李旭鋒，林 健，夏志東，韓文濤，雷永平，王招陽

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

0 引 言

電弧增材制造(wire-arc additive manufacturing, WAAM)技術(shù)是一種以電弧為集中熱源，焊絲為填充材料，采用逐層堆積的方式按需打印成形零件的技術(shù)，該技術(shù)具有熱輸入高、焊絲填充速度快、生產(chǎn)效率高、所需設(shè)備和原料成本低以及打印成形件的致密度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石化、發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。根據(jù)熱源性質(zhì)不同，電弧增材制造技術(shù)常用的焊接方法有熔化極氣體保護(hù)焊、非熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊等[4]。冷金屬過渡(cold metal transfer, CMT)焊作為熔化極氣體保護(hù)焊的一種，具有熱輸入低、飛濺少、成形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于電弧增材制造。H13合金鋼具有優(yōu)良的紅硬性、沖擊韌性和熱疲勞性能，廣泛應(yīng)用于制作塑料注射成形模具、鑄造和鍛造模具等[5]。利用增材制造技術(shù)可以一次整體成形制造出具有隨形冷卻水道特定功能的H13鋼模具，而采用傳統(tǒng)的機(jī)加工方法則難以制造出該模具。王庭庭[6]通過調(diào)整焊接電流、焊接速度等參數(shù)，消除了電弧增材制造過程中H13鋼件焊道間根部未熔合缺陷。白濤等[7]采用CMT電弧增材制造技術(shù)制備5層15道結(jié)構(gòu)的H13鋼塊體，研究了塊體的表面質(zhì)量、顯微組織和力學(xué)性能。在電弧增材制造過程中，由于熱源的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同一位置經(jīng)歷周期性的加熱和冷卻作用，成形件內(nèi)部具有不均勻的顯微組織，導(dǎo)致成形件力學(xué)性能各向異性[8-10]。徐文虎等[11]研究了電弧擺動(dòng)與2道多層2種不同電弧軌跡下，電弧增材制造Inconel 625合金厚壁件的顯微組織和性能，發(fā)現(xiàn)2道多層軌跡下的枝晶間距更小，成形件的性能更好。劉黎明等[12]研究了不同路徑下電弧增材制造316不銹鋼件的性能差異。GE等[13]研究了2Cr13鋼CMT電弧增材制造過程的熱歷程-組織演變的內(nèi)在關(guān)系，提出增材制造原位微熱處理作用會(huì)誘發(fā)大量納米級(jí)沉淀相析出。陳克選等[14]對(duì)水冷條件下的電弧增材制造溫度場展開數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)冷卻條件有助于縮小基板高溫區(qū)域，減小熔池體積。徐富家等[15]研究不同沉積路徑下等離子弧快速成形Inconel 625合金沉積態(tài)組織的生長機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同熱輸入和散熱方向會(huì)導(dǎo)致沉積過程中成形件內(nèi)部形成不同溫度梯度，從而影響組織生長的延續(xù)性，正反交替路徑下成形件的成形質(zhì)量和力學(xué)性能最佳?？梢姵练e路徑影響電弧增材制造成形件的組織與性能，但是目前未見有關(guān)不同沉積路徑下CMT電弧增材制造H13鋼成形件組織和性能的報(bào)道。為此，作者基于熱-彈塑性有限元法模擬分析了同向和雙向沉積5層單道和單層5道CMT電弧增材制造H13合金鋼的熱歷程，試驗(yàn)研究了不同沉積路徑下成形件的顯微組織和硬度。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

