304不锈钢增材制造工艺参数优化

电弧增材制造主要是通过一层层不断熔敷金属焊丝进而制作成具有符合一定要求形状的增材部件。因此单层增材的成型参数对增材件的最终形貌起到决定性的影响。焊缝过宽不利于提高成型精度,焊缝过窄会损害熔覆效率,热输入提高会增加熔覆速度,但同时也会造成更加严重的焊后氧化,影响成型件的外观。通过调节增材参数,可以调节熔化金属的热量,在熔覆速度和成型的精度和美观度的到最佳的契合点,能够使得增材成形问题得到改善。所以探索单层增材参数对304不锈钢增材制造成形的影响,可以为增材制造参数的调节改变提供良好的研究前提,帮助得到满意的增材制造成型结构件。

保护气对增材成型的影响

保护气主要包括二氧化碳、氩气、氦气、氧气、氢气及其二元或三元混合气体等,其对于电弧增材制造实验有重要影响。改变保护气的成分能够对电弧增材制造产生重要的影响。一般来说富氩混合气相比传统纯的二氧化碳保护气更有利于提高增材熔覆的效率,并且富氩混合气能够降低电离势进而提高增材电弧的稳定性,减少金属飞溅,减轻后期清渣工作压力。现在人们对于环保工作愈发的重视,工厂也不例外,在同样的焊接参数下混合气体能够大大的减少焊接烟尘,具有在源头上减轻污染、改善增材环境的优势。而实验选择最优的保护气体的最重要准则是能够最大程度的满足实际工作的需求,因此在正式实验前根据自己的实验条件和设备选择合适的保护气至关重要。

首先采用日本OTC焊接机器人,在无其他外界保护的情况下,参考前人的实验参数(大电流喷射过渡方式)进行增材实验。增材结果如图3.1所示。可以得到外形较为均匀的多层单道墙壁件,同时也存在严重的氧化问题,并且使用纯氩气增材实验过程中伴随较为严重的飞溅现象,而使用加入CO 25%)的混合气体时增材过程较为温和,金属熔覆过程并未出现较大的飞溅,仅在开始引弧和结束息弧时有少量飞溅。在成型的外观上,混合气体的成形效果好于纯氩气的保护效果,外观更加均匀,层与层之间结合更加紧密,外观起伏更少,后期加工余量更少,更有利于提高材料的利用效率。

焊接电流对增材成型的影响

电流是金属电弧增材制造过程中主要的实验参数,电流的大小对增材质量和生产效率的影响很大。电流太小会引起电弧不稳定,进而容易造成飞溅和夹渣等缺陷。小电流引起电弧力减小,电弧力较小导致电弧冲击力减弱,增材件的重熔区变小,降低层与层结合效果,并且小电流会减小金属丝在单位时间的熔覆量,影响增彩效率。电弧电流增大时单道熔覆金属的熔深和余高增大。这是因为电流增大引起电弧力增大和热输入的增加,弧柱枝晶增大,热源位置下移。但是电弧电流过大会容易产生过高的热输入,造成增材件热积累过多,电弧力的冲击会引起收弧时弧坑变大,造成末端下榻从而带来成形效果较差,氧化严重等问题。因此,增材电流是影响电弧增材成型实验的最主要参数。

通过观察前期增材实验的结果(图3.2),发现电弧增材制造普遍存在氧化严重的问题,实验过后增材件大面的的氧化发黑,这既影响增材件的美观程度也降低了下面增材金属的熔覆效果,容易造成夹渣,进而可能降低增材件的各项力学性能。氧化主要是由于热输入量过大,而且基板散热不及时造成的。在保护气离开后零件温度依然过高,零件被迅速氧化。

为了解决氧化问题,本文首先减小了电流从而降低热输入。分别采用130A120A110A电流进行增材,增材墙壁件如下图(图3.3)所示。因为融滴过渡形式为滴状过度,前面几层有较明显的焊接鱼鳞纹,后面逐渐变得均匀平缓,整体上墙体较为均匀。增材结果显示,随着电流的减小,焊后氧化现象得到了一定的改善,焊缝表面的金属光泽度,但是使用110A电流进行增材时,增材墙壁件出现了较明显的凹陷现象,无法进行连续增材制造。经过分析发现是因为电流减小造成了熔覆量的减少,出现了和增材速度不匹配的状况,后面章节经过电流和增材速度的匹配该现象会得到改善和解决。

