束MIG电弧，其材料可选用铜、WC、氧化钇、ZrB2、TiB2、TiC、SiC、Ta4HfC5等，用来增加一个磁场稳定电弧的方向，以确保熔化的焊丝液滴8稳定的进入熔池9中。

根据大尺寸异形不锈钢管道进行设计，得出至少两端为直管的多段设计管，多段设计管在各自直管的端口处相互拼接以形成为大尺寸异形不锈钢管道。

设计后，具体的加工步骤如下：

1)选取外径1000mm的中碳钢管基体6（其与异型管分段后的相应的设计管的形状保持一致）和厚度5mm的不锈钢薄板5，增材前使用钢毛刷擦拭中碳钢管基体6表面，去除表面的氧化膜，用丙酮对中碳钢管基体6表面和不锈钢薄板5表面擦洗除去油污灰尘，然后利用双金属焊，将不锈钢薄板5满焊在中碳钢管基体6表面，之后将其放置在转位盘17上，调整至水平，并从通油孔11通入冷却油，直至灌满整个中碳钢管基体6内部，在通油孔11后的冷却油运输管道上，设置有冷凝器，达到快速冷却的目的，可使冷却油循环利用。

2)工作前检查设备、工具是否良好，并检查焊接电源，控制***是否有接地线，传动部分加润滑油。转动要正常，氩气、水源必须畅通。检查焊枪是否正常，地线是否可靠。检查导线、电缆接头是否可靠, 检查调整机构、送丝机构是否完好，并将中碳钢管基体6两端接入电源焊枪电路。

3)待检查完毕后，接通电源，利用机械臂20将TIG焊枪1和MIG焊枪4调整至与中碳钢管基体6上表面垂直，如图4所示，调整TIG焊枪1距离熔池9表面的高度h₁ 至8mm(过高则不容易形成熔池，过低则容易烧穿不锈钢薄板，起不到稀释碳含量的目的)，MIG焊枪4距离熔池表面的高度h₂ 至10mm（过高则会导致熔化的焊丝不能稳定送入熔池而飞溅，过低则会使耦合电弧7范围加宽，熔池变大变深，从而形成凹陷），TIG焊枪的钨极2与MIG焊枪的焊丝16之间的距离L为15mm（过近因TIG和MIG电极相反会产生大的排斥力，此外TIG电弧会烧损MIG上的磁场线圈，过远会导致熔化的焊丝不能稳定送入熔池），MIG焊枪4与竖直方向的夹角θ为30°（θ与L的影响类似）。

4)惰性气体（Ar）通过焊炬送入(在电弧四周和焊接熔池上形成屏蔽)，工作时还需从焊缝下吹入保护焊缝背面用的Ar气。调整TIG输入电流400A（电流过低，会使熔池过小，产生大的驼峰，电流过高，熔池过大，会使表面凹陷），MIG输入电流为500A（电流过低会使焊丝熔化速率过慢，降低熔池内的填料量，而电流过大则会使熔化的焊丝飞溅），送丝速率为18m/min（过快会使熔池快速填满并溢出形成驼峰，过慢则会使熔池来不及被填满形成凹陷）。

5)起弧，沿中碳钢管基体中轴方向扫描，基体管表面沉积层高度达到所需不锈钢管壁厚，增材宽度约为20mm（视中碳钢管基体外径尺寸而定），长度约为20mm（视中碳钢管基体外径尺寸而定）时，停止起弧，转动转位盘10°，焊枪不动，但要确保中碳钢管基体表面与焊枪垂直，重新起弧。待转过一周后，就形成了一圈不锈钢管10，如图3和6所示。然后沿中碳钢管基体轴线方向水平移动双枪，重复该步骤，直至形成完整的不锈钢管。需要注意的是，在直管连接处，所加工的不锈钢管壁厚要比所需壁厚厚80mm，便于后续的机械加工和激光深熔焊。

7)不同设计段管路，可根据其对应的中碳钢管基体长度尺寸，利用1~3对双枪电弧同时工作，加快效率。如果加工台、机械台设备充足，也可以多段路多对焊枪同时工作，大大提高了不锈钢管的生产效率。

