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(大連理工大學(xué),遼寧省先進連接技術(shù)重點實驗室,大連,116024)

0 序言

增材制造是一種通過自下而上逐層累積實現(xiàn)近凈成形的高效制造技術(shù)[1].在金屬加工領(lǐng)域，增材制造技術(shù)依據(jù)熱源種類可分為激光、電子束及電弧3 類[2].其中電弧增材制造技術(shù)憑借較高的制造效率及較低的成本近年來在大尺寸零件制造領(lǐng)域蓬勃發(fā)展[3-4].傳統(tǒng)的電弧熔絲增材制造為了提高沉積速率，經(jīng)常伴隨送絲速度和焊接電流的提升，使沉積件熱輸入增加，導(dǎo)致零件的成形質(zhì)量降低[5].為此學(xué)者們將雙絲電弧焊[6]、旁路耦合電弧焊[7-8]、雙絲間接電弧焊[9]以及熱電冷卻電弧焊[10]等技術(shù)應(yīng)用到此領(lǐng)域，一定程度上降低了沉積過程中的熱輸入，但在沉積速率的進一步提升方面仍有待研究.

三絲間接電弧焊(triple-wire gas indirect arc welding,TW-GIA 焊)是一種高熔覆效率、低熱輸入的新型焊接方法[11].國內(nèi)已有學(xué)者對該技術(shù)的工藝進行了優(yōu)化，提高了其焊接過程中的穩(wěn)定性與適應(yīng)性.Liu 等人[12-13]調(diào)整了該技術(shù)的焊絲排布方式，從而得到了更高的熔敷效率，還研究了焊絲極性連接方式，結(jié)果表明，主絲接負的焊絲極性接法可使所得焊縫的鋪裝性能提升，深寬比降低.王澤力等人[14]發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有熱輸入小的特點，對焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒起到細化作用.Liu 等人[15]改進了焊接電流等主要工藝參數(shù)，并將該技術(shù)成功推廣到2 mm 薄板高速焊接領(lǐng)域.于世寶等人[16]發(fā)現(xiàn)采用較高的脈沖頻率能提高焊絲燃燒均勻程度，更有利于形成均一的焊道.刁國寧等人[17]發(fā)現(xiàn)當(dāng)三絲采用相等的焊絲伸出長度時，電弧的穩(wěn)定性及焊縫成形情況更好.然而，在將TW-GIA 焊應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域的前期探究過程中發(fā)現(xiàn)，由于該技術(shù)具有熔覆效率高、熱輸入小的特點，其單道焊縫接觸角大于90°，在較大的電弧吹力下，易出現(xiàn)側(cè)流缺陷，無法實現(xiàn)有效的逐層堆敷.

在TW-GIA 焊基礎(chǔ)上提出了旁路耦合三絲間接電弧焊(bypass coupling triple-wire gas indirect arc welding,BCTW-GIA 焊)，即通過旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)TW-GIA 焊的焊接熱輸入，以改善焊縫的鋪展性能，并將其應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域，展示了一種低熱輸入、高沉積速率的新型增材制造方法.研究旁路電流對BCTW-GIA 焊電弧形態(tài)及焊縫成形的影響，并采用最優(yōu)參數(shù)實現(xiàn)了直壁墻體的高效增材，為該方法在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 試驗方法

圖1 為BCTW-GIA 焊增材制造系統(tǒng)示意圖，主要由2 臺焊機及3 根焊絲組成.焊機采用直流-脈沖電源模式以促進熔滴過渡，左邊絲連接直流電源的正極，右邊絲連接脈沖直流電源的正極，主絲與基板均連接兩電源負極.其中，左邊絲電流I1與右邊絲電流的平均值I2相等，二者之和為總電流I.起弧后，兩邊絲的電流一部分經(jīng)過主絲流向電源負極形成主回路，另一部分經(jīng)過增材件及基板后流向電源負極形成旁路，主絲電流Im與旁路電流Ip的和等于I.

