楊羅揚(yáng)，王克鴻，馬馮生

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)是一種借助三維CAD/CAM設(shè)計(jì)，采用“自下而上”的方式，將材料逐漸累加直接制造零件的技術(shù)[1]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已制定了發(fā)展增材制造技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃，增材制造技術(shù)正在成為發(fā)達(dá)國(guó)家振興制造業(yè)，提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要方式，受到各國(guó)政府及科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[2]。2015年3月5日，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提出“中國(guó)制造2025”，將增材制造納入制造業(yè)創(chuàng)新建設(shè)工程， 并為我國(guó)未來(lái)30 年制造業(yè)規(guī)劃了路線圖，以10年為一步，確立了三步走的戰(zhàn)略目標(biāo)，力爭(zhēng)在2045年時(shí)我國(guó)制造業(yè)在全球具有自主創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于金屬增材制造的研究重點(diǎn)還集中在激光、電子束等高能束流增材制造技術(shù)。由于電弧增材制造技術(shù)具有熔覆效率高、填充金屬利用率高，整體成型周期短、成本低[3]等優(yōu)點(diǎn)，電弧增材制造技術(shù)將成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。針對(duì)奧氏體不銹鋼在采用弧焊增材制造成型過(guò)程中容易出現(xiàn)熱裂紋，變形及晶間腐蝕等影響性能的問(wèn)題[4]，本文采用一種熱輸入很小的弧焊方法，即冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer，CMT)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于CMT增材制造過(guò)程中的溫度及應(yīng)力分布還鮮有報(bào)道，而溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)是產(chǎn)生裂紋及變形的主要因素。減小溫度分布的不均勻性是降低殘余應(yīng)力，得到性能良好的成型結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵。

本文采用專業(yè)的焊接模擬軟件SYSWELD建立了不銹鋼CMT增材制造過(guò)程中的有限元模型，對(duì)比了3種增材制造方式下的溫度場(chǎng)，并對(duì)溫度場(chǎng)分析對(duì)比確定最佳的成型路徑。3種常用弧焊增材制造路徑如圖1所示。

圖1 3種不同方式的CMT增材制造路徑

通過(guò)對(duì)增材制造溫度場(chǎng)模擬可知，采用間隔10s增材制造時(shí)，層間最高溫度約為200℃～300℃，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)脆性相影響成型件的抗裂能力，且可以對(duì)后續(xù)熔覆層進(jìn)行預(yù)熱作用。

1 CMT增材制造有限元模型的建立

1.1 材料庫(kù)的建立

本實(shí)驗(yàn)選用的基板材料為SUS304不銹鋼，熔覆材料為ER308不銹鋼，其熱物理性能參數(shù)如表1及表2所示。

表1 SUS 304不銹鋼基板熱物理性能

表2 ER308熔敷材料熱物理性能

1.2 增材制造熱源模型

根據(jù)實(shí)際增材制造時(shí)的熔池形態(tài)，選用雙橢球熱源模型[5]。其熱源形態(tài)如圖2所示。

圖2 雙橢球熱源形態(tài)

雙橢球熱源前1/4橢球熱流密度函數(shù)為：

exp(-3y2/b2)exp(-3z2/c2)

(1)

雙橢球熱源后1/4橢球熱流密度函數(shù)為：

exp(-3y2/b2)exp(-3z2/c2)

(2)

其中:af表示前1/4橢球長(zhǎng)半軸，ar為后1/4橢球長(zhǎng)半軸，b為前后橢球短半軸，c為熔池深度，fr+ff=2。雙橢球熱源參數(shù)如表3所示。

表3 雙橢球熱源參數(shù)

1.3 CMT增材制造三維模型建立

建立的有限元模型如圖3所示。其中基板尺寸為200mm×200mm×5.5mm，熔覆層長(zhǎng)度為100mm，寬度4mm，每一熔覆層的厚度約為1.5mm。

圖3 增材制造有限元模型

1.4 熱源模型熱循環(huán)曲線驗(yàn)證

文中的3種增材制造路徑中，由于控制層間溫度時(shí)，直壁件經(jīng)歷的熱循環(huán)過(guò)程最為復(fù)雜，選取S形間隔10s增材制造時(shí)，進(jìn)行熱循環(huán)曲線驗(yàn)證。選取第二、第三、第四熔覆層中的特征點(diǎn)在開始熔覆第五層時(shí)用熱電偶測(cè)量溫度，并與實(shí)際模擬溫度對(duì)比。特征點(diǎn)的選取位置如圖4，結(jié)果如圖5所示。

