劉昊程 呂彥明 黃強 俞家豪

（江南大學機械工程學院，江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

電弧增材制造（wire are additive manufacturing,WAAM）技術是金屬增材制造的一種，其根據(jù)離散-堆積制造的成形思路，利用電弧將焊絲熔化，由線-面-體逐層堆積成形[1-2]。針對電弧增材成形過程劇烈和迅速的溫度演變的研究，主要集中在成形路徑[3]、工藝參數(shù)[4-5]等對成形件組織性能的影響[6-7]與成形形貌調控[8-9]方面。由于電弧的高溫會給成形件帶來熱應力及成形缺陷[10]，為減少缺陷生成，提高成形質量，僅通過傳統(tǒng)實驗進行研究效率低下，因此越來越多的學者選擇數(shù)值模擬的方法對增材成形的溫度場及應力場進行研究[11-13]。包括Y309L不銹鋼[14]、ER308不銹鋼[15]在內(nèi)，以往都有學者利用有限元分析軟件對其增材過程溫度場進行研究，但對于316L不銹鋼的多層累積成形過程溫度場的研究較少，且成形熱積累效應的緩解方法較為有限。

本文利用Ansys Workbench軟件模擬316L不銹鋼增材過程溫度場，得到固定熱輸入與變輸入條件下的成形過程溫度場結果。通過Apdl命令流實現(xiàn)模擬熱源的移動加載與焊道生成，實現(xiàn)了增材制造過程溫度場的動態(tài)仿真，為優(yōu)化電弧增材制造成形策略奠定了基礎。

1 電弧增材制造溫度特性理論

增材制造熱過程的熱量分布高度集中，且高能熱源時刻都在移動，增材后的部分隨即冷卻，因此增材過程溫度具有瞬時性、高度集中性和溫度梯度大的特點。電弧增材過程中電弧帶來的高溫是主要熱源，熱量傳播貫穿于 TIG 增材制造的整個階段，熱量既在熔覆層之間以熱傳導的方式進行傳播，又在表面和端部以對流和輻射的方式與成形環(huán)境自發(fā)進行。

2 建立有限元模型

2.1 模型建立與材料賦予

實驗采用非熔化極惰性氣體保護焊——TIG電弧增材制造技術，基于松下YC-315TC氬弧焊機、FANUC LR Mate200iD機器人、VMC600加工中心、WF007A 送絲機和保護器裝置等設備搭建增材系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)組成如圖1所示。實驗基板尺寸為150 mm×100 mm×12 mm，成形件尺寸為100 mm×8.6 mm×18.2 mm，累積成形10層。首層層高為2 mm，2～9層平均層高為1.8 mm。工藝參數(shù)為焊接電壓12 V、焊接電流120 A、焊接速度14 cm/min、送絲速度91 cm/min。層間等待時間10 s。幾何模型與增材成形件如圖2、圖3所示。

圖1 試驗系統(tǒng)裝置圖

圖2 幾何模型示意圖

圖3 增材成形圖

增材材料和基板材料均選用316L不銹鋼，熔點1 400 ℃，焊絲化學成分如表1。由于不銹鋼的熱物理性能會隨著溫度的變化而取不同的數(shù)值，因此需考慮到這些參數(shù)隨溫度的變化，以得到更準確地分析模型。利用Jmatpro軟件模擬計算出的熱物理參數(shù)與實際較為接近。通過定義材料隨溫度變化的焓來考慮相變潛熱，利用此材料模擬軟件計算焓值。由此，各熱物性能參數(shù)隨溫度變化的取值如圖4。

表1 不銹鋼316L化學成分含量 wt%

圖4 材料熱物參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時綜合考慮增材過程熱量集中加載在焊道上，因此將焊道的網(wǎng)格尺寸加密為1.8 mm。在遠離熔覆區(qū)域，由于此處的溫度變化平緩，故而為了保證計算的效率及收斂性，此處的網(wǎng)格劃分尺寸為7.2 mm。在焊道區(qū)域與遠離熔覆區(qū)域引入過渡網(wǎng)格，采用 1:2 過渡。共計74 142個節(jié)點，11 115個單元，劃分網(wǎng)格效果如圖5。劃分網(wǎng)格后對網(wǎng)格質量系數(shù)、雅可比系數(shù)和縱橫比等參數(shù)進行檢查，網(wǎng)格質量良好。

圖5 網(wǎng)格劃分結果示意圖

2.3 雙橢球熱源與生死單元

本文采用雙橢球熱源模型（double ellipsoidal heat source model，DEHSM）來模擬電弧熱量，雙橢球熱源模型如圖6。

圖6 雙橢球熱源模型示意圖

前半部分1/ 4橢球的熱流密度分布為

后半部分1/ 4橢球的熱流密度分布為

式中：c1為前半軸長度；c2為后半軸長度；a為半熔寬；b為熔深；Q為熱輸入有效功率；f1、f2為前后橢球能量分配系數(shù)，f1+f2=2，本模型中分別取值0.6、1.4。

