方學(xué)偉 蔣 笑 王 喆 武曉康 黃 科

1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710049 2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢，430033

0 引言

增材制造技術(shù)是基于零件的三維模型分層切片數(shù)據(jù)，利用特殊的能量源將填充材料(粉材、絲材)逐點(diǎn)、逐線、逐層沉積，堆積成所希望形狀零件的技術(shù)[1]，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形處理、數(shù)字化控制技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、材料技術(shù)、焊接技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。與傳統(tǒng)的加工方法相比，增材制造技術(shù)無(wú)需模具，成形后只需要少量機(jī)械加工甚至不需要加工就可以完成零件的制造，可制作傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的復(fù)雜零件[2]。電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)技術(shù)因其沉積速率高、設(shè)備成本低、材料利用率高以及大型金屬結(jié)構(gòu)件制造的環(huán)境友好等特點(diǎn)，日益受到工業(yè)部門(mén)的關(guān)注[3-5]。過(guò)去10年，這項(xiàng)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)展引起了世界各地研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[6]。

電弧增材制造成形過(guò)程中，單道焊縫的截面幾何形狀和單層多道搭接率的選擇對(duì)金屬零件成形的幾何精度和力學(xué)性能至關(guān)重要[7]。KIM等[8-10]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多元回歸方法分別建立了預(yù)測(cè)焊縫寬度、高度和熔深的模型，這些模型均可保證一致的焊縫質(zhì)量，并證實(shí)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀UE等[11]采用模糊回歸方法建立了4個(gè)過(guò)程變量(絲材直徑、電弧電壓、焊接速度和焊接電流)與焊道寬度的關(guān)系模型，預(yù)測(cè)了最佳焊道寬度。上述研究均是對(duì)焊道的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)，目前，對(duì)單道截面形狀整體還缺乏系統(tǒng)的研究。烏日開(kāi)西等[7]基于試驗(yàn)研究了焊縫截面的幾何形狀，并采用圓弧曲線進(jìn)行擬合。CUI等[12]采用拋物線對(duì)焊道形貌進(jìn)行分析，獲得了多道搭接的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)前，對(duì)焊縫截面幾何形狀研究不多，并缺乏對(duì)誤差和準(zhǔn)確性的定量分析。

根據(jù)電弧增材制造對(duì)焊道形貌的研究現(xiàn)狀，本文通過(guò)擬合ER120S-G高強(qiáng)鋼熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)的單道截面輪廓，發(fā)現(xiàn)正弦函數(shù)與單道輪廓更匹配，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化的斜頂搭接模型，推導(dǎo)出多道搭接的最優(yōu)搭接間距。最后，以最優(yōu)搭接間距打印多層多道塊體，試驗(yàn)驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的結(jié)果，并對(duì)其組織及性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)將500 mm×500 mm×30 mm 的Q235合金鋼板作為成形基板。焊絲為直徑1.2 mm 的ER120S-G高強(qiáng)鋼焊絲，Q235基板和ER120S-G焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 焊絲與基板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of welding wire and substrate (mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以FRONIUS-CMT Advanced 4000R焊機(jī)為成形系統(tǒng)的熱源，配套送絲裝置為FRONIUS-VR-1550，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用KUKA-KR16六自由度機(jī)器人，如圖1所示。增材制造前，先打磨基板，再用丙酮擦拭表面，去除油污。保護(hù)氣為20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)CO2與80%Ar的混合氣體，保護(hù)氣流量設(shè)定為22 L/min。焊絲干伸長(zhǎng)設(shè)定為12 mm，焊接模式選擇脈沖熔化極氣體保護(hù)焊(pulsed gas metal arc welding，GMAW-P)以減小熱輸入，獲得形貌良好的焊道和搭接效果。

圖1 成形系統(tǒng)實(shí)體圖Fig.1 Entity diagram of forming system

脈沖模式下，選擇相同送絲速度(6 m/min)、不同焊槍行進(jìn)速度(0.3 m/min、0.4 m/min、0.5 m/min、0.6 m/min、0.7 m/min)進(jìn)行單道焊道打印，并對(duì)其開(kāi)展截面輪廓擬合分析。

對(duì)GMAW高強(qiáng)鋼單層焊道試樣使用線切割沿垂直與掃面方向切開(kāi)，在金相預(yù)磨機(jī)上依次使用粒度80、400、800、1000、1500和2000的砂紙去除試樣表面劃痕，然后使用SiO2拋光液拋光試樣表面直至無(wú)可視劃痕，最后采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)截面進(jìn)行腐蝕。

選取最佳搭接間距參數(shù)成形多層多道塊體，在塊體中部沿沉積方向均勻切取3個(gè)10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，如圖2所示。對(duì)金相試樣打磨、拋光后，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕拋光面30 s，并在萊卡DM2500M金相顯微鏡上觀測(cè)腐蝕拋光面。

