一种超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置及工艺方法与流程

1.本发明属于电弧增材制造技术领域，具体是超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置及工艺方法。


背景技术：

2.超高强钢是在高强度钢的基础上，进一步调整合金元素和改进工艺，增加钢中碳和合金元素的含量，使屈服强度达到1380mpa以上、抗拉强度达1500mpa以上的一类钢。超高强钢按合金元素含量和使用性能不同可分为三大类：低合金超高强钢、中合金超高强钢、高合金超高强钢。超高强钢因自身强度高的特点而广泛应用于大型工程机械结构单元、大型构件上。在一些代表高新技术和新型材料应用的关键领域，例如飞机起落架用钢、高端轴承钢、高压柱塞泵用钢和火箭发动机用高强度不锈钢等均属于超高强钢，而这些钢种目前国内生产技术和质量控制不稳定，会出现非金属夹杂、冷裂纹频繁发生、使用寿命低等问题，严重限制了其使用。例如采用两根强度高硬度高的超高强钢丝材进行超高强钢双丝mig增材大型构件后，构件因内应力过大极易出现冷裂纹的缺陷。
3.申请号为202010674689.1的中国专利，公开了一种解决高强钢铸坯裂纹的工艺方法，涉及抗拉强度大于950mpa的高强钢及其铸坯生产工艺，其目的是要解决铸坯入加热炉前的开裂问题，但并不满足抗拉强度大于1500mpa的要求。申请号为2013104268522的中国专利，公开了一种600mpa级水电工程用调质高强度低焊接裂纹敏感性钢板及其制备方法,该钢板由以下质量百分比的组分制备成：c：0.07～0.09％，si：0.20～0.40％，mn：1.50～1.60％，p≤0.015％，s≤0.005％，mo：0.12～0.25％，nb：0.027～0.050％，ni：0.15～0.30％，v：0.035～0.060％，ti：0.010～0.020％，alt：0.020～0.050％，其余为fe及不可避免的杂质，并控制碳当量ce≤0.42％，焊接裂纹敏感性指数p
cm
≤0.20％。该方法仅从元素含量的角度制备高强钢低焊接裂纹敏感性钢板。申请号为201010125985.2的中国专利，从焊缝形状的角度出发，设计一种丁字接头使承受拉伸和弯矩载荷的超高强钢结构既少出现冷裂纹，又能保证足够大的静载承载能力。该设计方法并未从成形工艺的角度解决超高强钢冷裂纹的问题。申请号为201010188996.5的中国专利，涉及一种低合金超高强钢淬火后与优质碳素结构钢对接mag焊接方法，用以解决超高强钢淬火后可焊性差的问题。但所述mag焊接方法属于半自动焊，焊接效率低。采用的淬火热处理工艺，不利于焊接工艺简化及劳动条件的改善。
4.综上所述，在与超高强钢相关的现有技术中，没有解决超高强钢大型构件的开裂问题。故为了控制和消除超高强钢内部冷裂纹，改善其成形质量，急需一种超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置及工艺方法。