試驗選用尺寸為200 mm × 150 mm × 10 mm的Q345 鋼作為基板，焊絲牌號為ER50-6，基板和焊絲成分如表1 所示.保護氣體成分為80% Ar +20% CO2，氣體流量25 L/min.主絲直徑為1.6 mm，邊絲直徑為1.2 mm.主絲與水平面夾角為45°，兩邊絲呈鏡面對稱式分布于主絲兩側(cè)，與主絲的絲間夾角為30°.三絲交點到基板的垂直距離即焊槍高度為5 mm，焊接速度為1 m/min.同時保持兩臺焊機輸出的平均電流恒為180 A，兩邊絲送絲速度恒為5.8 m/min.主絲送絲速度與主絲電流成正比，主絲電流越大，主絲送絲速度越大，同時旁路電流將減小.具體試驗工藝參數(shù)如表2 所示.采用MS50K高速攝影機垂直于焊接方向拍攝，采集不同參數(shù)對應(yīng)的電弧特性，采樣頻率2 000 幀/s.

表2 不同旁路電流對應(yīng)的試驗工藝參數(shù)Table 2 Test parameters corresponding to different bypass currents

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單道焊縫成形情況

圖2 為不同旁路電流下的單道單層堆焊試樣的表面及截面形貌.在旁路電流為0 A 時，三絲間接電弧可以獲得良好的焊縫表面形貌，但是由于間接電弧的熱輸入低，單道熔覆鋪展性能較差，其接觸角大于90°，不利于后續(xù)逐層堆覆過程的穩(wěn)定進行.當(dāng)旁路電流為75 A 時，試樣表面斷續(xù)，無法連續(xù)成形；當(dāng)旁路電流為115 和155 A 時可以獲得成形良好的焊縫，其焊道與基板的接觸角均小于90°.當(dāng)旁路電流增大到195 A 時，試樣表面出現(xiàn)孔洞；當(dāng)旁路電流進一步增大到360 A 時，試樣表面出現(xiàn)明顯的飛濺及咬邊.

圖2 旁路電流對單道焊縫形貌的影響Fig.2 Effect of bypass currents on morphology of single beads.(a) bypass current 0 A;(b) bypass current 75 A;(c) bypass current 115 A;(d) bypass current 155 A;(e) bypass current 195 A;(f) bypass current 360 A

表3 為不同旁路電流下的單道單層試樣成形尺寸，該尺寸是通過AI 軟件測量經(jīng)過腐蝕后的堆焊試樣截面的視覺圖像，并按比例計算而得到的.可以看出，隨著旁路電流的增加，堆積焊道的余高逐漸減小，熔寬逐漸增加，接觸角逐漸變小，鋪展性能增加，熔深先減小后增大.在沒有缺陷的前提下，當(dāng)旁路電流為155 A 時，焊道接觸角最小，有利于后續(xù)逐層堆覆過程的穩(wěn)定進行.

表3 不同旁路電流下單道焊縫成形尺寸Table 3 Forming dimensions of single bead under different bypass currents

2.2 旁路電流對電弧特性的影響

堆焊試樣的表面形貌決定于電弧形態(tài)及熔滴過渡行為，圖3 為不同旁路電流對應(yīng)的電弧形態(tài)，圖中白色虛線代表主絲與兩邊絲之間形成的間接電弧，黑色虛線代表基板與兩邊絲之間形成的電弧.可以看出，隨著旁路電流的增加，間接電弧所占比例逐漸減少，焊接熱輸入逐步提升.當(dāng)旁路電流為0 A 時，相當(dāng)于采用TW-GIA 焊模式施焊，此時只有間接電弧存在，電流不過基板，熱輸入較小，因此此時的焊縫雖然表面形貌較好，但是鋪展性能差，如圖3a 所示.當(dāng)旁路電流為75 A 時，主絲送絲速度較大，間接電弧被擠壓，偏向邊絲一側(cè)，邊絲熔滴所受的排斥力較大，出現(xiàn)多條過渡路徑，致使對應(yīng)堆焊試樣斷續(xù)，如圖3b 所示.當(dāng)旁路電流為115 和155 A 時，電弧及熔滴過渡的穩(wěn)定性較為良好，因而焊縫表面形貌較好，如圖3c 和圖3d所示.當(dāng)旁路電流為195 A 時，主絲送絲速度過小，間接電弧向主絲的偏轉(zhuǎn)程度過大，電弧整體過于發(fā)散，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致堆焊試樣表面出現(xiàn)孔洞缺陷，如圖3e 所示.當(dāng)旁路電流進一步增至360 A 時，間接電弧消失，系統(tǒng)總電流全部經(jīng)旁路流過基板，熱輸入過大，致使試樣表面出現(xiàn)大量咬邊缺陷，如圖3f 所示.