圖2 多道多層塊體取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of multichannel multilayer block sampling

此外，按照?qǐng)D2所示坐標(biāo)系從塊體的XOY、ZOY、XOZ三個(gè)面上取樣，在每個(gè)面內(nèi)分別沿橫縱方向制備拉伸樣(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002)，尺寸如圖3所示。采用磨床和電磨筆打磨拉伸試樣表面至無(wú)劃痕。采用INSTRON1195萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，拉伸速度為1 mm/min。

圖3 拉伸試樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of tensile specimens

2 成形工藝優(yōu)化

2.1 單層焊道截面輪廓擬合分析

在體視顯微鏡下觀察GMAW高強(qiáng)鋼單層焊道截面(圖4)。

(a)0.3 m/min (b)0.4 m/min (c)0.5 m/min

(d)0.6 m/min (e)0.7 m/min圖4 不同焊槍行進(jìn)速度下的單道截面輪廓Fig.4 Single-channel cross-sectional profiles of samples at different travelling speed

為獲得清晰的單道輪廓信息，在圖像標(biāo)定后，使用Canny算子提取邊緣完整且無(wú)斷口的輪廓，如圖5所示。為進(jìn)一步提高提取輪廓質(zhì)量，借助MATLAB軟件中的高斯濾波算法對(duì)輪廓進(jìn)行平滑處理，從獲取焊道的輪廓信息。

(a)Canny算子提取輪廓 (b)高斯濾波后的輪廓圖像圖5 提取焊道輪廓Fig.5 Extraction of weld channel profile

分別采用拋物線函數(shù)y=a+bx+cx2、高斯函數(shù)y=aexp(-(x-b)2/c2)和正弦函數(shù)y=asin(2πx/c+b)擬合單道輪廓曲線，其中，a、b、c均為通過(guò)試驗(yàn)擬合測(cè)量得到的模型參數(shù)。

運(yùn)用MATLAB軟件將提取出的焊道輪廓曲線分別與所選的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合。由表2可直觀看出，3條曲線均可以不同程度上反映成形單道的輪廓。

表2 不同焊槍行進(jìn)速度樣品單道輪廓擬合結(jié)果Tab.2 Single-pass profile fitting curves of samples at different travelling speed

采用殘差和擬合方差定量比較3種擬合曲線與輪廓曲線的吻合程度。由圖6a～圖6e可以看出，焊槍行進(jìn)速度從0.3 m/min增大到0.7 m/min時(shí)，正弦曲線和拋物線的殘差相比高斯曲線的殘差小，更符合實(shí)際的焊道輪廓曲線。

(a)0.3 m/min (b)0.4 m/min (c)0.5 m/min

(d)0.6 m/min (e)0.7 m/min (f)擬合方差對(duì)比圖6 不同擬合曲線的殘差分布圖及擬合方差Fig.6 Distribution of residuals and variation of the fit using different fitting curves

單道輪廓和3條曲線的擬合方差如圖6f所示，焊槍行進(jìn)速度從0.3 m/min增大到0.7 m/min時(shí)，3個(gè)模型的擬合方差均超過(guò)了94%，表明擬合效果均較好。擬合方差從大到小排列分別為正弦函數(shù)、拋物線函數(shù)、高斯函數(shù)，其中，正弦函數(shù)的平均擬合方差大于0.99，更吻合GMAW成形單道輪廓。

2.2 單層多道搭接模型

選擇正弦函數(shù)建立搭接的單道模型后，相鄰兩個(gè)單道的搭接間距直接影響單層多道成形的表面質(zhì)量。搭接間距大于或等于單道寬度時(shí)，兩道相鄰的焊縫之間沒(méi)有搭接材料，此時(shí)表現(xiàn)為未搭接，如圖7a所示；隨著搭接間距的減小，相鄰焊縫之間出現(xiàn)波谷，此時(shí)搭接表現(xiàn)為欠搭接，如圖7b所示；兩條焊道重疊區(qū)域的面積等于波谷區(qū)域的面積時(shí)，搭接表面接近于理想平面，此時(shí)稱為理想搭接，如圖7c所示；當(dāng)搭接間距繼續(xù)減小，重疊區(qū)域面積的增大導(dǎo)致形成波峰，進(jìn)而破壞搭接處的表面平整度，如圖7d所示。

(a)未搭接 (b)欠搭接

(c)理想搭接 (d)過(guò)搭接圖7 典型搭接模式Fig.7 Typical lap joint model

根據(jù)單層單道的形貌曲線以及一定的搭接原則確定搭接間距。這種方法可在工藝參數(shù)改變時(shí)，直接根據(jù)對(duì)應(yīng)的焊道模型得出搭接間距，無(wú)需進(jìn)行多次試驗(yàn)。目前主要的兩種理想搭接模型為平頂模型[13]、斜頂模型[14]。