技术实现要素：

5.为了进一步解决超高强钢大型构件的冷裂纹问题，提升增材工艺稳定性，获得高
效优质的大型增材构件，亟需一种超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置及工艺方法。
6.本发明在超高强钢双丝mig增材基础上，引入一根不锈钢丝材和外置增材专用枪，将数字化增材电源、工业机器人、双枪异丝等技术集成于机器人工作站，解决大型构件的开裂问题，使增材工艺更加高效优质。具体技术方案如下：
7.超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置，包括增材电源、送丝系统、增材专用枪、机器人控制系统、供水供气系统。
8.增材电源包括两台脉冲增材电源；送丝系统包括三台四轮驱动送丝机、两个超高强钢丝材盘、一个不锈钢丝材盘；机器人控制系统主要包括机器人、控制柜、示教器；
9.增材专用枪包括一把双丝增材专用枪和一把外置增材专用枪；供水供气系统包括两个气瓶和两个内置于增材电源的水箱。
10.工艺方法：采用氩氧氮混合气作为保护气体，相互独立的超高强钢双丝在送丝机的带动下经双丝增材专用枪送至构件上方，双丝既作为电极又作为填充金属；第三根丝不锈钢丝在送丝机的带动下经外置增材专用枪送至构件上方，且作为填充金属介于两根超高强钢丝材中间；调整好超高强钢丝材与不锈钢丝材的间距，接通增材电源，在超高强钢丝材与构件的接缝之间起弧，形成熔池。与此同时，不锈钢丝受到超高强钢丝材的热辐射、电弧热后开始融化，逐渐滴入熔池。所形成的熔池呈“超高强钢-不锈钢-超高强钢”夹层特征，冷却凝固后形成构件。
11.本发明形成的构件接头的内部组织中，不锈钢中亚稳的残余奥氏体发生trip效应转变成马氏体，超高强钢的内应力不断向未转变的奥氏体转移并生成新的马氏体，所以应力不容易集中，延缓了冷裂纹的产生和传播。不锈钢材质较软，具有比较高的抵抗塑性变形和断裂的能力。超高强钢具有高强度高硬度，塑性韧性差，变形抗力低。将不锈钢和超高强钢结合，可综合“软-硬”两种材料的优势，利用不锈钢的形变来缓解或消除超高强钢构件的内应力，从而控制超高强钢构件的冷裂纹。采用“超高强钢-不锈钢-超高强钢”的增材方式，能提高超高强钢的淬透性，减小钢中的残余应力，有利于消除构件接头的内部缺陷。不锈钢位于超高强钢的中间，作为连接两根超高强钢丝材的桥梁，保证了增材过程中熔池的整体性和稳定性。
12.研究表明，冷裂纹均发生在“富氢地带”可见，氢对冷裂纹有十分重要的影响。在焊接高温作用下，有大量的氢溶解在熔池中。因为此时熔池中主要成分是奥氏体，氢的溶解度比较大。而在随后的冷却和凝固过程中，奥氏体相变为铁素体却引起氢的溶解度急剧降低。此时氢极力逸出。但因冷却速度很快，氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，从而使此处氢处于过饱和状态。当氢的浓度足够高时，则将产生冷裂纹。本发明采用“超高强钢-不锈钢-超高强钢”的增材方式，利用不锈钢低含氢量的特征，减少构件接头“富氢地带”的产生，从而控制超高强钢大型构件的冷裂纹。
13.本发明的增材电源具体包括第一脉冲电源、第二脉冲电源，两台电源通过lhsb(高速总线)连接并协同控制，可相互通信。通过脉冲相位控制达成对超高强钢所产生电弧的相位控制。
14.送丝系统包括三台四轮驱动送丝机、两个超高强钢丝材盘、一个不锈钢丝材盘及软管。两台四轮驱动送丝机分别驱动两个超高强钢丝材盘的丝材至双丝增材专用枪；两根
超高强钢丝材直径相等，化学成分和元素含量相同，以保证增材过程中的稳定性；引入的一根不锈钢丝材位于不锈钢丝材盘中，在送丝机的驱动下，被送至外置增材专用枪。
15.机器人控制系统包括机器人、控制柜、示教器等。机器人手臂装有双丝增材专用枪。在机器人的总点处设计可拆卸的卡箍，卡箍与外置送丝手臂相连，以支配外置增材专用枪的运转。控制柜内部器件布置简洁明了，全部采用总线形式，维护方便、可靠。控制柜通过示教器控制工作过程，与机器人相匹配的控制板块较为精准，能够大大的减少工作周期，提高生产效率。具体的增材准备步骤：首先，在增材控制面板上选择丝材材料以及直径大小，再选择增材电源工作模式，然后通过对送丝速度的调节，自动匹配出合适的增材电流电压，最后也可以在利用弧长修正方式对增材电源电流电压进行小范围内的微调。
16.本发明的供水供气系统包括两个气瓶和两个内置于增材电源的水箱，能够满足设备上的要求。
17.本发明相对于现有技术具有显著优点：
18.1、本发明利用了自动化的机器人设备，从而使得该发明装置操作方便，易于控制，极大的提高了生产率；
19.2、本发明利用了不锈钢具有高的抵抗塑性变形能力的特点，使之发生形变来缓解或消除超高强钢大型构件的冷裂纹；
20.3、本发明加入的不锈钢细丝未接通增材电源，而作为添加丝材在超高强钢丝材中间熔化，解决了熔池在形成中熔敷量不足的问题；
21.4、本发明采用了外置增材专用枪和四轮驱动送丝机，从而引入不锈钢细丝，以实现异种丝材的电弧增材；通过装配一把外置增材专用枪，获得了三丝两电源系统，实现了低热输入下的高金属熔敷量，从而提高电弧增材制造的效率。
附图说明
22.图1为本发明实施例的超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置的结构示意图。
23.图2为本发明实施例的两根超高强钢丝材与一根不锈钢丝材增材排布图。
