邸艷艷，胡仁志，熊逸博，鄭志鎮(zhèn)，李建軍

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074

0 前言

電弧增材制造技術（wire and arc additivemanu‐facturing，WAAM）是利用電弧作為熱源，采用金屬絲作為原料，根據三維實體建立CAD模型實現(xiàn)了近凈形狀零件的逐層制造工藝［1-3］。相比于激光增材制造和電子束增材制造，電弧增材制造能夠成形高性能的大型金屬構件，材料利用率高，并且采用成本相對較低的現(xiàn)成焊接設備，在工業(yè)制造領域得到了廣泛應用［4-7］。但是，電弧熔絲增材是在基體上逐層堆積，是一個快熱快冷的過程，會產生極不均勻的溫度場，影響增材區(qū)及基體組織的演化，導致構件內部產生殘余應力、裂紋及變形，影響構件性能。因此，研究增材制造過程中堆積層與基體的熱場演變規(guī)律很關鍵。

然而，電弧熔絲增材過程是一個涉及多物理場的耦合的高度非線性過程，實驗室很難對其內部物理特性及溫度分布進行觀察與研究。數值模擬技術則能通過對數學模型計算求解得到溫度演變的特征。國內外許多學者在電弧增材制造溫度場仿真方面做了大量工作。劉東帥［8］基于ANSYS研究了不同基板厚度下TIG電弧增材制造ER50-6過程溫度場的變化規(guī)律，得到了最佳基板厚度，基板散熱對前4層焊道的影響較為明顯，隨著堆焊層數增加，上層熔覆層對已堆焊層的熱影響范圍增大；Lei［9］等人研究了不同層間停留時間下電弧增材成形薄壁圓柱件的溫度演變和內部溫度梯度變化規(guī)律；Xiong［10］等人通過建立三維瞬態(tài)傳熱模型研究了基板預熱對熱行為的影響，結果表明基體預熱使熱循環(huán)更加平穩(wěn)。但是，國內外學者通過仿真手段主要研究增材區(qū)溫度場的演變，并未考慮增材過程對基體的熱影響，而在一些復合制造工藝中增材基體會作為構件的一部分保留下來，例如大型構件核電主管道的管嘴的局部增材，需要考慮增材過程對基體的組織及性能的影響。因此，研究增材過程對基體的影響具有重要的意義。

本文通過有限元仿真和實驗相結合的方法，采用“生死單元”技術，建立三維瞬態(tài)傳熱模型，研究層間停留溫度一定時，電弧熔絲過程的溫度場演變規(guī)律及對基體的影響。

1 實驗設備和材料

本實驗采用冷金屬過渡（CMT）電弧熔絲增材制造技術成型316L不銹鋼直臂件，其增材系統(tǒng)主要由CMT 4000 Advanced焊機、KUKA六軸機器人和保護氣裝置組成，實驗用焊絲為316L不銹鋼，焊絲直徑為1.2 mm，其化學成分如表1所示?；鍨殄懺鞈B(tài)316L不銹鋼基板。增材過程的工藝參數如下：增材速度5 mm/s，送絲速度83 mm/s，電壓18.2 V，電流162 A，往返式堆積路徑。此外，為保證每層的平均層間停留溫度為400℃，堆積過程中層間停留時間為53 s、74 s、67 s、73 s、67 s、90 s、87 s、91 s、76 s、103 s、101 s、130 s、130 s、172 s、155 s、140 s、174 s。保護氣為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣流量為25 L/min。

表1 316L不銹鋼的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical Composition of 316Lstainless steel（wt.%）

2 增材過程溫度場數值仿真有限元模型

2.1 幾何模型的建立

根據實驗獲得的仿真有限元幾何模型如圖1所示，基板尺寸為310 mm×100 mm×15 mm，增材區(qū)尺寸為210 mm×7.9 mm×40 mm，共19層，除頂層外每層層高為2 mm。另外，為了提高計算的精確度，增材區(qū)及其附近區(qū)域采用了細密的網格，如圖2所示。

圖1 有限元幾何模型Fig.1 Finite element geometric model

圖2 網格模型Fig.2 Mesh model

2.2 材料熱物性參數數據庫的建立

隨著熱源的移動，增材過程中溫度隨時間和空間變化，材料的熱物理性能也隨溫度變化，文中316L的熱物性參數如表2所示［11］。

表2 316L不銹鋼的熱物性參數Table.2 Thermophysical parameters of 316Lstainless steel

2.3 增材過程的傳熱和邊界條件

在增材過程中，熱源既作用在表面也作用在深度方向上，因此選擇體熱源較為合適，往往采用雙橢球熱源來模擬電弧熱源［12-14］，雙橢球熱源如圖3所示。雙橢球熱源前半部分熱流密度函數為：

