基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法

技术领域

本发明涉及材料焊接熔覆层质量优化技术领域，具体涉及一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法。

背景技术

油气钻采关键设备，如防喷器、采油树、泥浆泵等，其服役环境恶劣，遭受磨损、冲蚀、腐蚀、工作载荷等耦合作用，极易形成体积缺陷、导致设备过早失效，影响设备完整性和安全使用。同时，这些装备体积大、制造耗费材料多、加工周期长；此外，为保证强度和安全性，这些关键装备的材料大多为金属材料，特别以调质态30CrMo钢为主。因此，这些设备的过早失效不仅造成显著的经济损失，还造成材料的极大浪费，有必要开展金属零件再制造的基础研究，以充分利用废旧设备的剩余价值、减少材料浪费。

相较于传统的电弧增材再制造技术，冷金属过渡(Cold Metal Transfer, CMT)技术具有熔覆效率高、热输入低、无飞溅、工艺稳定性强等优点，特别是热输入的大幅降低，减小了焊接热变形、减轻了微观组织粗大和成分偏析，有利于保证再制造件的尺寸精度和力学性能；而且CMT焊枪结构简单、可达性好。因此CMT再制造适用于含较大体积缺陷的零部件，可用于材质为金属、如30CrMo钢的油气钻采设备的再制造。

CMT的工艺参数，如焊接速度、送丝速度等，影响电弧热的分布，以及电磁力、电弧压力等熔池驱动力，进而影响熔池液态金属的流动，因此焊缝的高度、宽度依赖于工艺参数，焊缝成形质量不易调控。同时，熔覆层由多道焊缝搭接而成，焊道间距也影响熔覆层的成形质量；焊道间距过小，相邻焊缝间存在凹坑，导致熔覆层表面凹凸不平、有效厚度小；焊道间距过大，后续焊缝与先前焊缝过多的重叠，导致形成阶梯状的表面形貌，而且易于形成未熔合缺陷。此外，再制造需要将缺陷通过铣削的方式清理掉、加工成槽状，以便于增材再制造修复体积缺陷，因此待修复预制槽的尺寸，特别是宽度也是制约熔覆层的成形质量的重要因素。

尽管，针对CMT增材再制造的成形质量预测与调控提出了部分技术方案，涉及高氮钢、铝合金、镁合金、镍基合金，但是不同材料的比热容、热传导系数、熔点、液态金属表面张力等存在差异，导致相同工艺参数条件下熔覆层成形不同。而且，已有技术方案尚未系统、彻底解决成形质量预测、焊道间距计算、预制槽尺寸计算与优化的问题。

发明内容

为了解决已有技术方案尚未系统、彻底的解决成形质量预测、焊道间距计算、预制槽尺寸计算与优化的问题，本发明提供了一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，包括以下步骤：

确定CMT单道焊变量，所述变量包括焊丝的送丝速度V

利用二元二次多项式拟合送丝速度V

利用圆弧方程描述CMT单道焊的横截面轮廓，基于单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型，根据单焊道宽度W及单道焊高度H建立单焊道横截面轮廓的圆弧方程，通过圆弧方程计算得到单道焊横截面的圆弧轮廓半径R；

根据两相邻焊道轮廓形成的两区域面积关系及圆弧轮廓半径R，计算得到相邻两个单焊道之间的焊道间距L；

根据紧邻预制槽坡口的单焊道与基体熔合形成的面积关系，计算得到紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离L

根据焊道间距L和紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离L

优选地，所述单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型分别为：

（1）

（2）

式中，V

优选地，所述单焊道横截面轮廓的圆弧方程为：

（3）

式中，R为单焊道横截面的圆弧轮廓的半径。

优选地，所述焊道间距L为：

（4）

焊道间距L具体为两条焊道中心面之间的距离；

x为坐标系中X轴的变量。

优选地，所述紧邻预制槽坡口的焊道中心面与基体表面坡口棱线的距离L

（5）

（6）

（7）

式中，α为预制槽坡口角度；

L

L

优选地，所述预制槽的宽度W

（8）

式中，n为再制造焊道数量。

优选地，所述预制槽深度为

本发明提供的基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法具有以下有益效果：

(1) 本发明以送丝速度V

(2) 本发明基于圆弧方程推导了焊道间距L计算公式，考虑预制槽坡口角度的不同，基于单道焊宽度W、单道焊高度H及焊道间距L构建了预制槽宽度W

(3) 本发明提出的焊道间距L、预制槽宽度W

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为再制造熔覆层横截面轮廓示意图；

图2为送丝速度为7m/min、焊接速度为6mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的实际各参数实际测量结果示意图；

