一种金属构件埋弧堆焊成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属构件埋弧堆焊成形方法。
【背景技术】
[0002]目前，重型设备行业关键构件如核电、石化行业压力容器所用低合金高强度钢、耐热合金材料，冶金辊子钢、电站转子钢等构件材料主要采用铸锻技术实现，使用数百吨级大型钢锭冶炼、铸造和万吨液压机等重型锻造工业装备锻压成形，并辅以最终机加工。该传统方法基本能够满足技术质量要求，但制造工序繁多、生产周期长、材料利用率低，导致构件成本高昂；另一方面，囿于铸造技术和锻造压机吨位的限制，大型设备如核电、石化容器主要采用分段锻制后再多段组焊的方式解决，铸锻工艺的问题将直接影响了后续的焊接和机加工，因此造成整体工艺复杂、化学与力学性能控制难度大，质量稳定性差，废品率高的缺点。同时现有的这种制造工艺组合也难以满足新型产品快速研制和批量生产的进度要求。
[0003]埋弧堆焊技术，作为最基本埋弧增材制造方法之一，由于其生产效率高，堆焊质量好等优点，在各行业包括容器分段筒体组焊，辊子钢的堆焊修复，以及特殊件内壁堆焊不锈钢工艺等方面被广泛应用。但对于希望利用该技术在大型工件快速增材制造，也即直接埋弧堆焊成形方面，由于诸多工艺难点还鲜有实际应用。这些难点包括整体系统设备的设计制造；对应成形工件的焊丝和焊剂的研发和制备；以及最重要的，攻克重型金属构件大尺寸和复杂形状的埋弧堆焊成形过程中裂纹、气孔、化学偏析等。如何研发并稳定成熟埋弧增材制造工艺，满足要求越来越高的各行业重型金属构件的力学和化学性能是一个重大的课题。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种高效、具有良好力学性能的金属构件埋弧增材制造方法。
[0005]本发明的金属构件埋弧堆焊成形方法为:将焊接电源的两极分别接至焊枪和基材，同步输送颗粒状焊剂及金属焊丝于基材表面，接通电源，焊丝在焊剂覆盖下与基材之间产生电弧，使焊丝及基材表面局部熔化，在基材表面形成熔池，持续输送焊丝与焊剂，根据零件数模数据控制焊枪与基材的相对移动轨迹，实现在基材上逐层堆焊沉积，成形出金属构件。
[0006]在本发明中，根据成形金属构件材料不同，制备所需焊丝，根据成形金属构件材料不同，直径为2mm?8_。焊剂由氧化物、或者、氧化物与卤化物、或者、氧化物与卤化物及金属粉末组成，在成形过程中参与熔池元素反应，调整熔池中合金元素，改善成形工件的力学性能，降低生产成本。
[0007]在本发明中，所使用的电源是直流电源或交流电源，在使用直流电源时，所述焊丝接正极或负极，根据焊丝直径的不同，电流为200A?2000A，电压为20V?50V。
[0008]在本发明中，根据成形工件材料和尺寸要求，对基材或焊层进行加热或冷却，控制基材或焊层的温度为100?400°C，从而获得晶粒细密、无宏观偏析、组织均匀的材料，极大的改善成形工件的塑性、韧性和高温蠕变等力学性能，另外高温熔池对下一层热影响区沉积金属层进行热处理，工件逐层进行自回火热处理，晶粒更为细密，组织更为稳定。
[0009]在本发明中，根据成形金属构件的尺寸、形状和效率要求，焊枪的数量为I?100个，多焊枪排布时，相邻焊枪间距为50?500mm。
[0010]在本发明中，基材用于为构件成形提供工装支撑，其尺寸、形状按照堆焊金属要求设计制作，厚度不小于5mm;另外根据生产要求不同，基材可选用与堆焊金属相同或不同的材料，在金属堆焊完成后，基材可予以保留作为成形构件一部分或通过后续机加工去除。
[0011]本发明的方法可用于SA508-3、SA387F22、SA182F1U12 % Cr、316LN、3.5 %NiCrMoV,3.5NiMoV、30Cr2Ni4MoV 或 24Cr2NilMolV 材料构件的成形制造。
[0012]本发明的金属构件埋弧增材制造方法可用于反应堆压力容器、电站转子、加氢反应器筒体、核电站蒸发器筒体、核电站压力容器筒体或核电站稳压器筒体的成形制造。