圖3 雙橢球熱源Fig.3 Double ellipsoidal heat source

雙橢球熱源后半部分熱流密度函數為：

式中 Q為有效熱輸入量；af為前半球長半軸；ar為后半球長半軸；b為短半軸；h為熱源深度；ff為熱輸入在熱源前部分的能量分布系數；fr為熱輸入在熱源后部分的能量分布系數。

增材過程的溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導問題，建立三維瞬態(tài)傳熱方程為：

式中 ρ為材料密度；c為材料比熱容；T為溫度；λ為材料導熱系數。

仿真過程的邊界條件和初始條件為：

3 結果與分析

3.1 溫度場熱循環(huán)曲線驗證

為了驗證模擬溫度場結果的準確性，在試驗過程中采用紅外熱成像儀FLIR A320及其配套軟件對增材過程進行實時測溫，如圖4所示。增材實驗前在距離焊縫中心10 mm處劃線，實驗結束后把細鐵棒豎直放在此處，熱成像儀中能記錄此處位置并選取該位置的溫度曲線，其實際溫度和仿真溫度如圖5所示。從圖中可以看出，在沉積時，通過紅外熱成像儀測得的測量點峰值溫度為328.719℃，仿真結果為364.099℃，誤差為10.76%，且模擬得到的熱循環(huán)曲線和實際測量的熱循環(huán)曲線走勢基本一致。分析產生誤差的原因是熱成像儀本身的測量就存在一定的誤差，仿真建模過程基于的各種假設，此次仿真結果誤差在可接受范圍內，故認為此模型能夠較好地反映出增材制造過程中的溫度變化。另外，測量點的熱循環(huán)曲線呈先升高后降低的趨勢，在沉積第三層時峰值溫度最高。原因是在沉積時保持層間溫度一定（此次實驗為400℃），這樣先前沉積層對后堆積層有一個預熱作用，產生了熱積累效應，隨著堆積層的增加溫度升高，但是，堆積到一定的高度后，堆積層對基板的熱影響就會減小。

圖4 熱成像儀測溫Fig.4 Temperature measurement of thermal imager

圖5 測量點的溫度曲線Fig.5 Temperature curve of measuring point

3.2 增材過程溫度場結果

圖6為堆積過程中的溫度場演變。選取第一層、第四層、第七層、第十層中間位置的溫度場進行比較，發(fā)現(xiàn)隨著堆積層的增加，高溫區(qū)域擴大。原因是在堆積過程中保持層間溫度一定，對后續(xù)沉積層產生了預熱作用，而后續(xù)沉積層對先前沉積層也會有熱影響，熱量輸入強于熱量損失，實際熱輸入量隨著堆積層數的增加而增加，產生了熱積累效應。

圖6 增材過程溫度場Fig.6 Temperature field during additive manufacturing process

3.3 對基板的熱影響

主管道材料要求具有較高的耐腐蝕性能，而奧氏體不銹鋼在焊接時熱影響區(qū)容易出現(xiàn)敏化現(xiàn)象，降低耐腐蝕性能。因此增材過程中基體的熱影響區(qū)的敏化很重要。與恒溫加熱不同，在焊接時熱影響區(qū)加熱到600～1 000℃會出現(xiàn)敏化區(qū)腐蝕［15］。為了研究增材過程中基體的熱影響區(qū)敏化程度，選取了距基板上表面2 mm、4 mm、6 mm的位置，如圖7所示，其熱循環(huán)特征如圖8所示。從結果可以看出，在沉積過程中，沉積第一層時對基板的熱作用最明顯，隨著深度的增加，熱作用效果減小，溫度降低。隨著沉積層數的增加，熱作用效果明顯降低。對于基板下2 mm處的點，隨著沉積層數的增加，峰值溫度降低，沉積前四層時峰值溫度均高于600℃，到第五層時峰值溫度為588.196℃，可見沉積時前四層對基體的影響最大。另外，基板下6 mm處的點在熱循環(huán)過程中溫度最高為594.739℃，不在熱影響區(qū)敏化溫度范圍內，由此可以判斷熱影響敏化區(qū)的深度約為基板下6 mm。

圖7 基板上特征點的示意圖Fig.7 Schematic diagram of characteristic points on the substrate

圖8 基板特征點的熱循環(huán)曲線Fig.8 Thermal cycle curve of substrate characteristic points

4 結論

（1）模擬和測量的熱循環(huán)曲線吻合良好。堆積時保持層間溫度為400℃，基板上表面的點的峰值溫度隨著沉積層數的增加先升高后降低。（2）在增材制造過程中存在熱積累效應，隨著堆積層數的增加構件的高溫區(qū)域增大。（3）基板內部的點的峰值溫度隨著堆積層數的增加而減小，堆積過程中前四層會對基板產生較大的熱影響。（4）基體的熱影響敏化區(qū)的深度大約為基板下6 mm。