；
[0039] 送粉送氣通道分別開有送氣口 1與送粉口 2;
[0040] 螺旋氣粉罩3的內壁開有螺旋氣粉槽4。
[0041] 螺旋氣粉槽4的結構為變螺線-變螺距-變截面結構，所述的螺旋氣粉槽4為半圓 槽，槽直徑為2mm~7mm，自頂而下梯度減小;螺旋升角在0°~60°區間自頂而下梯度減小，所 述的螺旋氣粉槽4采用耐熱材料SiC陶瓷制造。
[0042] 送粉口 1和送氣口 2上分別裝有送粉調速器和氣體流量計。
[0043] 所述的螺旋氣粉罩3的氣粉出口呈縮頸狀，且縮頸面的延長線指向電弧中屯、。
[0044] 所述的烙化極氣體保護焊槍5用耐熱材料SiC陶瓷制造，所述的烙化極氣體保護焊 槍5外壁加工的螺紋長度至少為其直徑的兩倍。
[0045] 本發明采用氮弧送絲增材制造的方法進行設定層高氮鋼的堆焊成形，同時利用氮 氣送粉向烙池中添加氮化物合金粉末。通過控制3D打印的參數匹配，可獲得不同氮含量的 高氮鋼打印層。每層堆焊完成時，焊槍提高一個層厚，重復堆焊獲得高氮鋼制品。采用氮化 物合金粉末與普通鋼焊絲同步同軸添粉送絲的方式，實現在常壓下利用普通鋼焊絲-氮化 物合金粉末-氮弧復合技術3D打印高氮鋼制品。
[0046] 增氮原理為，一方面，填充絲材在氮弧中燃燒并烙化，形成烙滴，氮弧中的氮進入 烙滴，致使烙滴中氮含量增加，同時氮弧中氮分壓較高，可W控制烙池已烙入氮的逸出；另 一方面，氮化物合金粉末在氮弧中加熱后烙入烙滴，進一步提高了烙滴的氮含量。氮化物合 金粉末除氮化物外，還配有其他合金元素，如Mn、Cr、Mo等元素，W確保氮W原子形式固溶在 局氮鋼中。
[0047] 實施例1
[0048] 利用上述裝置，采用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法制備高氮鋼構件，其 尺寸為100mm X 100mm X 40mm，由20層堆焊層構成，每層高為2mm，每層焊縫由7道焊縫組成。
[0049] 采用本發明所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法，其具體步驟為：
[0050] 步驟1，通過目標高氮鋼制品的目標合金成分，確定鐵元素含量WFe%;選擇低碳鋼 焊絲作為送絲原料；
[0051] 根據目標高氮鋼制品的目標合金成分，確定所需的作為送粉原料的氮化物合金粉 末中合金元素 i的含量Wif %比，經修正關系式Wif修正％ a Wif % X (1+μL+ξ)修正后得到粉末 中合金元素[i]含量的修正值Wif修正％，并配制氮化物合金粉末；其中μL為燒損系數，μL = 0.2 %~5 %，ξ為散射飛瓣損失系數，ξ = 2 %~8 % ;
[0052] 氮化物合金粉末原料包括:氮化銘粉末、氮化儘粉末、銘粉、金屬儘粉、鋼粉。目標 高氮鋼的成分要求如表1所示。選用冊8Mn2Si焊絲，其化學成分要求如表2所示。
[0化3] 當粉末按CrN:MnN:C;r:Mn:Mo = 4:4:18.85:11.8:1.5時，滿足目標產品合金元素成 分含量比。根據修正關系式Wif修正％ a Wif % X (1+μL+ξ)，修正得到原料粉末的配方為:化N: MnN:C;r:Mn:Mo = 4:4:19:12:1.5時，與鋼焊絲配合使用可W打印出高氮鋼制品，且高氮鋼制 品的成分為 N: 1.66%, Μη: 15%, Cr: 22%, Mo: 1.5%,余量為鐵。
[0054]表1目標高氮鋼的化學成分要求（％ )
[0化5]
[0058] 步驟2,根據目標高氮鋼除鐵元素之外的合金元素 i的含量Wi%與鐵元素含量的關 系式
^得到所有合金元素與鐵元素的成分比α:β * 2: 3,確定送入烙池 的合金粉末質量與焊絲的質量比為2:3，進入烙池中的粉末質量mm= Vf X Δ t，進入烙池的 焊絲質量
，其中Vf為添粉速率，單位為g/min; Vs為送絲速率，單位為m/ min;d為焊絲直徑，單位為m;p為焊絲密度，單位為g/m3; Δ t為時間，單位為min。
[0059] 步驟3,根據公式
，確定送粉速率Vf與送 絲速率Vs參數匹配關系
，得簡化公式Vf:化X Vs)= α: β;焊絲的密度P = 7.85g/cm3，直徑d= 1.6mm，代入計算得Κ= 15.78g/m。