圖3 旁路電流對電弧形態(tài)的影響Fig.3 Effect of bypass current on arc shape.(a) bypass current 0 A;(b) bypass current 75 A;(c) bypass current 115 A;(d) bypass current 155 A;(e)bypass current 195 A;(f) bypass current 360 A

相對于旁路電流115 A，當(dāng)旁路電流為155 A時，可在保證電弧穩(wěn)定性及焊縫成形情況的前提下，通過微增旁路電流使焊接熱輸入及電弧發(fā)散性小幅度增加，從而得到熔寬更大，熔深及接觸角更小的焊縫，因此最終選用旁路電流為155 A 的參數(shù)進行后續(xù)的增材試驗.

2.3 單道多層增材試驗

2.3.1 單道多層試樣成形情況

當(dāng)旁路電流為155 A 時，單道堆焊試樣的表面形貌良好，并且潤濕性能較好，前一層熔覆層的表面可以為后一層熔覆金屬提供足夠的支撐面積，有利于逐層沉積過程的穩(wěn)定進行；另外，該參數(shù)下熔深較小，逐層沉積過程中，后一層對前一層的重熔作用最小.因此，為驗證該工藝對大尺寸零件增材制造的適用性，采用155 A 的旁路電流進行單道多層沉積試驗，所得直壁墻體宏觀形貌如圖4 所示，沉積速度為1 m/min，沉積層數(shù)為35 層，每層抬高量為3 mm，層間冷卻時間30 s，最終得到表面成形較為良好、成形高度為9.7 cm、平均有效寬度為7.2 mm 的直壁墻體.

圖4 直壁墻體宏觀形貌及金相取樣位置Fig.4 Macroscopic morphology of straight wall and sampling position of metallographic specimens.(a) macro morphology of straight wall;(b) sampling position of metallographic specimens

2.3.2 顯微組織分析

圖5 為直壁墻體不同部位的顯微組織，取樣位置如圖4b 所示，由圖5 可知，試樣各部位顯微組織主要由呈白色的鐵素體、呈灰暗色的珠光體以及少量白色棱角分明的殘余奧氏體組成.試樣各部位組織均未發(fā)現(xiàn)魏氏鐵素體，表明堆覆過程中不存在過熱現(xiàn)象.

在直壁墻體的底部區(qū)域(圖5a)，鐵素體的晶粒細小，珠光體的沿晶分布的均勻性較好，無殘余奧氏體存在；在直壁墻體的中部區(qū)域(圖5b)，鐵素體晶粒變得粗大，珠光體分布的均勻性降低，并出現(xiàn)少量的殘余奧氏體；在直壁墻體的頂部區(qū)域(圖5c)，鐵素體大部分呈細小的塊狀，珠光體沿晶分布且均勻性低，仍存在少量的殘余奧氏體；在兩層交界附近(圖5d)，前堆積層的等軸晶組織明顯粗化，后堆積層依附于前堆積層的表面以柱狀晶的形式生長，延伸到后堆積層的內(nèi)部后形成等軸晶.

