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CN115319329A - Cmt电弧增材修补铝青铜块体零件的方法及所用丝材 - Google Patents

Cmt电弧增材修补铝青铜块体零件的方法及所用丝材 Download PDF

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Abstract

本发明公开的CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，其特征在于，包括药芯及焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％。还公开一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，制备简单，可大批量生产，可以广泛应用于铝青铜的修复。

Description

CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法及所用丝材
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，还涉及一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法。
背景技术
铜合金由于其良好的导热性、自润滑性、导电性被广泛应用于交通、冶金、电力行业，但铜合金缺点在于其力学性能较差，容易在使用过程中产生裂纹、磨损等，导致零件无法正常使用，带来严重的安全隐患，而铜合金最为贵金属之一更换的成本往往很大，所以工程中采用各种方式进行修补，例如金属修补剂、等离子修补工艺以及激光修补工艺等。
使用金属修补剂无法使其到较高的结合力，需要频繁的维修，而激光修复铜合金零件时，由于铜合金对激光的反射，使得修复的效率较低，而电弧增材制造技术已经成熟，相较于激光熔覆、等离子熔覆的成本更低，另外，加上热输入小的CMT(冷金属过渡技术)可以得到热源作用小的增材结构件，同时高温使得修补区域与原始区域可形成良好的冶金结合，相比于传统的手工电弧焊修补铜合金对原始零件的组织及性能影响更小。因此，结合CMT电弧增材技术开发了铝青铜块体零件修复用的药芯焊丝，来更高效的、低成本的完成对零件的修复。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，专门用于铝青铜的修复与原始铝青铜零件能形成良好的冶金结合。
本发明的第二个目的是提供一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，包括药芯及焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
焊皮为铜带，为退火态，厚度0.3mm，宽度7mm；丝材(药芯焊丝)的包粉率为25～28％；丝材(药芯焊丝)直径为1.22～1.28mm。
本发明所采用的第二个技术方案是，CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％；焊皮选用铜带；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.22～1.28mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，设计中需适合短段多道焊以减小对原始零件的影响，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力。
本发明的特征还在于，
步骤3中，挖补区域深度为裂纹底端下方5～10mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸5～8mm，挖补底面需为平面。
步骤4中，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为12～15mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为100～150℃；保护气为纯氩气，气体流量为10～15L/min，填丝速度为450～500mm/min。
步骤6中，退火温度为350～400℃，时间为60～75min。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种用于电弧增材修复铝青铜零件的丝材，也可用于其他修补领域，例如激光修补等；
(2)本发明方法对原始零件的影响较小，同时修复的尺寸精确。
(3)本发明方法所提供的丝材，修补后硬度、耐磨性能有很大提升，同时，补焊区域的显微组织分布均匀，无缺陷。
(4)本发明所提供的丝材，制备方便，可以进行小批量生产，与原始铝青铜零件能形成良好的冶金结合。
附图说明
图1是本发明实施例1所示的修补区域显微组织图；
图2是本发明实施例1修补后的宏观图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，包括药芯及焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％。
其中，焊皮为铜带，为退火态，厚度0.3mm，宽度7mm；丝材(药芯焊丝)的包粉率为25～28％；丝材(药芯焊丝)直径为1.22～1.28mm。
各个药芯粉末的功能及作用如下：
镍和铜具有相同的晶体结构，铜与镍可以无限互溶，有利于在与原始块体零件形成冶金结合，提高补焊界面的力学性能，同时还可以增加一定的韧性，以缓解补焊后的残余应力；
铝粉为了与原始铝青铜块体形成等成分匹配，减小对原始母材的稀释，从而降低补焊热影响区的性能，同时铝元素的加入可以提高铜合金的耐蚀性能以及强度；
硅粉为了保护熔池，起到脱氧的作用；
钨作为高熔点元素，在铜合金中能提高其耐磨性能，补焊区域作为不连续的区域，更容易再次产生裂纹，而适量的钨可以有效减小其磨损量；
铁粉固溶到镍中形成固溶强化，提高表面硬度；
钴可以在铜合金中起到强化作用，能抑制在热处理时晶粒长大的问题，对应后期的焊后热处理工艺；
稀土元素加入可以显著提高其硬度；
锌粉可以提高丝材熔化后的流动性，保证补焊区域组织均匀；
本发明还提供一种CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％；焊皮选用铜带；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.22～1.28mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，设计中需适合短段多道焊以减小对原始零件的影响，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除；
步骤3中，挖补区域深度为裂纹底端下方5～10mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸5～8mm，挖补底面需为平面。
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺；
步骤4中，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为12～15mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为100～150℃；保护气为纯氩气，气体流量为10～15L/min，填丝速度为450～500mm/min。
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力。
步骤6中，退火温度为350～400℃，时间为60～75min。
实施例1
CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉20％，铝粉15％，硅粉1.0％，钨粉7％，铁粉10％，钴粉15％，镧粉：1.0％，锌粉：4％，铜粉：27％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.22mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除，挖补区域深度为裂纹底端下方5～10mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸5～8mm，挖补底面需为平面；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为100℃；保护气为纯氩气，气体流量为10L/min，填丝速度为450mm/min；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力，退火温度为350℃，时间为60min。
实施例1得到基于CMT电弧增材制造修补后的块体铝青铜零件，其外貌如图2所示，该丝材与原始铝青铜零件能形成良好的冶金结合；经显微组织观察后，修复区域显微组织均匀，未发生裂纹气孔等缺陷，如图1所示，平均显微硬度为185HV0.1。
实施例2
CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％，铝粉10％，硅粉1.0％，钨粉7％，铁粉10％，钴粉15％，镧粉：0.5％，锌粉：4％，铜粉：37.5％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.28mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除，挖补区域深度为裂纹底端下方10mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸8mm，挖补底面需为平面；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为15mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为150℃；保护气为纯氩气，气体流量为15L/min，填丝速度为500mm/min；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力，退火温度为400℃，时间为75min。
实施例2得到基于CMT电弧增材制造修补后的块体铝青铜零件，经显微组织观察后，修复区域显微组织均匀，未发生裂纹气孔等缺陷，平均显微硬度为180HV0.1。
实施例3
CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％，铝粉15％，硅粉1.0％，钨粉5％，铁粉10％，钴粉10％，镧粉：1％，锌粉：4％，铜粉：39％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.22～1.28mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除，挖补区域深度为裂纹底端下方8mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸6mm，挖补底面需为平面；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为14mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为120℃；保护气为纯氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为480mm/min；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力，退火温度为380℃，时间为70min。
实施例3得到基于CMT电弧增材制造修补后的块体铝青铜零件，经显微组织观察后，修复区域显微组织均匀，未发生裂纹气孔等缺陷，平均显微硬度为182.4HV0.1。
实施例4
CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％，铝粉15％，硅粉1.0％，钨粉5％，铁粉10％，钴粉10％，镧粉：1％，锌粉：4％，铜粉：39％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.25mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除，挖补区域深度为裂纹底端下方7mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸7mm，挖补底面需为平面；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为150℃；保护气为纯氩气，气体流量为10L/min，填丝速度为450mm/min；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力，退火温度为350℃，时间为65min。
实施例4得到基于CMT电弧增材制造修补后的块体铝青铜零件，经显微组织观察后，修复区域显微组织均匀，未发生裂纹气孔等缺陷，平均显微硬度为183HV0.1。
实施例5
CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％，铝粉15％，硅粉1.0％，钨粉5％，铁粉10％，钴粉10％，镧粉：1％，锌粉：4％，铜粉：39％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.22mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除，挖补区域深度为裂纹底端下方8mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸8mm，挖补底面需为平面；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为110℃；保护气为纯氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为450mm/min；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力，退火温度为350～400℃，时间为60～75min。
实施例5得到基于CMT电弧增材制造修补后的块体铝青铜零件，经显微组织观察后，修复区域显微组织均匀，未发生裂纹气孔等缺陷，平均显微硬度为183.1HV0.1。

