双丝堆焊成形工艺研究_王霄腾.pdf
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1、2023年 第4期 热加工105增 材 制 造Additive Manufacturing双丝堆焊成形工艺研究王霄腾1,吴宏2,蒲英钊11.中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 4100002.中南大学 湖南长沙 410000摘要:堆焊增材制造技术作为零件制造与修复的一种经济而快速的工艺方法,广泛应用于航空航天、医疗器械及工程机械等行业。实际应用中,采用双丝焊接工艺,通过调整焊接参数,在保证堆焊成形尺寸的同时,确保成形质量,提升熔覆效率。通过组织及力学性能检测,得到的双丝堆焊试样微观组织均匀致密,与母材结合良好,硬度、磨损量和摩擦因数满足生产需求。研究结果对双丝堆焊工艺的推广和应用具有参考价
2、值。关键词:堆焊增材制造;双丝焊;组织性能1 序言堆焊工艺成形效率高、设备成本低1,广泛应用于零件的制造修复、材料表面改性,以及金属构件的中小批量柔性化制造2。在地下工程装备实际使用中,设备受力复杂,工作环境恶劣。例如,盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机,盾构机在地下使用过程中,刀盘及附属零部件如刀座保护块、切刀座、边缘刮刀座等不可避免地出现磨损,堆焊工艺既应用在刀盘磨损零部件的再制造修复中,也应用于零件的耐磨层和耐磨网的增材制备,以便增加零件的耐磨性。在实际生产中,为了提高生产效率,往往希望采用较大的焊接电流,但由于堆焊质量的限制,当电流过大时,稀释率会增大,易造成堆焊层合金成分偏析和堆焊过
3、程中液态金属流失等缺陷;反之,当堆焊应用中焊接电流较小时,会导致生产效率较低。双丝焊作为一种高效率的焊接方法越来越被人们关注。双丝焊可实现高熔敷率焊接,同时利用双丝焊的温度场及热循环,改善焊缝成分和结晶状况,提升堆焊层组织和性能3。因此,探索双丝焊在堆焊中的应用,兼顾堆焊成形和质量,提升实际的生产效率,对堆焊的实际技术应用有重要的意义。2 堆焊增材制造系统试验中采用的焊接电源为CLOOS的QINEO PULSE 600。采用QINEO焊机进行小电流脉冲焊的增加,因此导致其检测时长也比普通相控阵成像延迟更明显,技术壁垒和价格导致相控阵全聚焦技术发展受限,但其优越的聚焦成像效果是未来相控阵发展的必
4、然趋势。参考文献:1 钟志民,梅德松超声相控阵技术的发展及应用J无损检测,2002,24(2):69-71.2 王永兵,侯静,李志国超声相控阵检测技术研究进展J中国化工装备,2012,14(6):15-18.3 周正干,李洋,周文彬相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展J机械工程学报,2016,52(6):1-11.4 美国无损检测学会美国无损检测手册(超声卷)M美国无损检测手册译审委员会,译.上海:世界图书出版公司,1992:430-431.5 靳世久,杨晓霞,陈世利,等超声相控阵检测技术的发展及应用J电子测量与仪器学报,2014,28(9):925-934.202301162023年 第
5、4期 热加工106增 材 制 造Additive Manufacturing接时飞溅小、成形美观,在此基础上开发的双丝焊工艺,兼顾焊缝质量的同时,可以大幅度提升焊接熔覆效率。双丝焊接设备采用双丝共枪结构,前后两丝在同一个熔池中不断熔化,前丝为后丝提供预热,后丝为前丝进行再热,使堆焊层组织和性能得到改善3,同时由于两条焊丝彼此绝缘,因此可进行十分灵活多样的搭配。这样不仅可以独立调节两条焊丝的参数,还能根据具体的应用需求选用两种不同直径、不同材料的焊丝,从而覆盖了十分广泛的应用范围。共熔池双丝焊工作原理如图1所示4。要化学成分见表2,焊丝直径为1.2mm;保护气为80%Ar20%CO2。表1母材化
6、学成分(质量分数)(%)CSiMnS p0.220.350.140.0450.045 表2焊丝化学成分(质量分数)(%)CSiMnCrMo0.572.560.548.960.01传统的单丝堆焊焊接参数见表3。表3堆焊焊接参数焊接电流/A电弧电压/V焊接速速/(cm/min)干伸长/mm气体流量/(L/min)摆焊参数164 19.8181518无焊接效果如图3所示,焊道宽度为10.64mm,焊道高度为3.43mm,熔深1.13mm。图1共熔池双丝焊工作原理a)机器人设备 b)焊机图2堆焊系统及硬件图3单丝堆焊效果作为对比试验的单丝焊,通过双丝焊接系统进行单双丝的自由切换获得,其他焊接方式、保护
7、气等条件保持不变。试验中采用CLOOS的QINEO PULSE 600焊机为焊接电源,用以熔化堆焊焊丝;采用CLOOS机器人搭载双丝焊焊枪,保证焊接时焊枪移动的精度,控制焊接速度,其中部分堆焊系统及硬件如图2所示。3 试验方法与工艺试验采用的母材为Q235钢,主要化学成分见表1,厚度为12mm;采用UTP AF ROBOTIC 600耐磨焊丝,型号为DIN 8555:MSG 6-GF-60-GP,主对于双丝堆焊试验,焊接方式、保护气等条件与单丝堆焊保持一致,试验中干伸长为20mm,采用正交试验方法,通过调整前丝电流、后丝电流和焊接速度,进行三因素四水平正交试验。通过焊道成形观察与测量,统计焊道
8、宽度和焊道高度数据,部分焊接参数和焊道尺寸见表4。通过统计双丝焊的焊接电流、焊道宽度和焊道高度数据,可知当焊接电流和焊接速度发生变化时,考虑焊道前后成形尺寸波动和测量误差,焊道高度变化不明显,焊道宽度变化较为明显。当焊接速度保持不变,分别为35cm/min、40cm/min和45cm/min时,分别对焊道宽度与前丝、后丝电流的关系进行曲面方程拟合,建立曲面方程模型函数为ya0a1x1a2x2a3 x1x2a4 x12a5 x22 (1)式中 y焊道宽度(mm);x1前丝电流(A);x2后丝电流(A);a0,a1,a2,a3,a4,a5系数。当焊接速度分别为35cm/min、40cm/min和4
9、5cm/min时,方程中的系数a3、a4和a5近似于0,当2023年 第4期 热加工107增 材 制 造Additive Manufacturing由式(2)可知,焊道宽度与前丝电流和后丝电流正相关,近似呈线性关系,同时后丝电流对焊道宽度的影响更大。在实际焊接过程中,前丝对后丝有预热作用,后丝对熔池作用明显,熔池受后丝电弧力的作用和持续热量的影响,会增加熔池中金属液流淌的趋势,最终导致焊道宽度增加。当双丝堆焊的焊接电流分别为140A和120A、焊接速度为30cm/min时,焊道宽度为10.73mm、高度为3.23mm、熔深为0.82mm,焊道成形良好,堆焊效果如图5所示。此时双丝焊堆焊尺寸与单
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