圖4 特征點(diǎn)選取位置

圖5 特征點(diǎn)處熱循環(huán)曲線模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線與實(shí)際測(cè)量的值基本吻合。在峰值溫度時(shí)出現(xiàn)最大偏差，其中第四層模擬時(shí)偏差最大，峰值溫度偏差約為10%，其他兩層焊縫峰值溫度偏差較小，都在10%以內(nèi)，且模擬熱循環(huán)曲線與實(shí)際測(cè)量熱循環(huán)曲線走勢(shì)基本吻合。分析認(rèn)為由于模擬建模過(guò)程中存在各種假設(shè)以及測(cè)量位置不能做到完全精確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果有許少誤差，但在可以接受的范圍內(nèi)，認(rèn)為此模型能夠較好反應(yīng)不銹鋼CMT增材制造過(guò)程中的溫度變化，具有一定的科學(xué)性。(因本刊系黑白印刷文中插圖中曲線無(wú)法辨別，有疑問(wèn)可咨詢作者。)

2 CMT增材制造溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

2.1 不同熔覆層熱循環(huán)過(guò)程對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中分別選取3種成型路徑下第一層熔覆層，第二層熔覆層及第三層熔覆層表面中心為特征點(diǎn)，其熱循環(huán)過(guò)程如圖6所示。

圖6 熔覆層中間部位熱循環(huán)過(guò)程

從圖6中可以看出，每一層熔覆層在第一次熔覆時(shí)出現(xiàn)出現(xiàn)峰值溫度，熔覆層數(shù)不斷增加，每一層的峰值溫度逐漸增大。熔覆成型直壁中間處最低溫度不斷上升，當(dāng)?shù)谒膶尤鄹餐瓿珊?，其最低溫度趨于穩(wěn)定。不同的是，在間隔時(shí)間條件下，其穩(wěn)定值約為200℃。而其他兩種成型方式，其穩(wěn)定值約為300℃。因此得出結(jié)論，基板對(duì)熔覆層散熱的影響只與熱源距基板的距離有關(guān)，與采用的增材制造方式無(wú)關(guān)，控制層間溫度可以獲得較低的穩(wěn)定溫度。

2.2 熔覆層不同位置熱循環(huán)過(guò)程對(duì)比

圖7分別列出3種不同增材制造路徑下第二層不同位置的熱循環(huán)曲線。

圖7 第二熔覆層不同位置溫度對(duì)比

從圖7中可以看出，同向增材制造時(shí)，熔覆層各位置熱循環(huán)過(guò)程相同，此時(shí)溫度分布最為均勻。S形增材制造時(shí)不同位置溫度變化較為復(fù)雜，且先熔覆位置比后熔覆位置峰值溫度要高，這將導(dǎo)致越靠近兩端溫度梯度越大。圖8中繪制出熔覆層不同位置穩(wěn)定后的溫度對(duì)比，從圖8中可以看出同向增材制造時(shí)，由于各個(gè)位置熱循環(huán)變化相同，其穩(wěn)定后的溫度各位置相同，約為300 ℃；S形增材制造時(shí)，兩邊的穩(wěn)定溫度要低于中間部位溫度，且S形連續(xù)增材制造時(shí)變化較為明顯，其中間溫度約為300 ℃，兩邊最低溫度為250 ℃；采用連續(xù)間隔時(shí)間增材制造時(shí)中間溫度為200 ℃，兩邊溫度約為180 ℃，可見增加間隔時(shí)間可以減小中間與兩邊的溫度差。

圖8 3種不同增材制造路徑熔覆層不同位置穩(wěn)定后的最低溫度對(duì)比

由于308不銹鋼是典型的奧氏體不銹鋼，其中冷卻過(guò)程中敏感化溫度區(qū)間為450℃～850℃，在此溫度區(qū)間停留時(shí)，容易形成導(dǎo)致晶間腐蝕的相Cr23C6和Fe23C6[6]。當(dāng)增材制造到多層時(shí)，此時(shí)底層的溫度穩(wěn)定到了最低溫度，相當(dāng)于在此溫度區(qū)間進(jìn)行回火處理，顯然3種增材制造成型路徑得到的最低溫度均在敏感化溫度以下，得到的成型直壁件都不會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕等問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

基板對(duì)前四層熔覆層的冷卻速率影響較大，且基板能夠影響的層數(shù)與增材制造方式無(wú)關(guān)；熔覆層的溫度在其上熔覆一定層數(shù)后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的溫度在奧氏體不銹鋼敏感化溫度區(qū)間以下，且控制層間溫度可以獲得較小的穩(wěn)定溫度值；CMT在連續(xù)熔覆時(shí)熱累積作用不明顯。因此，在采用CMT進(jìn)行不銹鋼增材制造時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間、提高效率可采用連續(xù)增材制造的方式。