焊接电压对增材成型的影响

增材电弧电压是增材制造过程中一个十分重要的工艺参数。增材电压大小能够直接影响增材实验过程的稳定性、熔滴过渡特点和焊接飞溅的大小等,从而间接影响增材件的外观成形。如果实验中电压过低可能会引起电弧弧长相应变短,从而造成短路频率下降,进而导致焊丝未完全融化就部分插入熔池中,造成熄弧并产生严重的飞溅等影响。但是电压过高,会使焊丝熔化增多,焊丝熔滴增大,电弧声不稳定。电弧弧长变大进而增材宽度变大,不利于增材增材成型精度控制。如果电压继续增大,弧长会变得更长,短路的频率及次数减少,严重时会造成熔池剧烈沸腾,电弧燃烧不稳定,使焊缝出现气孔缺陷。所以,要确保增材过程的稳定性,增材电弧的电压选择既不能过高也不能过低,要通过实际实验操作观察选择一个比较适和的电弧电压,这样才能保证增材过程的顺利进行。

根据本次实验结果显示(图3.4),当电压为2021V时,增材宽度较窄,当电压为25V时,由于电压过大,增材过程飞溅严重,外观成形受损。电弧电压为适中值222324V时其增材熔池过度过程的稳定性最好,期间增材电弧能够稳定燃烧,金属熔滴向熔池过渡较为均匀。此电压下电弧短路次数适中,产生的飞溅相对少,所以焊出的焊道外形美观、焊缝成形质量好外观连续且均匀。因此推测适合本环境的增材电压为23V左右。

焊接速度对增材成型的影响

通过改变行走速度可以改变单位时间在单位体积上的增材制造熔敷量,焊接速度的大小直接关系到金属增材的生产率。增材效率高是电弧增材相对其他增材方式的一个重要的优点。但是增材速度与电流、电压等其他因素的匹配也会影响到增材试验件的外观成形。增材速度增加相对的减少了熔覆量,也降低了热输入。所以应该在保证增材成型质量的前提下,适当调整增材速度,既要保证有足够的金属熔覆量又要尽量减少热输入避免过度热积累造成的氧化。

本文考虑在降低焊接电流的同时,减小增材速度,以保证熔覆效果和增强保护气的保护效果。因此选择708090A电流速度范围为20-30cm/min,电压保持23V,保护气流量20L/Min,焊丝干伸长10mm,进行单层单道增材实验。实验结果如下图3.5所示。

实验观察融滴呈滴状过度,氧化问题得到有效控制,并且飞溅有所减小。随着电流减小,金属熔覆量减小,如果不适当减小速度会造成金属液滴间距过大,引起增材表面明显起伏不利于增材成型。适当将增材速度减小,能够在保持较小的热输入的前提下改善表面成型,使电流和增材速度得到更好的匹配。结果发现当电流为70A时候电流过小,电弧不稳,无论如何调节增材速度都无法保证良好的增材成型,而80-90A电流时候均可以找出匹配较好的参数,因此我们猜测80A接近稳定增材的临界点。

后期,利用最优参数(单道多层试验参数:电流80A,电压23-20V,干伸10mm,气体流量20,增材速度20cm/min,丝板距3mm)采用交错式堆积方式完成单道多层墙体试样的堆积。增材成品如下图3.6所示。

堆积高度为30层。实验增材结果如上图,均为滴状过度。鱼鳞纹开始呈减弱趋势后趋于稳定。整体成型状况良好,宽厚高低较为均匀,外貌状况良好,有利于提高增材实验的精度,减少后期加工,提高焊材利用率。。试验件两头高度约39.5mm,中间均匀部分高度40.1-40.6mm,整体宽度6.85-7.03mm。较文献增材成果有明显的改进,可以看出随着电流减小,增材构件金属光泽变好,外观平整度变好,飞溅减少。证明我们的整体思路正确,无外界保护的情况下采用小电流滴状过渡的增材实验形式可实现直接增材制造。与前人对比发现,此方法外观成型均匀、金属光泽明亮,后期加工工作量少,能够提高增材材料利用率,有助于向船厂工厂推广应用。

本章小结

本章为改善304不锈钢增材制造过程中氧化严重的问题,在保持电压不变的情况下,通过降低电流,从而合理控制热量输入,同时搭配合适的增材速度,在保持熔池滴状过度的情况下得到氧化较少、表面质量良好的不锈钢增材实验件。通过实验得到了以下结论:

1)使用CO 25%)和Ar气的二元混合气体相比纯Ar气的保护气能够使不锈钢增材过程较为温和,有效的改善电弧增材过程中的严重的飞溅现象。改善不锈钢增材试验件的外观形貌。

2)增材电流是影响不锈钢电弧增材制造过程中热量输入的主要因素,通过减小增材电流可以有效控制增材热输入,减少不锈钢电弧增材试验件的氧化现象。

3)不锈钢电弧增材的电压不宜过大或过小,23V左右的电压可以保证增材过程的稳定性,保证金属熔池良好过度。

4)在不锈钢电弧增材过程中,增材的速度应该和增材电流进行适当的匹配,以保证增材的效率和增材件表面的平整度以及增材连续性。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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