權(quán)國(guó)政 劉瑩瑩 張建生 蔣立鶴

(1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 先進(jìn)模具智能制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶杰品科技股份有限公司 重慶市模具再制造企業(yè)工程技術(shù)研究中心，重慶 401329；3.南京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶設(shè)備配件有限公司 江蘇省船舶動(dòng)力系統(tǒng)零件先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，南京 211121)

電弧熔絲增材制造技術(shù)(WAAM)是以焊接電弧為熱源將焊絲熔化逐層沉積成形出金屬零件的過(guò)程，具有高效率、低成本、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型金屬零部件的表層強(qiáng)化或修復(fù)。然而，WAAM過(guò)程由于具有非均勻、多尺度、快速、熱-組織-應(yīng)力應(yīng)變多重耦合的特點(diǎn)，導(dǎo)致熔敷過(guò)程應(yīng)力大、容易開裂、構(gòu)件殘余應(yīng)力和變形大[1]。與其他增材制造一樣，殘余應(yīng)力的存在會(huì)使堆焊件產(chǎn)生翹曲變形、裂紋，甚至降低產(chǎn)品的增材質(zhì)量；同時(shí)，殘余應(yīng)力引起的變形也會(huì)造成公差損失[2]。因此，電弧熔絲增材殘余應(yīng)力的消減是電弧熔絲增材制造領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)[3]?；谏鲜鎏魬?zhàn)，胡軍峰研究了電弧擺動(dòng)對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)焊接可以改變殘余應(yīng)力的分布從而改變工件的成形缺陷[4]。圖1為擺動(dòng)電弧熔絲增材示意圖，對(duì)比傳統(tǒng)的無(wú)擺動(dòng)的電弧增材，電弧擺動(dòng)是在焊機(jī)上增添擺動(dòng)裝置，擺動(dòng)裝置改變了電弧熔絲焊接接頭在焊接過(guò)程中的受熱狀態(tài)，電弧一邊沿焊道長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，一邊在焊道寬度方向作一定頻率的擺動(dòng)，使熱源的坐標(biāo)軌跡呈“Z”字形變化，有助于提高熔池金屬的對(duì)流速度，加快焊道兩側(cè)母材的熱量傳遞，一次獲得較寬的焊道、較深的熔深，同時(shí)使增材中產(chǎn)生的熱量在厚度方向上分布更加均勻，從而使焊接接頭應(yīng)力分布狀態(tài)與不擺動(dòng)時(shí)發(fā)生明顯變化[5]。圖2展示了電弧擺動(dòng)和電弧不擺動(dòng)增材殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，從圖2可以看出電弧擺動(dòng)增材的橫向殘余應(yīng)力比不擺動(dòng)增材的橫向殘余應(yīng)力大，而縱向殘余應(yīng)力相似，在實(shí)際電弧擺動(dòng)增材過(guò)程中，由于擺動(dòng)角度較小，橫向增材速率較大，電弧擺動(dòng)過(guò)程對(duì)增材殘余應(yīng)力場(chǎng)關(guān)于增材中心線的對(duì)稱性影響較小。

圖1 電弧熔絲增材示意圖

(a)縱向殘余應(yīng)力

綜上分析，雖然電弧擺動(dòng)增材的殘余拉應(yīng)力峰值較電弧不擺動(dòng)增材時(shí)大，但同等熱輸入情況下，由于電弧橫向運(yùn)動(dòng)對(duì)熔池起攪拌的作用，電弧擺動(dòng)增材具有更小的焊趾區(qū)過(guò)渡角和更大的過(guò)渡半徑，其產(chǎn)生的應(yīng)力集中更小，因此，其疲勞性能更優(yōu)[5]。

1 擺動(dòng)電弧熔絲增材的研究現(xiàn)狀

隨著擺動(dòng)焊接的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用研究，孟祥京在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，借助擺動(dòng)電弧焊接工藝及合理的擺動(dòng)參數(shù)成功解決了焊接中存在的未焊透及表面成形差等缺陷[6]。N.S.BIradar發(fā)現(xiàn)電弧擺動(dòng)會(huì)細(xì)化低碳鋼焊縫晶粒尺寸，電弧擺動(dòng)得到的熔敷區(qū)域強(qiáng)度更高，硬度稍微偏低[7]。Y Kim研究發(fā)現(xiàn)了在擺動(dòng)GMAW中，熔道、沉積區(qū)等質(zhì)量的主要影響因素是熱輸入，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了焊接速度、擺動(dòng)參數(shù)和焊接電流對(duì)熱輸入的影響規(guī)律[8]。從以上研究可以看出在研究擺動(dòng)焊接對(duì)構(gòu)件影響作用時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擺動(dòng)焊接過(guò)程中殘余應(yīng)力的分析及影響因素的研究并不多見。本文分析了擺動(dòng)電弧熔絲增材過(guò)程殘余應(yīng)力的形成機(jī)理，闡述了溫度場(chǎng)及增材路徑對(duì)殘余應(yīng)力形成的影響，為擺動(dòng)電弧熔絲工藝的研究提供一定的理論參考。