2.2.1平頂搭接模型

圖8為平頂搭接模型示意圖，為使成形表面平滑、搭接質(zhì)量好，當(dāng)搭接間距為理想搭接間距時(shí)，重合區(qū)域的面積與波谷區(qū)域的面積相等，即SAEB=SCDE。選用正弦函數(shù)擬合曲線時(shí)，第一道單道的輪廓曲線為

圖8 平頂搭接數(shù)學(xué)模型Fig.8 Mathematical model of flat-top lap

f(x)=hsin(πx/w)

(1)

式中，h為單道的頂點(diǎn)高度；w為單道的道寬。

根據(jù)對(duì)稱關(guān)系可得出，理想搭接時(shí)SAEB=SCDE，即2SCEF=2SEGB，則

(2)

最終求得理想搭接間距d=2w/π。

2.2.2斜頂搭接模型

斜頂搭接模型假設(shè)兩條單道搭接時(shí)，重合區(qū)域的液態(tài)金屬在波谷區(qū)域的填充是不均勻的，液態(tài)金屬凝固時(shí)形成自由曲面[13]，具體數(shù)學(xué)模型如圖9所示。

圖9 斜頂搭接數(shù)學(xué)模型Fig.9 Mathematical model of slant top lap

在單道截面擬合研究的基礎(chǔ)上，考慮模型計(jì)算的復(fù)雜度，定義f2(x)為過(guò)F點(diǎn)和D點(diǎn)的拋物線函數(shù)，A點(diǎn)為第二條焊道的左側(cè)邊界，假設(shè)F點(diǎn)與A點(diǎn)的X坐標(biāo)相同。當(dāng)搭接間距為理想搭接間距時(shí)，SAEB=SFDE，等式兩邊均與曲邊三角形AFE面積相加后，可得SAEB+SEFA=SFDE+SEFA，即SAFB=SFDA。曲邊三角形AFB的面積為

(3)

曲邊三角形FDA的面積在當(dāng)前坐標(biāo)系難以計(jì)算，故將坐標(biāo)系沿X軸正方向平移d，結(jié)果如圖10所示。

圖10 X正方向平移d后的模型Fig.10 The coordinate system is translated along the X direction d

根據(jù)平移原則，f2(x)為通過(guò)F點(diǎn)(0，hsin(πd/w))和D點(diǎn)(w/2，h)的拋物線，則有

(4)

又由于SFDA-SAFB=0，故

(5)

利用MATLAB軟件求解上述方程，得到兩個(gè)實(shí)數(shù)根d1=1.03w，d2=0.66w。d1=1.03w時(shí)會(huì)出現(xiàn)未搭接，顯然不合理，故在斜頂模型中理想搭接間距為0.66w。

2.2.3搭接間距驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證上述兩模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)參數(shù)如下：送絲速度6 m/min，焊接速度0.5 m/min，保護(hù)氣流量20 L/min，干伸長(zhǎng)12 mm，保護(hù)氣80%Ar+20%CO2。搭接間距d按照0.60w、0.63w、0.66w、0.70w進(jìn)行單層兩道搭接模型的試驗(yàn)。

將試樣沿垂直于掃描方向切開(kāi)，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，在體視顯微鏡下進(jìn)行拍攝。為方便直觀展示和后續(xù)計(jì)算，使用MATLAB進(jìn)行圖像處理并提取輪廓(圖11)。

圖11 不同搭接間距的單層兩道成形輪廓Fig.11 Single-layer two-pass forming profile with different lap spacing

為定量分析比較波谷區(qū)域不同搭接間距的單層兩道試樣的平面度，以第一道單道高度為基準(zhǔn)，定義相對(duì)偏差：

ey=(y-h1)/h1

(6)

式中，y為沿著搭接方向橫向尺寸對(duì)應(yīng)的試樣高度；h1為第一道的單道高度。

所取搭接輪廓點(diǎn)的高度大于第一道高度時(shí)，相對(duì)誤差為正向誤差，表現(xiàn)為過(guò)搭接；輪廓點(diǎn)高度小于第一道高度時(shí)，相對(duì)誤差為負(fù)向誤差，表現(xiàn)欠搭接。不同搭接間距試樣波谷區(qū)域沿試樣寬度方向的分布偏差如圖12所示，可看出隨著搭接間距的增大，正向偏差減小，而負(fù)向偏差增大，搭接間距為0.66w時(shí)的正向偏差基本為0。搭接成形的過(guò)程中，正向偏差逐漸累計(jì)增大，如圖13所示，間接減小了干伸長(zhǎng)，影響成形質(zhì)量，故應(yīng)盡量避免產(chǎn)生較大的正向偏差。

