一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属电弧增材制造领域，具体涉及一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法。该装置包括：焊枪，气粉传送机构，包括焊枪，送气送粉机构和铺粉辊；焊枪为双丝熔化极气体保护焊枪，所述送气送粉机构设置在焊枪的一侧，通过送气送粉机构将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域。本发明专利技术采用边增材边铺粉的方式，利用增材过程中熔池后方高温区使铺设粉末部分熔化，在增材下一层时上一层熔敷金属部分发生重熔，使得上层熔敷金属表面铺设的含氮粉末熔化进入熔池，有效降低了增材过程的热输入，以及直接采用含氮丝材电弧增材时氮溢出形成的飞溅等问题。等问题。等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法


[0001]本专利技术属电弧增材制造领域，具体涉及一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法。

技术介绍

[0002]高氮钢中的间隙元素氮与其他合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等)协调作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性能、耐腐蚀性能等。但是氮在大气压下氮溶解度非常低，加入很困难，由于加入量少，其有利影响不太明显。而高氮钢中的N含量一般超过0.4％，导致在制备高氮钢时不可避免的由于N的溢出形成气孔等缺陷。并且在焊接增材过程中N的溢出会导致熔滴爆炸，形成较大的飞溅，使得成型质量较差。
[0003]现有的增材高氮钢的技术中N的来源主要有保护气N2、含氮粉末、高氮钢焊丝等，主要是将含氮粉末或焊丝送入电弧中，利用电弧热使其加热熔化。这些方法虽然在一定程度上减小了热输入，控制了N的溢出和飞溅的产生，但是增氮的效果仍然差强人意。
[0004]中国专利(201210250419.3)公开了一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，其采用了双层氮气保护，由于氮气在钢中的溶解度较低，只能渗透材料的表面，达到表面强化的效果，所以其增氮效果较差，且不能送丝添粉，只能作为一种材料表面强化的手段。中国专利(CN201620012045.5)公开了一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其采用了丝-粉同轴添加，虽然采用送粉的方式增氮，电弧的能量一部分用于熔化金属粉末，在一定程度上降低了热输入，但是熔化的金属粉末随同熔滴一起进入熔池，将热量传递给母材，提高了电弧的热效率，熔池的温度较高，导致氮容易溢出，形成气孔和飞溅，影响成形件性能和成型质量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置及方法，可实现双丝电弧增材的同时添加合金粉末，以进一步解决增材高氮钢时效率低和气孔飞溅问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置，包括焊枪，送气送粉机构和铺粉辊；
[0007]所述焊枪为双丝熔化极气体保护焊枪，所述送气送粉机构设置在焊枪的一侧，通过送气送粉机构将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域。
[0008]进一步的，所述焊枪的外壁固设有与双丝连线平行的导轨Ⅰ，且设有垂直于焊枪外壁面的导轨Ⅱ，使得所述送气送粉机构的前、后、左、右运动；所述导轨Ⅰ和导轨Ⅱ上设有限位块，用于对送气送粉机构位置的固定。
[0009]进一步的，所述送气送粉机构的上端设有送气口和送粉口，所述送粉口上装有送粉调速器，所述送气口上装有气体流量计。
[0010]进一步的，所述送气送粉机构的出气出粉口距工件距离比焊枪端部距工件距离小6mm，且送气送粉机构的出气出粉口为弧形管道。
[0011]进一步的，所述送气送粉机构远离焊枪的一侧设有铺粉辊，所述铺粉辊用于将送气送粉机构输送的氮化物粉末铺设均匀。
[0012]进一步的，所述铺粉辊上部设有弹簧连杆，使得铺粉辊根据工件的不平整度上下可调。
[0013]进一步的，还包括连杆挡板，所述连杆挡板与送气送粉机构外侧壁连接，所述弹簧连杆设置在连杆挡板内，所述弹簧连杆包括连杆Ⅰ，弹簧和连杆Ⅱ；
[0014]所述连杆Ⅰ为空心杆，连杆Ⅰ一端与连杆挡板连接，内部设有弹簧，所述连杆Ⅱ为阶梯式实心杆，直径较大的一端设置在连杆Ⅰ，直径较小的一端与铺粉辊连接，所述弹簧上端固定，弹簧下端与连杆Ⅱ连接。
[0015]进一步的，所述弹簧的弹性系数为20—33N/m，最大伸缩量为5cm；铺粉辊为圆柱形辊，其直径为1-3cm，长度为焊枪宽度的2/3；所述焊枪用耐热材料SiC陶瓷制造。
[0016]一种利用上述的装置进行电弧增材的方法，包括如下步骤：
[0017]步骤(1)根据目标高氮钢的合金成分，选择合适的焊丝和配制合金粉末；
[0018]通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量W
Fe
％，选择低碳钢焊丝作为送丝原料；
[0019]根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量W
i
f％比，经修正关系式W
i
f
修正
％≈W
i
f％
×
(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值W
i
f
修正
％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；