图3为送丝速度为7m/min、焊接速度为7mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图；

图4为送丝速度为7m/min、焊接速度分别为8mm/s、预制槽坡口角度α=30°、再制造焊道数量n=5时的各参数实际测量结果示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

本发明提供了一种基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

(1) 以焊丝的送丝速度V

(2) 在完成单道焊的焊接后，采用线切割切取包含单焊道的试样，以单道焊宽度W、单道焊高度H作为评价成形质量的指标，测量每组试验所得单道焊宽度W和单道焊高度H。

(3) 利用二元二次多项式拟合送丝速度V

式中：V

此公式可用于不同CMT工艺参数所得单焊道宽度、高度的预测。

(4) 利用圆弧方程描述CMT单道焊的横截面轮廓，建立如图1所示坐标系（以预制槽宽度方向为x轴，以预制槽高度方向为y轴），根据单焊道宽度W及单道焊高度H建立单焊道横截面轮廓的圆弧方程，通过圆弧方程计算得到单道焊横截面的圆弧轮廓半径，如下：

（3）

式中，R为单焊道横截面的圆弧轮廓半径。

（5）再制造熔覆层平整，则图1中相邻两个单焊道轮廓内重叠区域面积A

根据公式（3）及A

（4）

(6) 熔覆层应与待修复基体熔合形成平整的表面，则图1中A

（5）

结合图1，联立求解A

（6）

（7）

式中，α为预制槽坡口角度。

L

L

h

h

(7) 再制造前先加工预制槽，预制槽深度为

（8）

式中，n为再制造焊道数量。

由此确保了焊道恰好能够平整的填充预制槽，使得再制造所得的熔覆层以及熔覆层与母材制件具有良好的平整度，即获得良好的成形质量。

实施例1

下面以30CrMo钢为例，具体来对本发明提供的基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法进行验证。

利用本发明基于CMT增材再制造的金属熔覆层成形质量优化方法来获取预制槽的宽度，具体包括：

(1) 以送丝速度V

表1 CMT再制造试验参数

(2) 采用线切割切取包含单焊道的试样，以单道焊宽度W、单道焊高度H作为评价成形质量的指标，测量每组试验所得焊道的高度、宽度，见表2，以及横截面轮廓形状。

表2 CMT再制造试验测量得到的单道焊宽度和高度

(3) 利用二元二次多项式拟合CMT的送丝速度V

（1）

（2）/>

即构建了单道焊宽度预测模型和单道焊高度预测模型。

为了检验所建立的单道焊宽度预测模型、单道焊高度预测模型的准确性，再次开展单道焊试验，试验条件与先前试验相同，所用工艺参数、对应的实测值、预测值，如表3所示。对比可知：试验的预测值和测量值吻合较好，最大相对误差为4.52%，这表明所建立的预测模型具有较高的预测精度，可用于单焊道高度、宽度的预测。

表3 验证试验的工艺参数及实测值、对应的预测值

（4）用单焊道横截面轮廓的圆弧方程对焊缝横截的轮廓进行拟合。

（5）以送丝速度为7m/min，焊接速度分别为6mm/s、7mm/s、8mm/s，按照焊道间距L的计算公式计算得到的焊道间距值分别为：7.68mm、7.36mm、7.01mm；利用所得的焊道间距L分别开展多道再制造试验。各熔覆层的波纹度分别是：0.51mm、0.38mm、0.32mm。可见，焊道间距L的计算公式是可行的。

以如下条件为例，对各参数进行验证：

送丝速度为7m/min、焊接速度分别为6mm/s、7mm/s、8mm/s，预制槽坡口角度α=30°，再制造焊道数量n=5。

按照W、H、R、L

表4 按照公式计算所得L

按照单焊道横截面轮廓的圆弧方程、单焊道高度H，单焊道宽度W，基于公式计算所得的L

表5 不同参数再制造各区域面积统计

由表5可以看出，各组参数所对应的面积A

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。