[發明專利]大尺寸異形不銹鋼管道及其高效增材制造裝置和方法

在審

• 申請號: 202210126952.2
• 申請日: 2022-02-11
• 公開（公告）號: CN114515886A
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 北京煜鼎增材制造研究院有限公司
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/167;B23K9/173;B23K26/34;B23K26/348
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種大尺寸異形不銹鋼管道的高效增材制造裝置，其特征在于：所述增材制造裝置包括，加工臺，機械臺，由中碳鋼管基體和纏裹在中碳鋼管基體表面的不銹鋼薄板組成的模芯，TIG焊槍，MIG焊槍，激光加工頭；其中，

所述加工臺包括轉位盤和頂盤，所述轉位盤和頂盤對所述中碳鋼管基體的兩端進行夾持；所述中碳鋼管基體的兩端具有密閉端面，兩個所述密閉端面上分別設置有用于冷卻介質進出的通油孔；

所述機械臺包括導軌，所述導軌上設置有機械臂，所述TIG焊槍、MIG焊槍和激光加工頭可拆卸地安裝于所述機械臂上；

所述MIG焊槍的槍口處設置有電弧約束器，所述電弧約束器包括自槍口處向外延伸的由環形內壁、環形外壁和環形空腔所形成的約束噴嘴以及纏繞在所述約束噴嘴的環形外壁的導線；所述環形外壁上設置有用于將冷卻介質導入導出環形空腔的進水口和出水口。

2.根據權利要求1所述的大尺寸異形不銹鋼管道的高效增材制造裝置，所述中碳鋼管基體的內徑為100-1000mm，壁厚為0.25~20mm；所述不銹鋼薄板的厚度為0.25~10mm；所述不銹鋼薄板自所述中碳鋼管基體的兩個端面各自延伸10~20mm。

3.一種采用權利要求1或2所述的大尺寸異形不銹鋼管道的高效增材制造裝置實施的大尺寸異形不銹鋼管道的增材制造方法，其特征在于包括以下步驟：

1）根據所述大尺寸異形不銹鋼管道設計出電弧增材制造的至少兩端為直管的多段設計管，所述多段設計管在各自直管的端口處相互拼接以形成所述大尺寸異形不銹鋼管道；

2）選取所述多段設計管中的一個作為目標管開始進行TIG+MIG復合焊電弧增材制造，具體是，先選取外表面形狀與該設計管內壁形狀一致的模芯，并將所述模芯的中碳鋼管基體夾持于所述轉位盤和頂盤之間；利用機械臂將TIG焊槍和MIG焊槍調整至與中碳鋼管基體上表面垂直后，起弧沿所述中碳鋼管基體的軸線方向掃描；待所述中碳鋼管基體表面沉積層高度達到該設計管壁厚、增材寬度為10~100mm、增材長度為10~100mm時，停止起弧，保持焊槍不動轉動轉位盤5~10°；然后重新起弧重復前述TIG+MIG復合焊電弧增材制造，直至轉位盤轉過一周后以形成了一圈不銹鋼管；隨后，沿所述中碳鋼管基體的軸線方向移動雙槍，重復前述TIG+MIG復合焊電弧增材制造，直至形成完整的所述目標管；

3）選取所述多段設計管中的下一個，重復步驟2）以形成完整的另一個目標管；如此，直至完成所有目標管的TIG+MIG復合焊電弧增材制造；

4）在所有所述目標管的兩端直管連接處預制V形坡口，將彼此需要拼接的直管連接處放置好后，利用機械臂將激光加工頭調整至與直管上表面垂直，將激光加工頭移動至坡口處進行增材制造，并根據需要轉動坡口兩側的目標管直至坡口處形成多層相互融合的完整焊縫以完成激光深熔焊；當所有所述目標管都被彼此焊接后，完成所述大尺寸異形不銹鋼管道的增材制造。

4.根據權利要求3所述的大尺寸異形不銹鋼管道的增材制造方法，其特征在于，步驟2）中，在成形所述目標管的兩端直管連接處時，沉積壁厚比該設計管壁厚厚10~100mm，以便于后續坡口加工。

5.根據權利要求3所述的大尺寸異形不銹鋼管道的增材制造方法，其特征在于，步驟2）中，將所述模芯的中碳鋼管基體夾持于所述轉位盤和頂盤之間后，通過通油孔向中碳鋼管基體內通入冷卻介質；同時，也向約束噴嘴的環形空腔內導入冷卻介質。

6.根據權利要求3所述的大尺寸異形不銹鋼管道的增材制造方法，其特征在于，步驟2）中，TIG焊槍距離熔池表面的高度h₁為5~10mm，MIG焊槍距離熔池表面的高度h₂為6~15mm，MIG焊槍與豎直方向的夾角θ為30-70°，TIG的鎢極與MIG的焊絲之間的距離L為10~50mm。

7.根據權利要求3所述的大尺寸異形不銹鋼管道的增材制造方法，其特征在于，步驟2）中，TIG輸入電流200~500A，MIG輸入電流為300~600A，送絲速率為3~20m/min。