實際增材過程中，受傳導、對流和輻射等熱傳導因素和增材條件等的影響，電弧的熱量并不能完全用來熔融焊縫金屬，總會有所損失，有效熱輸入

其中：η為熱源效率，電弧增材的熱源效率推薦取值范圍0.65～0.87，本模型中取0.75；U為焊接電壓，I為焊接電流。本模型中各參數(shù)取值如表2。

表2 雙橢球熱源參數(shù)

在進行電弧增材的熱過程分析時，將能量以熱流密度的形式施加到每一個節(jié)點，增材過程中，連續(xù)移動的熱源可以看成無數(shù)個瞬態(tài)熱源的疊加。因此，在APDL程序設計時，利用HGEN 函數(shù)完成對節(jié)點的熱流密度的加載，通過循環(huán)控制語句*DO、*ENDDO實現(xiàn)熱源沿增材方向的運動。每次加載一個時間步，依次在各點加載可模擬增材制造瞬態(tài)溫度場，算法流程見圖7所示。

圖7 APDL中熱源移動的實現(xiàn)

在電弧增材溫度場模型研究與分析中，材料添加前后的熱傳遞情況是不同的，因此要實現(xiàn)這樣一個逐步添加熔覆層材料的過程，需利用生死單元技術。采用Ansys自帶的Apdl命令流實現(xiàn)生死單元與移動熱源加載。在求解模塊中定義瞬態(tài)熱分析并殺死所有焊道單元。定義載荷步，逐個激活熱源所到之處的焊道單元，對激活的單元施加先前定義的熱源載荷進行計算。

2.4 邊界條件與求解設置

整個增材過程中，將環(huán)境初始溫度設置為22 ℃，邊界條件有焊件與基板表面的對流換熱與輻射散熱。調用Ansys Workbench中隨溫度變化的空氣自然對流換熱的表格。模型表面的散熱用輻射換熱系數(shù)來表征，經(jīng)800 ℃以上氧化的不銹鋼光滑表面的輻射系數(shù)ε取0.85。整個求解過程分加熱和冷卻兩個部分，求解設置時將最大時間步長設為0.2 s，在冷卻過程中適當增大時間步長，并打開自動時間步。

3 結果與分析

3.1 溫度場熱循環(huán)曲線驗證

通過多層累積電弧增材實驗對所建立的增材制造溫度場模型進行驗證，實驗過程中采用紅外熱成像儀Fluke Ti400對成形過程進行拍攝和記錄，完成后導入配套軟件SmartView進行采集標記點的溫度數(shù)據(jù)并整理為熱循環(huán)曲線的形式，與模擬得到的溫度場數(shù)據(jù)進行對比。由于成形過程中焊道上的熱量較為集中，需取基板上的點進行測溫。增材實驗開始之前在焊道中點距離焊道6.3 mm處做標記，在SmartView進行后處理時取此點為標記點，獲取標記點在增材制造全程的溫度數(shù)據(jù)，測量點位置如圖8所示。實際溫度與仿真溫度循環(huán)曲線如圖9所示。

圖8 測溫點位置示意圖

圖9 測量點的熱循環(huán)曲線

如圖9顯示，紅外熱像儀記錄的峰值溫度為1 021 ℃，利用所建立的溫度場模型計算得到的峰值溫度為1 041 ℃，誤差為2 %，且模擬得到的與實際測量的熱循環(huán)曲線趨勢基本一致。誤差產(chǎn)生的來源是仿真建模過程中的一些假設，且此誤差在允許范圍內(nèi)，因此，所建立的增材制造溫度場模型是可靠的。

3.2 增材過程溫度場結果

利用建立的溫度場模型，控制層間溫度在600 ℃以內(nèi)，改變逐層冷卻時間進行反復試驗性模擬，得到逐層冷卻時間為：13 s、33 s、56 s、70 s、80 s、90 s、100 s、110 s、120 s、130 s，最終得到第1、5、9層增材過程溫度場如圖10，由圖中可見，隨著成形層數(shù)的增加，熱影響區(qū)范圍不斷擴大，同樣熱輸入功率的熱源作用在每一層上的作用效果不盡相同。在熱輸入功率均為1 080 J時，隨著層數(shù)增高，增材溫度場最高溫度由2 354.9 ℃升至2 888.8 ℃。在保證超過焊絲熔點的情況下，相較熔點超出了1 488.8 ℃，存在能量多余損耗的現(xiàn)象。

