本發明屬于焊接領域，尤其涉及一種水下局部干法低應力預構型電弧增材制造方法。

背景技術：

1、近年來，隨著經濟的快速發展，人們對海洋資源的和海洋空間的需求逐漸增加，海洋中蘊藏著大量的礦產資源、能源資源和生物資源。因此，海洋資源的開發已經成為了各國爭相追逐的重要領域。隨著深海資源勘探技術的開發，跨海大橋、軍用艦艇、深海輸油管線等等海洋工程裝備的建造逐年增加，由于海洋工程裝備的服役環境惡劣，極容易發生損壞。特別是在水下的設備構件，損傷后的更換非常困難。因此，開展海洋工程裝備水下應急搶修，即對受損部件的水下原位增材修復，盡快恢復受損結構的幾何尺寸和綜合性能是提高海工裝備服役壽命的重要手段。

2、水下焊接有干法、局部干法和濕法三種。其中局部干法水下焊接是用氣體將焊接位置的水人為地排開，形成一個較小的局部干燥區域，使電弧可以穩定燃燒，焊接質量較高，且不需要制作像干法水下焊接中使用的復雜的排水氣室等設備，操作相對簡單，可以說局部干法水下焊接集中了濕法焊接和干法焊接的優點，操作相對簡單，適應性更強。電弧增材制造技術是以電弧為熱源熔化合金絲材，按照預定的掃描路徑逐步堆積出較為復雜的增材結構件，相對于其他增材方式，電弧增材具有生產效率高大，材料利用率高，制造成本低等特點，是一種應用前景良好的增材技術。金屬材料在電弧增材的修復過程中會經歷復雜的熱過程和冶金過程，增材體與母材間會存在較大的殘余應力，容易造成增材體發生開裂剝落，而水下的高濕度，高冷速環境下，使得上述問題進一步加劇。而且，當增材修復位置的失效幾何形狀較為復雜時，由于增材層層疊加的熱累積，增材過程金屬液流淌導致成形精度差，因此電弧增材需要堆積大量的增材金屬來填補失效位置的缺失金屬，這不僅影響了增材制造的精度和質量，而且需要進行較多的后續加工，造成材料的浪費。

3、目前，通常采用高頻振動、感應加熱和磁場等方法來減小或者優化殘余應力分布。中國專利cn112322888a“基于對稱高頻振動增材復合制造應力在線消減方法與裝置”提出了通過在基體與增材制造工件連接處設置四個高頻振動振源，進而調控殘余應力消減效果應力消減效果，從而實現大型薄壁件復合增材制造應力的在線消減。中國專利cn116275378a“一種電弧增材隨行熱處理裝置及工藝方法”提出在在成形過程中通過隨行熱處理裝置對溫度場和應力場進行控制，以消除增材工件中由于電弧增材過程反復冷卻加熱導致的部分應力。中國專利cn113798632a“一種電弧熔絲增材制造的成形方法”提出調整橫向磁場的磁場強度，優化殘余應力分布，減小或消除微氣孔缺陷，促進熔池散熱，細化焊縫組織，抑制元素偏析，綜合提升電弧增材構件的力學性能和耐腐蝕性能。

4、但上述提到的技術中，設備機構比較復雜，且成本較高，而且也不會改善電弧增材過程中的增材精度和變形情況，在水下局部干法的電弧增材中很難適用。因此，采用局部干法電弧增材修復水下幾何形狀復雜的結構時，如何消除或減小增材應力，提高增材修復精度和增材體性能，減小后續加工量，是保障水下增材修復效果的關鍵。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服上述問題和不足而提供一種保證增材修復微區幾何尺寸精度、支撐預制結構具有一定的伸縮性，可以發生塑性變形來降低增材過程中的殘余應力的水下局部干法低應力預構型電弧增材制造方法。

2、本發明目的是這樣實現的：

3、一種水下局部干法低應力預構型電弧增材制造方法，包括以下步驟：

4、1)采用排水罩將增材區與周圍的水隔離開，并將排水罩內的水排出后，向排水氣罩內通入氬氣作為保護氣體；

5、2)采用高精度的三維掃描裝置對失效受損位置進行掃描，將掃描數據進行建模，提取失效受損的三維數據；

6、3)根據失效受損的三維數據制造支撐預制結構，支撐預制結構是由多條預制結構絲材在平面內交叉點焊組成的網狀結構，預制結構絲材的直徑為1.2mm～4.0mm；電弧增材過程中，支撐預制結構在熔敷沉積金屬中起到了類似“骨架”的作用，增材熔敷金屬的路徑與支撐預制結構的輪廓相適應，保證了增材修復微區的幾何尺寸精度，減少了后續機加工的加工量，提高了材料利用率。菱形的支撐預制結構具有一定的伸縮性，增材熔敷金屬與基體之間產生的熱應力和熔敷金屬在冷卻收縮過程中所形成的應力會導致支撐預制結構產生塑性變形，在一定程度上降低了增材應力；