1.1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理及控制

擺動(dòng)電弧熔絲增材過(guò)程涉及冶金、熱交換、塑性變形多場(chǎng)復(fù)雜耦合過(guò)程，材料經(jīng)歷多次加熱重熔和冷卻凝固，溫度分布極其不均勻，增材過(guò)程中的多峰熱循環(huán)是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因，而影響熱循環(huán)的因素主要為增材軌跡和擺動(dòng)工藝參數(shù)。因此研究增材過(guò)程中增材軌跡和擺動(dòng)工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響具有重要意義。擺動(dòng)電弧熔絲在增材過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分為熱應(yīng)力和相變應(yīng)力兩種。其中熱應(yīng)力是增材部位金屬在受熱膨脹和冷卻收縮時(shí)在基體的約束下產(chǎn)生的。相變應(yīng)力是增材過(guò)程中疊加金屬在高溫下由于組織發(fā)生轉(zhuǎn)變引起的體積變化而產(chǎn)生的。此外環(huán)境溫度、約束條件、熔覆速度及電弧熔絲增材電流等諸多工藝參數(shù)都對(duì)構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響[9]。較高的殘余應(yīng)力是影響加工構(gòu)件力學(xué)性能和疲勞性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)材料的局部極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生開裂；當(dāng)殘余應(yīng)力高于局部屈服強(qiáng)度但低于UTS時(shí)，就會(huì)發(fā)生翹曲或塑性變形[10]。

依據(jù)熱應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，KALA SR通過(guò)對(duì)熔池尾部噴液氮進(jìn)行局部冷卻來(lái)抑制熔合區(qū)與熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力與變形[11]。BAI X為抑制構(gòu)件殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法在焊槍前、后分別施加實(shí)時(shí)的感應(yīng)預(yù)熱來(lái)分析其對(duì)增材構(gòu)件殘余應(yīng)力的影響，圖3為熔池前端感應(yīng)預(yù)熱示意圖，研究發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)不同的位置施加感應(yīng)預(yù)熱都能使增材過(guò)程中的熱輸入分布更加均勻[12]。除此之外，BAI X等還研究了在提前預(yù)熱、有無(wú)第二熱源和焊后持續(xù)加熱3種加熱狀態(tài)下的殘余應(yīng)力產(chǎn)生狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)提前預(yù)熱和焊后持續(xù)加熱由于增加了熱輸入量可以有效抑制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生[12]。王桂蘭等運(yùn)用震蕩電磁能可以在工件表面產(chǎn)生感應(yīng)熱的原理，將磁場(chǎng)引入低合金鋼的電弧熔絲增材制造過(guò)程，其實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示[13]。一方面使增材區(qū)域溫度分布更加均勻，另一方面減緩了冷卻速度，使熔絲增材過(guò)程受熱膨脹和冷卻收縮時(shí)在基體的約束下產(chǎn)生的熱應(yīng)力得到改善。

圖3 熔池前端感應(yīng)預(yù)熱示意圖[12]

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖[13]

崔彩云通過(guò)分析相變應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)了電磁錘控制電路，采用錘擊的方法細(xì)化焊道組織，研究發(fā)現(xiàn)錘擊頻率越高，焊道的金相組織越細(xì)化，相變應(yīng)力的抑制效果越好[14]。BERMINGHAM M J等通過(guò)研究熱處理工藝對(duì)電弧增材制造的Ti-6Al-4V(TC4)合金組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)去應(yīng)力退火可以在保障組織細(xì)化的前提下有效地降低相變應(yīng)力從而提高塑性，降低殘余應(yīng)力[15]。

