[发明专利]一种大幅提高构件低温韧性的埋弧增材制造方法

说明书

本发明公开了一种大幅提高钢材冲击韧性的埋弧增材制造方法，包括：采用埋弧热源作为增材热量的来源，整个构件和加热电弧都需要埋藏在焊剂之中，保证层间温度不低于200℃。本发明采用埋弧热源对钢材进行增材制造，其独特的多重焊接热循环诱导的内生性热处理作用使整个构件的组织得到了显著细化，各向异性问题彻底消除，特别是还获得了优异的低温冲击韧性。在大壁厚复杂钢制构件的快速制造中有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种能够大幅提高钢制构件低温冲击韧性的埋弧增材制造方法。

背景技术

目前常见的增材制造方法根据热源种类的不同可以分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造三大类。其中激光增材制造整个过程需要在惰性气体保护仓内完成，熔覆效率低、制造成本高以及致密度不足等缺陷；虽然电子束熔丝增材制造可大幅提高熔覆效率，但需要在真空室因而也限制了大型构件的加工；常规的电弧熔丝增材制造技术虽然在熔覆效率上比激光增材工艺提升了大约一个数量级，最高可达到1.0kg/h的熔覆效率，但是继续提升熔覆速度，由于液态熔池流淌问题而受到了限制，而且侧壁成形质量也随着热输入的增加而急剧恶化。另外，目前的电弧增材工艺，由于熔池固有的外延生长模式导致了比较严重的各向异性和晶粒粗大等问题，严重削弱了增材构件的整体性能。

为此，需要提供一种能够克服上述传统增材制造存在的构件尺寸受限、熔敷效率低、组织性能各向异性等问题，不受加工零件尺寸限制，熔敷效率高的增材制造方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有增材制造技术存在的构件尺寸受限、熔敷效率低、组织性能各向异性等问题，本发明提供了一种利用埋弧热源进行增材制造方法，即埋弧增材制造，该方法不仅大幅提升了增材制造的生产效率，而且用于钢质构件的增材制造时，由于独特的内生性热处理效应，可以获得组织均匀细小而且低温冲击韧性特别优异的产品。

一种大幅提高钢材冲击韧性的埋弧增材制造方法，包括：

将基板固定于水平的工作台上，控制系统生成电弧增材的加工程序，工作参数和路线坐标；

在起弧前预设时间内开启焊剂输送装置，使焊剂预先流入埋弧焊枪，采用埋弧热源作为熔化材料的热量来源用，开始起弧，所述埋弧焊枪同轴输送熔化材料和焊剂至基板形成一沉积层；其中，所述埋弧焊枪按照所述加工程序，工作参数和路线坐标运动进行增材制造；

当前层沉积结束后，熄弧，并停止送丝/带，清理凝固后的焊渣后，更新起点坐标，按照往返路径开始下一层的起弧，送丝/带，沉积过程，直至完成增材制造。

加热热源与现有的电弧增材工艺普遍采用气体保护的明弧作为增材热源的技术方案不同，为了保证增材效率和侧壁成形质量，采用埋弧热源作为增材制造中熔化材料的热量来源；

选用低碳钢和抗拉强度在980MPa级以下的低合金钢作为填充材料，整个增材制造过程中构件、基板和加热电弧都需要埋藏在与填充材料匹配的焊剂之中；

增材制造过程中，在开始熔融新的一层金属时，要保证形成的增材主体的层间温度，即已沉积的金属温度，不低于200℃，当低于该温度时需要再次加热至该温度；

根据增材制造形成的增材主体的工艺的要求，在增材过程之前对基板进行预热至200℃以上；

根据增材制造形成的增材主体的工艺要求，单层熔覆金属的厚度不超过4.0mm；

当对增材构件壁厚小于50mm的构件进行埋弧增材时，选用的原材料为直径为2-6mm的埋弧焊丝，工作电流范围为400A～700A，机头运动速度为0.3-1.0m/min。

当增材构件壁厚大于等于50mm时，选用的原材料为宽度40mm以上的带极埋弧焊材，电流范围为700A～1250A，机头运动速度为10～25cm/min。