8)待各段路加工好后，分别进行机械加工，直管连接处22预制坡口21，如图7所示（坡口角度优选为55~80°，本实施例为70°）。用丙酮对坡口擦洗除去油污灰尘，坡口表面不得有油污、铁锈等，在焊缝两侧200mm内要除油除锈。

9)将坡口两侧的分段管路放置在转位盘上，调整至水平，利用机械臂将激光头调整至与直管上表面垂直，并将激光头移动至坡口处，通入Ar气保护气，调整激光功率为3000W，光束焦斑直径6mm，扫描速度，8mm/s（不易过快），送粉速度75g/min，激光束和粉末同步在V形坡口间隙中扫描前进，通过激光束的热量熔化粉末和两侧连接件的基材形成多层相互融合的焊缝。在连接过程成变位器需要不时转动一定角度，保证激光头与直管上表面垂直，直至焊接完成。

利用无损检测技术检测加工好的大尺寸异形不锈钢管道，内部组织无缺陷。同时图8为上述实施例中所制备的316L不锈钢金相组织形貌，试样组织为铁素体（δ相）分布在奥氏体（γ相）基体上，可以看出组织没有明显的气孔、裂纹或层间非融合缺陷，熔合线可见，可以看到与外延生长的晶粒，熔合线处的组织更加细化。表1为其室温拉伸性能。

表1丝材电弧增材制造316L不锈钢沉积态室温拉伸性能

材料	UTS/MPa	YS/MPa	EL/%	RA/%
					电弧增材制造316L不锈钢（沉积态）	600±13	339±7	53±2	70±4
锻造316L（固溶态）	505~578	222~265	56~63	70~81
					316L工业标准	450	170	40	50

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种大尺寸异形不锈钢管道的高效增材制造装置，其特征在于：所述增材制造装置包括，加工台，机械台，由中碳钢管基体和缠裹在中碳钢管基体表面的不锈钢薄板组成的模芯，TIG焊枪，MIG焊枪，激光加工头；其中，

2.根据权利要求1所述的大尺寸异形不锈钢管道的高效增材制造装置，所述中碳钢管基体的内径为100-1000mm，壁厚为0.25~20mm；所述不锈钢薄板的厚度为0.25~10mm；所述不锈钢薄板自所述中碳钢管基体的两个端面各自延伸10~20mm。

3.一种采用权利要求1或2所述的大尺寸异形不锈钢管道的高效增材制造装置实施的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于，步骤2）中，在成形所述目标管的两端直管连接处时，沉积壁厚比该设计管壁厚厚10~100mm，以便于后续坡口加工。

5.根据权利要求3所述的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于，步骤2）中，将所述模芯的中碳钢管基体夹持于所述转位盘和顶盘之间后，通过通油孔向中碳钢管基体内通入冷却介质；同时，也向约束喷嘴的环形空腔内导入冷却介质。

6.根据权利要求3所述的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于，步骤2）中，TIG焊枪距离熔池表面的高度h₁为5~10mm，MIG焊枪距离熔池表面的高度h₂为6~15mm，MIG焊枪与竖直方向的夹角θ为30-70°，TIG的钨极与MIG的焊丝之间的距离L为10~50mm。

7.根据权利要求3所述的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于，步骤2）中，TIG输入电流200~500A，MIG输入电流为300~600A，送丝速率为3~20m/min。

8.根据权利要求3所述的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于，步骤4）中，激光功率为1500～3500W，激光束焦斑直径1~10mm，扫描速度7～8mm/s，送粉速度70～80g/min，激光束和粉末同步在V形坡口间隙中扫描前进。

9.根据权利要求3所述的大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法，其特征在于，采用多个所述增材制造装置同时实施步骤2）以同时TIG+MIG复合焊电弧增材制造多个所述目标管。

10.一种大尺寸异形不锈钢管道，其采用权利要求3-9所述的任一一项大尺寸异形不锈钢管道的增材制造方法制备得到。