基板和填充焊絲材料均為H13模具鋼，焊絲直徑為1.2 mm，焊絲和基板的化學(xué)成分如表1所示。沉積前用角磨機(jī)打磨基板表面，除去表面氧化層。采用機(jī)器人輔助冷金屬過渡焊接技術(shù)進(jìn)行電弧增材制造，其中Fronius CPS 5000 CMT型焊槍固定在6軸 ABB IRB1600型機(jī)器人上，按照同向和雙向路徑分別沉積5層單道和單層5道成形件，具體沉積路徑如圖1所示，沉積工藝參數(shù)：沉積電壓12.7 V，沉積電流118 A，沉積速度150 mm·min-1，送絲速度8 m·min-1，弧長修正系數(shù)-7%，焊絲尖端距沉積表面距離4.1 mm，相鄰沉積道之間停留時(shí)間60 s，沉積長度120 mm。在沉積過程中選用保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)97.5% Ar+2.5% CO2，流量為20 L·min-1。在沉積過程中，用LR8400-21型熱電偶溫度數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)圖2中黑點(diǎn)所示位置的熱循環(huán)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測溫范圍為0～1 200 ℃，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為0.2 s。

表1 焊絲和基板的化學(xué)成分

圖1 5層單道和單層5道同向和雙向沉積路徑示意Fig.1 Five-layer single-pass (a-b) and single-layer five-pass (c-d) codirection (a, c) and bidirection (b, d) deposition path diagram

圖2 沉積過程中溫度測試點(diǎn)位置示意Fig.2 Diagram of temperature measuring position during deposition: (a) single-layer five-pass deposition and (b) five-layer single- pass deposition

圖3 不同成形件上金相試樣的取樣位置示意Fig.3 Sampling position diagram of metallographic specimen in different formed parts: (a) five-layer single-pass formed part and (b) single-layer five-pass formed part

2 有限元模擬

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)不同路徑下的沉積過程進(jìn)行熱-彈塑性有限元分析，以熱力順序耦合的方法對(duì)沉積過程的熱循環(huán)進(jìn)行模擬。由于在沉積過程中熱源具有瞬時(shí)性和集中性，導(dǎo)致沉積層及熱影響區(qū)存在較高的溫度和應(yīng)力梯度，因此在沉積層及其附近采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格的最小尺寸為0.6 mm。5層單道模型的單元總數(shù)為16 728，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為20 461；單層5道模型的單元總數(shù)為31 116，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為35 440，有限元模型的具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。計(jì)算中采用DC3D8線性傳熱單元對(duì)溫度場進(jìn)行模擬，在模型中基板底部3點(diǎn)設(shè)置位移約束。H13合金鋼的熱物理性能參數(shù)引自文獻(xiàn)[16]。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分示意Fig.4 Diagram of finite element model meshing: (a) five-layer single-pass model and (b) single-layer five-pass model

3 結(jié)果與討論

3.1 熱循環(huán)溫度

由圖5可以看出：5層單道和單層5道雙向成形件基板測溫點(diǎn)的測量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差小于10%，在試驗(yàn)過程中因基板與卡具間存在熱交換，導(dǎo)致溫度模擬結(jié)果略高于測量結(jié)果；在5層單道沉積過程中，隨著沉積層高度的增加，熱源與基板間的距離變大，熱量主要通過空氣傳導(dǎo)，熱量散失速率慢，因此測量點(diǎn)的熱積累效應(yīng)明顯，溫度有明顯上升的趨勢；在單層5道沉積時(shí)，熱源與基板直接接觸，熱量散失速率快，熱積累效應(yīng)不明顯，溫度上升趨勢緩慢，隨著沉積過程的進(jìn)行，熱積累導(dǎo)致溫度趨于穩(wěn)定。

圖5 5層單道和單層5道雙向沉積過程中基板測溫點(diǎn)溫度測量結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.5 Comparison of temperature measurement and simulation during five-layer single-pass (a) and single-layer five-pass (b) bidirection deposition

由圖6可以看出：模擬得到雙向沉積時(shí)第1層(道)起弧點(diǎn)的熱循環(huán)曲線略高于同向沉積時(shí)，這是由于同向沉積時(shí)焊槍返回起弧點(diǎn)的過程有助于成形件的散熱所致；2種沉積路徑下，第1層(道)起弧點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線趨勢相同，均有5個(gè)溫度峰值，其中第1，3，5個(gè)峰值溫度基本重合。第2，4層雙向沉積時(shí)，熱源與前一層的運(yùn)動(dòng)方向相反，第1層(道)起弧點(diǎn)在沉積奇數(shù)層后的冷卻時(shí)間變長，導(dǎo)致沉積偶數(shù)層時(shí)該點(diǎn)的峰值溫度滯后于同向沉積時(shí)的峰值溫度。雙向沉積第4層(道)和第5層(道)相當(dāng)于對(duì)第3層(道)中間點(diǎn)進(jìn)行再加熱。由圖7可以看出，雙向沉積5層單道第3層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)大于雙向沉積單層5道第3道中間點(diǎn)的峰值溫度，該現(xiàn)象說明5層單道成形件中的熱累積效應(yīng)比單層5道成形件更明顯。