圖5 直壁墻體不同部位的顯微組織Fig.5 Microstructure of straight wall in different parts.(a) bottom microstructure of straight wall;(b)middle microstructure of straight wall;(c) top microstructure of straight wall;(d) microstructure of interlayer junction of straight wall

2.3.3 顯微硬度分析

圖6 為沿著直壁墻體截面的垂直中心線上的顯微硬度分布曲線，可以看出，基板附近區(qū)域的局部硬度很高，隨著距基板表面的距離的增加，硬度整體上呈現(xiàn)先降低，最后在接近直壁墻體頂部時波動回升的趨勢，試樣底部、中部及頂部區(qū)域的平均硬度分別為186.80，172.44，176.04 HV.此外，通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)，硬度曲線每間隔3～ 4 mm都會呈現(xiàn)出先下降后上升的鋸齒狀周期性變化.

圖6 直壁墻體截面上的顯微硬度分布曲線Fig.6 Microhardness distribution curve on the section of straight wall

直壁墻體縱向不同位置處的沉積層，經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)、熱處理條件和凝固速度的差異是造成其硬度不同的根本原因.在沉積的初始幾層，散熱方式為三維散熱，凝固速度快，使得直壁墻體前幾層的晶粒細小，并且在后續(xù)沉積層的熱處理作用下，組織更為細小均勻(圖5a)，因此底層區(qū)域的硬度較高；隨著沉積過程的進行，直壁墻體的熱量積累越發(fā)嚴(yán)重，散熱方式變?yōu)橐痪S散熱，凝固速度下降，晶粒粗化(圖5b)，鐵素體沿著散熱方向析出呈粗大板條狀，使得該部分硬度降低；在接近直壁墻體頂部的位置處，由于后續(xù)熔敷層的熱處理作用減弱，加上氣體流動增強、散熱轉(zhuǎn)變?yōu)槿S散熱，凝固速率過快，晶粒細化(圖5c)，因而硬度相比于中部區(qū)域有一定的回升，但由于該部位組織均勻性差，因此其硬度的波動程度較大.

此外，硬度曲線的鋸齒狀周期性變化趨勢是由于該焊接方法較高的熔覆效率和較低的熱輸入造成的，兩道沉積層交界處與每一道沉積層內(nèi)部的組織存在差異(圖5d)，這對提高試樣的平均硬度有利.

2.4 沉積速率計算及分析

BCTW-GIA 焊的沉積速率E可由公式(1)計算得出.

式中：vfm，vfs分別為主絲和邊絲的送絲速度；rm，rs分別為主絲和邊絲半徑；ρ為焊絲密度，計算可得連續(xù)沉積速率為13.3 kg/h.表4 列舉了BCTWGIA 焊、熔化極氣體保護焊增材制造(gas metal arc welding-additive manufacturing，GMA-AM)、冷金屬過渡焊增材制造(cold metal transfer-additive manufacturing，CMT-AM)以及串聯(lián)雙絲GMA-AM的連續(xù)沉積速率.從表4 可見，與其它幾種GMAAM 相比，采用BCTW-GIA 焊方法可使沉積速率有明顯的提高[18-20].此外，由于間接電弧存在，當(dāng)增大總焊接電流而提升沉積速率的同時，可以調(diào)節(jié)主絲電流進行分流，使旁路電流值保持在適宜范圍內(nèi)，避免因熱輸入過大而導(dǎo)致沉積件出現(xiàn)成形不良等問題.

表4 幾種不同增材制造方法的連續(xù)沉積速率Table 4 Continuous deposition rate of several different additive manufacturing methods

3 結(jié)論

(1) 基于BCTW-GIA 焊的Q345 低碳鋼增材制造，當(dāng)保持其它參數(shù)不變，調(diào)節(jié)旁路電流至155 A，焊接電弧的穩(wěn)定性以及集中程度最為適宜，焊縫成形情況最優(yōu)，所得增材件成形質(zhì)量良好，連續(xù)沉積速率高達13.3 kg/h.

(2) 顯微組織分析表明，BCTW-GIA 焊較低的熱輸入使試樣顯微組織中等軸晶區(qū)范圍更大，粗大柱狀晶區(qū)范圍更小，并且存在少量殘余奧氏體.

(3) BCTW-GIA 焊較高的熔覆效率和較低的熱輸入提高了試樣整體的平均硬度，由底部、中部到頂部，直壁墻體平均硬度先降低后增加，依次為186.80，172.44，176.04 HV.