1.2 擺動(dòng)電弧熔絲溫度場(chǎng)變化規(guī)律的研究

擺動(dòng)電弧熔絲增材過(guò)程中影響材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的根本原因是溫度場(chǎng)。因此研究溫度場(chǎng)的變化規(guī)律對(duì)控制殘余應(yīng)力具有重要意義。郭韜使用simufact.welding軟件建立窄間隙擺動(dòng)電弧的熱源模型，對(duì)在不同擺動(dòng)參數(shù)下溫度場(chǎng)的分布情況進(jìn)行了模擬仿真，研究了不同擺動(dòng)寬度下窄間隙坡口的溫度場(chǎng)分布變化以及對(duì)焊縫中心點(diǎn)與側(cè)壁點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律，如圖5所示[16]。

(a)電弧不擺動(dòng) (b)電弧擺動(dòng)4 mm (c)電弧擺動(dòng)6 mm (d)電弧擺動(dòng)8 mm

最終得出：當(dāng)電弧不擺動(dòng)時(shí)，只有一個(gè)波峰，當(dāng)增加擺動(dòng)寬度時(shí)，波峰數(shù)量逐漸增多。隨著擺動(dòng)寬度的變大，焊縫中心點(diǎn)的峰值溫度與側(cè)壁點(diǎn)峰值溫度的差距逐漸減小，進(jìn)一步使焊縫熔寬變大，使坡口處焊縫成形較好。汪瓊[17]基于擺動(dòng)窄間隙MIG焊實(shí)驗(yàn)，利用ANSYS軟件建立了擺動(dòng)電弧熱源模型，分析擺動(dòng)電弧焊接時(shí)的傳熱過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電弧擺動(dòng)有利于熱量向焊縫寬度方向傳導(dǎo)，有利于增大窄間隙焊接時(shí)的側(cè)壁熔深。同時(shí)也研究了不同的擺動(dòng)幅度對(duì)擺動(dòng)電弧焊接熱循環(huán)及溫度分布特點(diǎn)的影響，得出了與郭韜相同的結(jié)論。馬遙遙[18]利用MARC有限元分析軟件構(gòu)建了擺動(dòng)電弧熔絲增材有限元模型，通過(guò)模擬分析不同工藝參數(shù)對(duì)增材過(guò)程中溫度的影響規(guī)律，最終得出：隨著擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度以及增材速度的增加，工件的峰值溫度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，圖6～8分別展示了不同的擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度、增材速度對(duì)增材過(guò)程溫度的影響情況。

(a)f=0.8 Hz (b)f=0.9 Hz (c)f=1 Hz

1.3 擺動(dòng)電弧熔絲增材路徑的研究

擺動(dòng)電弧熔絲增材過(guò)程中，影響熱循環(huán)的另一主要因素是增材路徑，目前，關(guān)于增材路徑的研究主要集中在單道直線路徑方向的優(yōu)化，華中科技大學(xué)劉文潔[19]通過(guò)Ansys建立了電弧增材制造的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的有限元分析模型，分析了同向堆積、交錯(cuò)式堆積由外向內(nèi)和由內(nèi)向外四種單層多道路徑堆積過(guò)程，如圖9所示。仿真結(jié)果表明由內(nèi)向外螺旋堆積在散熱條件、殘余應(yīng)力分布面積和翹曲變形大小三個(gè)指標(biāo)中均為最優(yōu)，交錯(cuò)堆積的散熱狀況和翹曲變形大小指標(biāo)最差，同向堆積的殘余應(yīng)力分布指標(biāo)最差。

(a)l=5 mm (b)l=6 mm (c)l=7 mm

(a)v=2 mm/s (b)v=6 mm/s (c)v=7 mm/s

(a)同向堆積 (b)交錯(cuò)堆積 (c)由外向內(nèi) (d)由內(nèi)向外

以上研究是用于直壁零件的成形，然而面對(duì)廣泛應(yīng)用的盤形件，由于其增材路徑繁多，難度復(fù)雜，對(duì)其增材路徑的研究尤為重要，馬遙遙[18]通過(guò)有限元模擬的方法，研究了不同的增材路徑對(duì)增材過(guò)程中溫度、殘余應(yīng)力的影響，圖10～11展示了螺旋線、往復(fù)曲線、間隔曲線、同心圓對(duì)溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力的影響，針對(duì)其影響程度對(duì)4種路徑進(jìn)行排序發(fā)現(xiàn)：散熱情況從優(yōu)到差排序?yàn)椋和膱A、螺旋線、間隔曲線、往復(fù)曲線；殘余應(yīng)力從優(yōu)到差排序?yàn)椋郝菪€、同心圓、往復(fù)曲線、間隔曲線。最后將不同路徑下的各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，得出較優(yōu)的增材路徑是螺旋線和同心圓軌跡[20-21]。