圖6 模擬得到5層單道第1層起弧點(diǎn)和單層5道第1道起弧點(diǎn)的熱循環(huán)曲線Fig.6 Thermal cycling curves of the first layer arc initiation point of five-layer single-pass (a) and the first pass arc initiation point of single-layer five-pass (b) by simulation

圖7 模擬得到雙向沉積5層單道第3層和單層5道第3道中間點(diǎn)的熱循環(huán)曲線Fig.7 Thermal cycling curves of middle point of the third layer of five-layer single-pass and the third pass of single-layer five-pass bidirection deposition by simulation

3.2 顯微組織

由圖8和圖9可以看出，成形件的顯微組織主要為致密板條狀馬氏體(M)，5層單道成形件中間位置(位置B)處存在長條塊狀鐵素體(F)。電弧的能量分布隨著偏離熔池中心距離增加呈指數(shù)衰減[2]，單道電弧的中心溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邊界位置，熱量從熔池中心向邊緣擴(kuò)散，導(dǎo)致熔池中存在較大的溫度梯度，因此馬氏體的生長方向主要與溫度梯度方向一致。沉積層中不同位置的溫度梯度方向不同，馬氏體的生長方向也顯著不同。2種沉積路徑下的熱輸入相同，所以成形件的顯微組織基本相同。由于5層單道成形件的中間點(diǎn)的峰值溫度高于單層5道成形件的峰值溫度，即5層單道成形件在沉積過程中經(jīng)歷的平均溫度更高，因此其馬氏體組織較粗大。

圖8 不同路徑沉積5層單道成形件中部區(qū)域不同位置的顯微組織Fig.8 Microstructures of different positions of middle part in five-layer single-pass formed part deposited in different paths: (a) codirection deposition, location A; (b) codirection deposition, location B; (c) codirection deposition, location C; (d) bidirection deposition, location A; (e) bidirection deposition, location B and (f) bidirection deposition, location C

圖9 不同路徑沉積單層5道成形件中部區(qū)域不同位置的顯微組織Fig.9 Microstructures of different positions of middle part in single-layer five-pass formed part deposited in different paths: (a) codirection deposition, location D; (b) codirection deposition, location E; (c) codirection deposition, location F; (d) bidirection deposition, location D; (e) bidirection deposition, location E and (f) bidirection deposition, location F

3.3 硬 度

由圖10可知，同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，其平均硬度分別為435，419 HV。結(jié)合熱循環(huán)曲線分析，可能是因?yàn)殡p向沉積過程中的熱積累更嚴(yán)重，造成成形件組織中鐵素體含量增加，因此雙向沉積5層單道成形件的平均硬度較低。同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，平均硬度分別為442，441 HV。與單層5道成形件相比，5層單道成形件的平均硬度略低，這與5層單道成形件組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 同向和雙向路徑沉積得到5層單道和單層5道成形件的熱歷程基本一致，熱循環(huán)曲線變化規(guī)律相似；雙向沉積第1層(道)起弧點(diǎn)的溫度略高于同向沉積，雙向沉積5層單道成形件第3層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)高于雙向沉積單層5道成形件第3道中間點(diǎn)，5層單道成形件中的熱累積效應(yīng)更明顯。

(2) 2種路徑沉積得到的5層單道和單層5道成形件的顯微組織均主要為致密的板條狀馬氏體，但5層單道成形件的馬氏體組織較粗大；在溫度梯度的影響下，成形件不同區(qū)域的馬氏體生長方向不同。

(3) 同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5層單道成形件的平均硬度略低于單層5道成形件，這與組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關(guān)。