圖10 固定輸入增材過程溫度場示意圖

第1、5、9層冷卻過程溫度場如圖11，經(jīng)過反復的試驗性模擬，確保層間溫度低于600 ℃。首層增材后冷卻過程散熱是最快的，經(jīng)過13 s的時間溫度下降至462.9 ℃；第5層和第9層焊后分別經(jīng)80 s、120 s冷卻后的溫度依次為591.8 ℃、575.5 ℃。由此可見，層數(shù)越高，所需冷卻時間越長。

圖11 冷卻過程溫度場示意圖

3.3 變輸入的增材溫度場模擬

由上述結果可知當在多層成形過程中采用相同的熱源輸入?yún)?shù)時，在增材第1、5、9層溫度場最高溫度為2 354.9 ℃、2 850.5 ℃和2 888.8 ℃，最高溫度呈逐層遞增的趨勢，且在最后一層升高至接近3 000 ℃。未展出的增材至第10層焊道中點時最高溫度為2 879.7 ℃，遠遠高于焊絲熔點，造成了一定程度的熱量積累。基于相同熱輸入下逐層溫度場模型的溫度分布特點，優(yōu)化熱輸入?yún)?shù)。由于層數(shù)越高，其成形過程散熱條件越差，因此通過改變逐層熱輸入以優(yōu)化增材過程溫度場。

延用前文的逐層層間冷卻時間的情況下，優(yōu)化后基板上測溫點溫度曲線與定輸入時溫度曲線的對比如圖12，模擬1表示焊接電流固定為120 A時，增材10層的溫度曲線圖，模擬2表示按照120 A、118 A和116 A遞減的焊接電流時，增材10層的溫度曲線圖。由圖可見，在整個成形過程中，測溫點處最高溫度在焊至第2層時出現(xiàn)，定輸入與變輸入的最高溫度分別為850.3 ℃和842.1 ℃。第5～10層溫度下降更為明顯，焊至第8層時測溫點處的最高溫度由680.8 ℃下降至640.2 ℃，溫度下降了6 %；焊至第10層時測溫點處的最高溫度由633.3 ℃下降至584.9 ℃，溫度下降了7.6 %，說明后續(xù)累積成形過程對基板的熱量傳遞減少，即一定程度上避免了增材過程熱量輸入的浪費，減小了熱量損耗。

圖12 固定輸入與變輸入條件溫度曲線

優(yōu)化輸入后第5、9層增材過程溫度場如圖13，當熱源行至焊道中點時，隨著層數(shù)的增加溫度有所升高，但低于固定輸入時的溫度。由圖中可見，第5層焊至焊道中點時刻最高溫度為2 704.5 ℃；第9層焊至焊道中點時刻最高溫度為2 590.9 ℃。平均相較定輸入下降了10 %。由此可見，逐層減小熱輸入可以很大程度上達到減小熱量損耗的目的。

圖13 變輸入下增材過程溫度場示意圖

通過模擬增材10層的制造過程溫度場，從模擬得到的溫度結果數(shù)據(jù)中提取焊道中點的溫度，分別得到第1、5、9層中點處的溫度在整個增材制造過程中的熱循環(huán)曲線，如圖14。每一層中點的溫度極大值逐漸降低，逐層增加的冷卻時間也使溫度極小值穩(wěn)定在500～600 ℃。縱觀定輸入與變輸入的熱循環(huán)曲線，變輸入條件下每層溫度極大值均有所降低。第1層中點經(jīng)歷9個熱循環(huán)，其溫度極大值下降幅度在26.5～80.73 ℃；第5層中點經(jīng)歷5個熱循環(huán)，溫度極大值下降幅度在134.1～174.3 ℃；第9層中點經(jīng)歷1個熱循環(huán)，其溫度極大值下降了297.8 ℃。由此可見，減小熱輸入對降低逐層熱量積累的作用隨著層數(shù)增高，其效果越明顯。

圖14 成形層中點熱循環(huán)曲線

4 結語

（1）利用建立的增材過程溫度場模型，模擬得到了固定輸入條件下增材成形過程溫度場與冷卻過程溫度場。相同熱輸入下，增材第1層至第10層，增材過程最高溫度由2 354.9 ℃升高到2 879.7 ℃。

（2）熱輸入相同時，通過控制層間冷卻時間使得層間溫度低于600 ℃，與固定冷卻時間10 s相比，測溫點處最高溫度由1 041 ℃下降到850.3 ℃。

（3）在增材過程中存在逐層的熱積累效應，通過逐層改變輸入?yún)?shù)可有效緩解熱積累效應。保持焊接速度不變，減小焊接電流，成形件頂層增材過程最高溫度下降超過10 %。