[0060] 步驟4，選取送絲速率Vs為5m/min;再通過公式Vf:化X Vs) = α:β，得出送粉速率Vf = 52.6g/min；
[0061] 步驟5,啟動氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，在氣粉同軸傳送裝置上調節 送粉速率為Vf、送氮氣速率為V氣1，設定烙化極氣體保護焊槍的送絲速率為Vs，調節烙化極 氣體保護焊槍的保護氣速率為V氣2,兩處氣體的送氣速率均為lOL/min~20L/min。氮化物合 金粉末用100 %的氮氣傳送。氮弧為氮氣氛圍下的電弧，其中氮氣參有5%~10%的Ar，W確 保電弧能夠順利引弧和穩定燃燒。并進行焊接；
[0062] 步驟6，根據目標高氮鋼制品形狀尺寸確定3D打印路線，焊接速率V取58.3cm/min。 進行堆焊，每一層堆焊完時，將焊槍提高一個層厚，重復堆焊過程，最終由20層高氮鋼層疊 加形成高氮鋼制品。在高氮鋼3D打印制品完成結束焊接時，需先停止送絲添粉，然后再停止 送氣，W防止發生粉塵爆炸。
【主權項】
1. 一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，其特征在于，包括： 一熔化極氣體保護焊槍(5); 一氣粉同軸傳送裝置，其內設有與熔化極氣體保護焊槍(5)同軸的螺旋氣粉罩(3)，螺 旋氣粉罩(3)內開有與熔化極氣體保護焊槍(5)緊固連接的螺紋； 氣粉同軸傳送裝置內、螺旋氣粉罩(3)外設有與螺旋氣粉罩(3)外壁相切的送粉送氣通 道； 所述的送粉送氣通道分別開有送氣口（ 1)與送粉口（ 2); 所述的螺旋氣粉罩(3)的內壁開有螺旋氣粉槽(4)。2. 根據權利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，其特征在于，所 述的螺旋氣粉槽(4)的結構為變螺線-變螺距-變截面結構，所述的螺旋氣粉槽(4)為半圓 槽，槽直徑為2mm~8mm，自頂部至底部梯度減小；螺旋升角為0°~60°，所述的螺旋氣粉罩 (3)采用耐熱材料SiC陶瓷制造。3. 根據權利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，其特征在于，所 述的送粉口（ 1)和送氣口（ 2)上分別裝有送粉調速器和氣體流量計。4. 根據權利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，其特征在于，所 述的螺旋氣粉罩(3)的氣粉出口呈縮頸狀，且縮頸面的延長線指向電弧中心。5. 根據權利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，其特征在于，所 述的熔化極氣體保護焊槍(5)噴嘴耐熱材料SiC陶瓷制造，所述的熔化極氣體保護焊槍(5) 外壁加工的螺紋長度至少為其直徑的兩倍。
【專利摘要】本發明提供了一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置及其方法，實現了常壓下采用氮弧送絲增材制造的方法進行設定層高氮鋼的堆焊成形，同時利用氮氣送粉向熔池中添加氮化物合金粉末。同軸螺旋氣粉罩內壁鏜有螺旋氣粉槽，氮化物合金粉末在焊槍口形成旋轉氣粉流，減小了氮化物合金粉末流出槍口時散射造成的損失，同時保證了氮化物合金粉末與焊絲端部的熔滴充分冶金熔煉后進入熔池。通過控制3D打印的參數匹配，可獲得不同氮含量的高氮鋼打印層。采用氮化物合金粉末與焊絲同步同軸添粉送絲的方式，實現在常壓下利用普通鋼焊絲-氮化物合金粉末-氮弧復合技術3D打印高氮鋼制品。
【IPC分類】B23K9/28, B23K9/173, B23K9/32, B23K9/04
【公開號】CN105522264
【申請號】CN201610005989
【發明人】周琦, 孔見, 王克鴻, 周春東, 朱軍, 彭勇, 孫宏宇, 蔡雅君
【申請人】江蘇爍石焊接科技有限公司
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2016年1月6日