[0020]步骤(2)选择合适的送丝速率和送粉速率；
[0021]根据目标高氮钢中合金元素i的含量W
i
％与铁元素含量的关系式∑W
i
％：W
Fe
％＝α:β，得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β，确定送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比α:β，设进入熔池中的原料粉末质量m
粉
＝V
f
×
Δt，进入熔池的送丝原料的质量m
丝
＝(π/4ρ1d
12
V
s1
+π/4ρ2d
22
V
s2
)
×
Δt，其中V
f
为添粉速率，单位为g/min；V
s1
、V
s2
为送丝速率，单位为m/min；d1、d2为焊丝直径，单位为m；ρ1、ρ2为焊丝密度，单位为g/m3；Δt为时间，单位为min；
[0022]根据公式确定送粉速率V
f
与送丝速率V
s1
和V
s2
参数匹配关系，得简化公式V
f
:[K
×
(V
s1
+V
s2
)]＝α:β；
[0023]选取送丝送率V
s1
和V
s2
，根据公式V
f
:[K
×
(V
s1
+V
s2
)]＝α:β，得出送粉速率V
f
；
[0024]步骤(3)调节双丝熔化极焊枪、填丝丝材与工件表面间距；
[0025]步骤(4)调节导轨Ⅱ(3)和送气送粉机构(9)，使合金粉末离开出粉口后可准确的进入电弧后侧的高温区域，铺粉辊(6)将随着焊枪(1)运动而运动，使铺设在路径上和合金粉末更加致密均匀；
[0026]步骤(5)启动电源，开始增材目标高氮钢构件；首先，调节送粉口(8)上的送粉调速器和送气口(7)上的气体流量计，达到合适的送粉速率V
f
和送气速率V
气1
，以及双丝熔化极气体保护焊枪的送丝速率为V
s1
和Vs2，保护气速率为V
气2
，然后开始进行增材；
[0027]步骤(6)根据目标高氮钢结构件实际形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高氮钢的外送粉电弧增材装置，其特征在于，包括焊枪(1)，送气送粉机构(9)和铺粉辊(6)；所述焊枪(1)为双丝熔化极气体保护焊枪，所述送气送粉机构(9)设置在焊枪(1)的一侧，通过送气送粉机构(9)将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述焊枪(1)的外壁固设有与双丝连线平行的导轨Ⅰ(2)，且设有垂直于焊枪(1)外壁面的导轨Ⅱ(3)，使得所述送气送粉机构(9)的前、后、左、右运动；所述导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)上设有限位块，用于对送气送粉机构(9)位置的固定。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述送气送粉机构(9)的上端设有送气口(7)和送粉口(8)，所述送粉口(8)上装有送粉调速器，所述送气口(7)上装有气体流量计。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述送气送粉机构(9)的出气出粉口距工件距离比焊枪(1)端部距工件距离小6mm，且送气送粉机构(9)的出气出粉口为弧形管道。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述送气送粉机构(9)远离焊枪(1)的一侧设有铺粉辊(6)，所述铺粉辊(6)用于将送气送粉机构(9)输送的氮化物粉末铺设均匀。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述铺粉辊(6)上部设有弹簧连杆(5)，使得铺粉辊(6)根据工件的不平整度上下可调。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括连杆挡板(4)，所述连杆挡板(4)与送气送粉机构(9)外侧壁连接，所述弹簧连杆(5)设置在连杆挡板(4)内，所述弹簧连杆(5)包括连杆Ⅰ(10)，弹簧(11)和连杆Ⅱ(12)；所述连杆Ⅰ(10)为空心杆，连杆Ⅰ(10)一端与连杆挡板(4)连接，内部设有弹簧(11)，所述连杆Ⅱ(12)为阶梯式实心杆，直径较大的一端设置在连杆Ⅰ(10)，直径较小的一端与铺粉辊(6)连接，所述弹簧(11)上端固定，弹簧(11)下端与连杆Ⅱ(12)连接。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述弹簧(11)的弹性系数为20—33N/m，最大伸缩量为5cm；铺粉辊(6)为圆柱形辊，其直径为1-3cm，长度为焊枪(1)宽度的2/3；所述焊枪(1)用耐热材料SiC陶瓷制造。9.一种利用权利要求1-8任一项所述的装置进行电弧增材的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)根据目标高氮钢的合金成分，选择合适的焊丝和配制合金粉末；通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量W
Fe
％，选择低碳钢焊丝作为送丝原料；根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量W
i
f％比，经修正关系式W
i
f
修正
％≈W
i
f％
×
(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值W
i
f

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东青，廖文健，彭勇，王磊，黄勇，王小伟，熊涵英，王克鸿，郑仁宗，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：