[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
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本發明公開了一種大尺寸異形不銹鋼管道及其高效增材制造裝置和方法，創新性的提出了采取TIG+MIG雙槍電弧增材工藝，選用表面纏裹一層不銹鋼薄板的中碳鋼管基體作為模芯，制備出長度不同的多段路直彎管，并在直管連接處預制坡口，坡口處進行激光深熔焊連接，從而得到性能優異的大尺寸異形不銹鋼管道。

技術領域

本發明涉及增材制造的技術領域，尤其是涉及一種大尺寸異形不銹鋼管道及其增材制造裝備和方法。

背景技術

鋼管是指具有空心截面，其長度遠大于直徑或周長的鋼材。按生產工藝分為無縫鋼管和焊接鋼管。無縫鋼管可用于各種行業的液體氣壓管道和氣體管道等。焊接管道可用于輸水管道、煤氣管道、暖氣管道、電器管道等。而大尺寸異形不銹鋼管道（此處“異形”并不是鋼管的截面形狀，而是指空間三維結構復雜），如圖1a和圖1b所示，屬于大型金屬零部件，傳統的制造方法主要有鍛造、鑄造、機械加工等，或使用鍛造、鑄造工藝將零件分段成形，再輔以焊接工藝或者機械連接成整個零件。但是，大型金屬零部件在鑄造過程中易產生疏松、縮孔、夾雜等缺陷；同時鍛造大型零件時存在鍛壓機噸位不足、模具加工費用過高等，再加上制造工序繁瑣、加工周期過長等問題，長期困擾著相關裝備的制造，已成為限制大型金屬管件制備行業進一步發展的瓶頸。特別是對于不銹鋼這樣的合金成分含量高的材料，在制備厚壁管件過程中，傳統成型工藝很容易造成組織不均勻等缺陷，而焊接工藝與成型工藝的巨大差別又會嚴重導致焊縫處組織性能的缺陷。

電弧增材制造技術（Wire and Arc Additive Manufacture, WAAM）以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構件，該技術主要基于TIG、MIG、SAW 等焊接技術發展而來，成形零件由全焊縫構成，化學成分均勻、致密度高，開放的成形環境對成形件尺寸無限制，成形速率可達幾 kg/h，材料利用率更高，成型效率高，設備成本低，對成型件的尺寸基本無限制，特別適用于大尺寸金屬復雜構件的低成本、高效快速近凈成形。電弧穩定、無飛濺的非熔化極氣體保護焊（TIG）和基于熔化極惰性/活性氣體保護焊（MIG/MAG）為目前主要使用的熱源提供方式。

發明內容

本發明的目的，即在于采用一種TIG+MIG復合焊的電弧增材制造技術制造大尺寸異形不銹鋼管道。

本發明提供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。

進一步優選的，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。

本發明同時提供一種采用上述的增材制造裝置實施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；