7、優選，步驟3)中網狀結構的網孔為菱形，菱形的夾角α＝30°～120°，邊長b＝10～50mm；

8、4)將支撐預制結構置于設定位置后，采用電弧增材焊槍將支撐預制結構與基體進行點焊，使其固定在基體上；根據失效受損的三維數據確定填充增材絲材的路徑規劃；填充增材絲材直徑為0.8mm～1.2mm，填充增材的增材工藝參數：電流為60～350a，電壓為10～35v，移動速度為5～20mm/s，增材保護氣為80％～90％氬氣+10％～20％二氧化碳；優選，路徑規劃為往復交錯式堆積方式。

9、電弧增材過程中的沉積金屬填充至失效受損部位，使支撐預制結構被沉積金屬包覆，支撐預制結構與沉積金屬實現良好的冶金結合，但仍保留支撐預制結構中的絲材固相結構，即起到了類似“骨架”的作用。

10、在增材過程中可以根據實際情況，優選添加≥1層支撐預制結構，支撐預制結構的絲材與沉積金屬形成良好的冶金結合。增材熔敷金屬的路徑與支撐預制結構的輪廓相適應，保證了增材修復微區的幾何尺寸精度，減少了后續機加工的加工量，提高了材料利用率。

11、優選，支撐預制結構絲材其化學成分質量百分比計如下：c:0.03％～0.1％，si:0.3％～1.2％，mn:0.6％～1.5％，s≤0.025％，p≤0.025％，cu:0.1％～0.5％，cr:0.2％～0.5％，ni:1.0％～5.0％，mo:0.3％～0.8％，v:0.05％～0.15％，ti:0.02％～0.1％，余量為fe及不可避免雜質。

12、支撐預制結構絲材成分設計理由：

13、c含量保證熔敷金屬具有較高的強度，c含量高于0.2％會嚴重惡化熔敷金屬的焊接性，而c含量低于0.03％將不能保證熔敷金屬的強度要求。熔敷金屬保證一定c含量，并配一定的cr、mo比例可保證熔敷金屬在后續受熱過程中析出細小的m2c型碳化物，起到二次強化的目的；綜合考慮后，本發明優選c含量為0.03％～0.1％；mo：0.3％～0.8％，cr：0.2％～0.5％。

14、采用si和mn聯合脫氧，達到良好的脫氧效果。為了保證熔敷金屬的脫氧效果，si含量不小于0.3％，mn含量不小于0.6％，但si、mn含量過高，會引起焊縫的固溶硬化和二次相數增多而導致焊縫變脆，本發明優選si含量為0.3％～1.2％；mn含量為0.6％～1.5％，熔敷金屬可獲得良好的綜合性能。

15、ni含量可以提高鋼的淬透性，降低熔敷金屬的韌脆性轉變溫度和解理斷裂傾向，提高熔敷金屬的韌性；添加ni能提高熔敷金屬的強度而不顯著降低其韌性，綜合其他元素考慮后，本發明優選ni含量為1.0％～5.0％。

16、微量的ti在增材過程中易形成tio夾雜物，促進奧氏體晶粒內的形核，有利于改善熔敷金屬的韌性。ti大于0.12％，會促進焊縫組織形成貝氏體和m-a組元等硬質相，惡化熔敷金屬的韌性。綜合其他元素考慮后，本發明優選ti含量為0.02％～0.1％。

17、進一步；優選；電弧增材制造的絲材與支撐預制結構絲材采用相同成分的材料。

18、5)按照電弧增材的路徑完成增材工作后，采用加工刀具按照失效位置建模后的幾何尺寸規劃切除路徑進行機械加工，保證修復受損結構的幾何形狀和尺寸滿足要求。

19、應用水下局部干法低應力預構型電弧增材制造方法制作形成的熔敷金屬抗拉強度大于≥500mpa，延伸率≥20％，-20℃下的沖擊功≥80j(kv2)，-40℃下的沖擊功≥80j(kv2)殘余應力≤80mpa。

20、本發明的有益效果在于：

21、(1)電弧增材過程中，支撐預制結構在熔敷沉積金屬中起到了類似“骨架”的作用，增材熔敷金屬的路徑與支撐預制結構的輪廓相適應，保證了增材修復微區的幾何尺寸精度，減少了后續機加工的加工量，提高了材料利用率。

22、(2)電弧增材過程中，支撐預制結構具有一定的伸縮性，增材熔敷金屬與基體之間產生的熱應力和熔敷金屬在冷卻收縮過程中所形成的應力會導致支撐預制結構產生塑性變形，在一定程度上降低了增材應力。

23、(3)電弧增材過程中，支撐預制結構的加入可以減少增材熔敷金屬的沉積量，提高了增材效率。

24、(4)電弧增材過程中，支撐預制結構的加入會改變增材沉積層金屬枝晶的生長方向，降低強織構的形成，改善元素偏析，提高力學性能。