24.1—气瓶、2—控制柜、3—增材电源、4—超高强钢丝材盘、5—四轮驱动送丝机、6—工业机器人、7—双丝增材专用枪、8—连杆、9—安装板、10—不锈钢丝材盘、11—软管、12—卡箍、13—外置送丝手臂、14—外置增材专用枪、15—构件、16—工作台。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步说明
26.本发明提供一种超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置及工艺方法，所用装置包括气瓶1、控制柜2、增材电源3、丝材盘4、四轮驱动送丝机5、工业机器人6、双丝增材专用枪7、连杆8、安装板9、不锈钢丝材盘10、软管11、卡箍12、外置送丝手臂13、外置增材专用枪14、工作台16。该装置将外置增材专用枪14集中于同一装置中，增加了一根不锈钢细丝，利用了不锈钢具有高的抵抗塑性变形能力和低的含氢量，使之发生形变来缓解或消除超高强钢大型构件的冷裂纹。增加不锈钢细丝在保证热输入低的条件下又能极大的提高了丝材熔覆率，从而提高电弧增材制造的效率。
27.为了更具体的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图和具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
28.参考附图1、2所示，本发明提供了一种超高强钢大型构件冷裂纹控制机器人增材装置及工艺方法，具体包括：
29.增材电源3具体包括第一脉冲电源、第二脉冲电源，两台电源通过lhsb(高速总线)连接并协同控制，可相互通信。通过脉冲相位控制达成对超高强钢所产生电弧的相位控制。增材过程中通过lhsb高速总线连接协同控制，两根超高强钢丝分别不间断轮流起弧熄弧。且电极的热辐射、电弧热可融化不锈钢细丝，达到在同等热输入的条件下提高丝材熔覆率的目的。
30.送丝系统包括三台四轮驱动送丝机5、两个超高强钢丝材盘4、一个不锈钢丝材盘10及软管11。两台四轮驱动送丝机分别驱动两个超高强钢丝材盘4的丝材至双丝增材专用枪7；两根超高强钢丝材直径相等，化学成分和元素含量相同，以保证增材过程中的稳定性；引入的一根不锈钢丝材位于不锈钢丝材盘10中，在送丝机的驱动下，经软管11被送至外置增材专用枪14喷嘴。不锈钢丝材盘10位于安装板9处，能节省占地空间。连杆8将工业机器人6与安装板9连接，匹配合理。
31.机器人控制系统包括工业机器人6、控制柜2、示教器等。工业机器人6手臂装有双丝增材专用枪7。在机器人的总点处设计可拆卸的卡箍12。螺栓将卡箍12与外置送丝手臂13连接，以支配外置增材专用枪14的运转。可根据超高强钢丝材的位置调节外置增材专用枪14的摆放，从而控制超高强钢丝材与不锈钢细丝的间距。控制柜2内部器件布置简洁明了，全部采用总线形式，维护方便、可靠。控制柜2通过示教器控制工作过程，与机器人相匹配的控制板块较为精准，能够大大的减少工作周期，提高生产效率。
32.在该超高强钢构件增材过程中，三丝形成的熔池如图2所示，以第三超高强钢丝材的同心圆圆心为原点o，增材轨迹为x轴，连接三圆心所成直线为y轴，假设增材专用枪沿着轨迹增材后三丝各自熔融得熔池一、二、三；x轴与第三熔池中心线重合，第一超高强钢丝材与第二不锈钢细丝之间的距离d1，第二不锈钢细丝与第三超高强钢丝材之间的距离d2。调整外置增材专用枪14的摆放位置，控制第二不锈钢细丝与两根超高强钢间距，从而得到d1和d2的大小。如图2.1当两根超高强钢的间距d1 d2较小，约为7～10mm时，增材一道后形成一个大熔池。大熔池冷却凝固后得到的增材缝宽度约7～10mm。如图2.2当增材丝之间的距离d1、d2较大时，第二不锈钢细丝搭接熔池一和熔池二，使增材一道后的道宽加大为约11～14mm。此时熔池一二三结合紧密，所成形的道宽较间距d1 d2小的提高1～4mm，有利于提高增材效率。
33.本发明具体实例的工艺过程：
34.对316l基板表面进行预处理，用酒精、打磨机、电吹风等清除基板表面的杂质和氧化皮，减少试验的不确定因素；基板的化学成分如表1，尺寸为1000mm
×
600mm
×
60mm；实例选用316l不锈钢细丝作为添加丝材，直径0.8mm，化学成分如表2，选用18ni(350)超高强钢丝材进行增材，直径1.2mm，化学成分如表3；
35.旋开气瓶阀门，通入保护气成分为ar 1.5％o2 5％n2的混合气；
36.接通电源，采用mig p的工艺模式，预先设置增材制造工艺参数如表4，包括电流电压23.0v、增材电流164a、送丝速度5m/min、增材速度5mm/s、气流量25l/min；
37.提前用软件系统编辑好增材路径，确保库卡kr16机器人在行走过程中正常运行，然后移动到安全位置待命；
38.用卡箍装配外置增材专用枪于库卡kr16机器人，调整好三把增材专用枪的位置，以获得316l不锈钢细丝和18ni(350)超高强钢丝的合适间距；
39.伺服启动开关，送丝机以5m/min的速度平稳送丝，气瓶送气流畅，循环水路流通；
40.增材试验开始，工业机器人带动增材专用枪至指定位置，在超高强钢丝材与316l基板接缝之间起弧、增材；
41.增材结束后工业机器人移动至工作原点；
42.关闭增材电源开关，关闭气瓶阀门；
43.最终得到具有“高强钢-不锈钢-超高强钢”夹层特征的构件，满足了控制冷裂纹的要求。
44.表1 316l基板化学成分表(wt％)
[0045][0046]
表3 18ni(350)超高强钢丝材化学成分表(wt％)
[0047][0048]
表4实例所用工艺参数表
[0049]