Claims (6)

1.CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，其特征在于，包括药芯及焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的CMT电弧增材修补铝青铜块体零件用丝材，其特征在于，焊皮为铜带，为退火态，厚度0.3mm，宽度7mm；丝材的包粉率为25～28％；丝材直径为1.22～1.28mm。
3.CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：电弧增材修复铝青铜块体零件丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：镍粉15％～20％，铝粉10％～15％，硅粉1.0％，钨粉5～7％，铁粉8～10％，钴粉10～15％，镧粉：0.5～1.0％，锌粉：2～4％，铜粉为余量，以上组分质量百分比之和为100％；焊皮选用铜带；并采用药芯焊丝拉拔机制备成直径为1.22～1.28mm的药芯焊丝；
步骤2：采用超声探伤设备对零件内部进行检测，确定裂纹缺陷的尺寸及位置；
步骤3：对挖补区域设计修补增材的路径，采用机械切削的方式对原始裂纹附近区域进行挖除；
步骤4：将步骤1制备的药芯焊丝装入CMT增材系统中，完成修补工艺；
步骤5：对步骤5修复的零件进行精加工，切削增材修复中产生的余高以及飞溅；
步骤6：对修补完的零件进行热处理以消除应力。
4.根据权利要求3所述的CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，其特征在于，步骤3中，挖补区域深度为裂纹底端下方5～10mm，长度和宽度为裂纹两侧向外延伸5～8mm，挖补底面需为平面。
5.根据权利要求3所述的CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，其特征在于，步骤4中，CMT电弧增材工艺参数：CMT增材电流：230～240A，摆弧宽度为5mm，焊丝伸出长度为12～15mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至室温进行下一道熔覆，层间温度为100～150℃；保护气为纯氩气，气体流量为10～15L/min，填丝速度为450～500mm/min。
6.根据权利要求3所述的CMT电弧增材修补铝青铜块体零件的方法，其特征在于，步骤6中，退火温度为350～400℃，时间为60～75min。
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