[0013]本发明摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束，成形即为近净形坯件，生产后只需少量精加工，大大简化加工工序，缩短产品周期；所成形工件具有媲美传统锻造工艺的力学和化学性能，强度、韧性、耐蚀等性能均十分突出；本发明的方法可用于各行业重型金属构件如低合金钢、耐热钢、不锈钢、镍基合金材料的成形与生产。
【附图说明】
[0014]图1为用于说明金属构件埋弧堆焊方法的示意图；
[0015]图2为用于说明实施例1中的制造方法的示意图；
[0016]图3为用于说明实施例2中的制造方法的示意图；
[0017]图4为用于说明实施例3中的制造方法的示意图；
[0018]图5为用于说明实施例4中的制造方法的示意图。
【具体实施方式】
[0019]图1为金属构件埋弧增材制造方法的示意说明图。图中部件是示意性的，其实际形状与尺寸关系等不受图示限制。
[0020]结合图1，该制备方法是将焊丝I熔化而逐层(图1中所示为堆积至第N层时的状态)堆焊在基材2上，从而最终形成所需的金属构件。如图1所示，在本实施方式中，送丝机构5经由焊枪6向金属制的基材2 —侧的成形部位不断输送焊丝I (具体成分根据所要形成的材料材质等设定)，其上覆盖颗粒状焊剂3 (使用送粉机构4向成形部位输送)，焊枪6 (焊丝I)与基材2接电源12两极，成形时电源电压使焊丝I (的端部)与基材2之间形成电弧产生电弧热，电弧热使焊丝、焊剂熔化，在基材表面形成熔池，控制送丝机构5和送粉机构4持续输送焊丝I与焊剂3，并控制焊枪6与基材2相对移动和基材2温度，使熔池凝固并逐层堆焊沉积在基材2上，最终实现金属构件埋弧堆焊增材制造成形。
[0021]另外，控制装置(计算机)根据零件数模(数值模拟)数据控制焊枪与基材的相对移动轨迹。
[0022]在本发明中，焊丝I根据不同材料要求特殊制备，形态可以是圆棒状、带状，直径设定为2?8mm，具体可根据成形金属构件材料不同来设定。
[0023]在本发明中，焊剂3覆盖在熔池上，使用焊剂3的作用包括:覆盖电弧，防止电弧飞溅；覆盖熔池11，隔绝空气，使熔池金属免受空气中氧、氮、氢等的侵害；对熔池金属形成保温；冶金反应过程中去除杂质、掺入合金；形成的渣池以机械方式保护堆焊金属10良好成形等。
[0024]在本发明逐层成形的过程中，焊丝在下层金属表面形成熔池，熔滴以射流形态进入熔池后凝固使两层金属形成一体，实现分层成形，整体融合，保证了所形成材料的整体质量。根据成形材料的不同，控制基材2或堆焊金属预热(或冷却)使层间温度为100?450°C，实现熔池快速冷却，细化晶粒，并且高温熔池对下一层热影响区沉积金属层进行热处理，逐层进行自回火热处理，晶粒更为细密，组织更为稳定。采用本实施方式的制备方法成形的金属构件材料，无宏观化学偏析、综合力学性能良好且无方向性、晶粒细密，达到7级以上。
[0025]采用本实施方式的制备方法，原料丝利用率接近100% ;相比现有的加工技术(锻造、铸造等)，制造工序少(不需要复杂的热处理)，周期短，效率高，超低碳超细晶高强度钢材料的机械加工余量非常小，同时减少了精加工时间及节约了大量的材料。本发明的方法可用于 SA508-3、SA387F22、SA182F1U12 % Cr、316LN、3.5 % NiCrMoV,3.5NiMoV、30Cr2Ni4MoV或24Cr2NilMolV材料构件的成形制造。另外，可用于反应堆压力容器、电站转子、加氢反应器筒体、核电站蒸发器筒体、核电站压力容器筒体或核电站稳压器筒体的成形制造。
[0026]【实施例1】
[0027]法兰盘的卧式制作。本实例描述通过埋弧堆焊成形方法制作法兰的过程，材料为40Cr，基材材料Q235，所使用的设备包括:
[0028](I)回转支撑台；⑵电源；(3)焊枪；(4)自动送丝装置；(5)焊剂自动输送与回收装置;(6)加热装置;(7)冷却装置;(8)基材;(9)中央控制装置(计算机)ο
[0029]图2为用于表示本实施例的埋弧增材制造方法的示意性说明图，图中省略了电源、自动送丝装置等装置。如图2所示，焊丝101特殊制备，C元素:0.09-0.10%，其它元素按照SA508Gr3Cll要求，直径4mm，数量2个(即焊枪401a、401b，下面说明中统称为焊枪401)，焊剂为核电用烧结焊剂SJ6