(a)螺旋線 (b)往復(fù)曲線 (c)間隔曲線 (d)同心圓

(a)溫度梯度 (b)基板預(yù)熱溫度 (c)殘余應(yīng)力

2 擺動(dòng)電弧熔絲增材的研究實(shí)例

2.1 擺動(dòng)電弧熔絲增材在窄間隙焊件的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，窄間隙焊接因其焊接效率高、焊縫區(qū)域力學(xué)性能好、焊絲填充量少、電弧熱輸入量少等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)防、橋梁、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是在窄間隙焊接時(shí)，側(cè)壁與焊絲之間形成的垂直角度引起側(cè)壁金屬的熱輸入量低，從而產(chǎn)生側(cè)壁沒有完全熔合的缺陷，因此對(duì)窄間隙坡口形式的焊縫進(jìn)行跟蹤既要使側(cè)壁完全熔合又要滿足焊縫跟蹤的精度問題?；谝陨蠁栴}，郭韜借助機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置使電弧在窄間隙坡口中擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)擴(kuò)大了電弧的移動(dòng)范圍，促使側(cè)壁的熱輸入量增大[16,22-24]。具體研究過(guò)程見圖12。對(duì)采用擺動(dòng)電弧焊制的工件進(jìn)行分析得出：采用擺動(dòng)的電弧使側(cè)壁點(diǎn)峰值溫度逐漸升高，而焊縫中心點(diǎn)的峰值溫度出現(xiàn)降低趨勢(shì)，減小了側(cè)壁與焊縫中心點(diǎn)峰值溫度的差距。在保障較好的焊縫熔深的情況下，變大了焊縫熔寬，同時(shí)側(cè)壁熱輸入量的提高，使側(cè)壁成為焊縫區(qū)域的一點(diǎn)，增大了側(cè)壁熔深，有利于成形出較好的坡口焊縫。

(a)擺動(dòng)電弧傳感器 (b)擺動(dòng)電弧路徑 (c)熱循環(huán)曲線 (d)窄間隙U形坡口

2.2 擺動(dòng)電弧熔絲增材在氣閥盤面修復(fù)的應(yīng)用

電弧熔絲增材在生產(chǎn)制造中多數(shù)應(yīng)用于直壁零件的成形，關(guān)于大面積盤形件熔敷增材軌跡鮮有研究。同時(shí)，企業(yè)反映電弧熔絲增材制造目前在氣閥表層強(qiáng)化及修復(fù)應(yīng)用中存在散熱條件差，容易產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，溫度分布不合理，翹曲變形及硬度不達(dá)標(biāo)等質(zhì)量缺陷。為了解決此類問題，重慶大學(xué)馬遙遙[18]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法優(yōu)化得出由外向內(nèi)交替向間隔成形的增材路徑，分析了增材過(guò)程中殘余應(yīng)力的變化情況，利用擺動(dòng)電弧熔絲增材的方法對(duì)氣閥易損或受損部位進(jìn)行高性能材料的堆積，如圖13所示。對(duì)增材后的氣閥進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氣閥表面堆焊層成形平整美觀，表面及內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；熔敷區(qū)硬度相對(duì)于基體本身有所提高，氣閥的表層得到了強(qiáng)化，表層質(zhì)量得到了提高，滿足質(zhì)量要求。

(a)增材路徑 (b)殘余應(yīng)力 (c)氣閥增材區(qū)域 (d)氣閥增材效果

3 結(jié)論

綜合上述分析可以得出，擺動(dòng)電弧熔絲增材制造技術(shù)的研究是未來(lái)增材制造技術(shù)研究的一個(gè)新方向。擺動(dòng)電弧熔絲增材過(guò)程的擺動(dòng)參數(shù)是影響增材區(qū)溫度場(chǎng)的主要因素，也是影響工件殘余應(yīng)力、變形的重要原因。另外，不同的增材路徑會(huì)產(chǎn)生不同的熱循環(huán)、應(yīng)力、變形，甚至影響增材效率。而不合理的增材路徑及參數(shù)將直接影響增材過(guò)程的散熱情況、增材精度和穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，降低產(chǎn)品增材質(zhì)量。本文從擺動(dòng)電弧熔絲增材生產(chǎn)中常見的缺陷問題出發(fā)，分析了擺動(dòng)電弧熔絲增材技術(shù)中抑制殘余應(yīng)力及變形的形成機(jī)理，闡述了擺動(dòng)電弧熔絲增材技術(shù)的工藝參數(shù)及增材路徑對(duì)溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，旨在為擺動(dòng)電弧熔絲增材技術(shù)提供技術(shù)參考。