圖12 不同搭接間距試樣波谷區(qū)域相對(duì)偏差Fig.12 Relative deviation of valley area of specimens with different lap spacing

圖13 正向偏差逐漸累計(jì)Fig.13 Gradual accumulation of positive deviation

GMAW堆積成形的表面有不同程度的高低起伏，必須經(jīng)過(guò)后期的減材加工，使平面平整，才能得到最終的結(jié)構(gòu)件。波谷區(qū)域的最大高度差稱為后期減材加工的最大切削量，故在控制正向偏差的同時(shí)，獲得盡量小的最大切削量。由圖14可看出，最大切削量基本隨搭接間距的增大而增大。綜合來(lái)看，搭接間距為0.66w時(shí)，正向偏差可控制在較低的水平，最大切削量也在較低的水平。通過(guò)Halcon軟件計(jì)算試樣截面的有效面積比(搭接縱向截面中，減去最大切削量區(qū)域得到的面積與整體面積的比值)，如圖14所示。搭接間距為0.66w時(shí)可獲得最大的有效面積比，從而證明搭接間距為0.66w時(shí)，材料利用率最高。

圖14 不同搭接間距搭接質(zhì)量Fig.14 Lap quality at different lap spacing

綜上所述，ER120S-G高強(qiáng)鋼GMAW-P電弧增材制造中，搭接間距為0.66w時(shí)可獲得最好的搭接質(zhì)量，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3 熱輸入對(duì)搭接質(zhì)量的影響

本次實(shí)驗(yàn)采用一元化焊接模式，送絲速度增大時(shí)熱輸入也相應(yīng)地增大，從而影響熔滴過(guò)渡和熔池流動(dòng)行為，對(duì)單層焊道的成形表面質(zhì)量有重大影響。

增加送絲速度為4 m/min和8 m/min(其他條件不變)的兩組試驗(yàn)，得到的單層兩道試樣輪廓如圖15所示。采用Halcon軟件計(jì)算表面最大切削量和截面有效面積比。

圖15 不同送絲速度(熱輸入)下單層兩道截面輪廓Fig.15 Cross-sectional profile of single layer with two passes at different wire feeding speeds (heat input)

由圖16可以看出，送絲速度6 m/min能獲得最好的搭接質(zhì)量。這是因?yàn)樗徒z速度較小時(shí)，熱輸入較小，熔化液滴凝固快、鋪展性差，波谷區(qū)域未能良好填充；送絲速度較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬增多，波峰高度顯著增加，波峰和波谷的高度差增大，導(dǎo)致材料利用率減小、切削量增大。故在搭接間距選定后，適中的熱輸入(送絲速度)可以獲得更為良好的表面搭接質(zhì)量。

圖16 不同熱輸入搭接質(zhì)量Fig.16 lap quality with different heat input

3 多層多道塊體性能分析

在上述研究的基礎(chǔ)上成形多層多道塊體，具體的焊接條件如下：焊接速度為0.5 m/min，送絲速度為6 m/min，搭接間距為0.66w，模式為GMAW+P，層間等待時(shí)間為60 s，采用層間首尾交替的沉積路徑，且相鄰層之間錯(cuò)峰沉積，如圖17所示。這樣的沉積路徑可以避免波峰波谷高度誤差的累積，獲得搭接質(zhì)量更好的塊體。最終成形的多層多道塊體表面精度高、無(wú)可見(jiàn)缺陷，道與道之間結(jié)合良好，如圖18所示。

(a)層間首尾交替沉積路徑

(b)層間錯(cuò)峰沉積圖17 多層多道沉積路徑Fig.17 Multi-layer multi-lane deposition path

(a)塊體宏觀形貌 (b)塊體上表面圖18 多層多道塊體樣件Fig.18 Multi-layer multi-lane block specimen

3.1 多層多道塊體微觀組織分析

圖19所示為不同區(qū)域ER120S-G高強(qiáng)鋼試樣金相組織形貌，可以看出晶粒朝著某一方向傾斜，且整個(gè)試樣中的晶粒傾斜方向交替變化。這是由于WAAM成形過(guò)程中，晶粒的生長(zhǎng)為外延生長(zhǎng)，且總是朝著散熱最快的方向生長(zhǎng)。塊體沿Z方向沉積的過(guò)程中，采用首尾交替的沉積路徑，故試樣內(nèi)晶粒的傾斜方向交替變化。

(a)上層區(qū)域 (b)中層區(qū)域 (c)下層區(qū)域圖19 不同區(qū)域試樣微觀組織性能Fig.19 Microstructure properties of samples in different regions

多層多道塊體的成形過(guò)程中，每沉積一層，其下方的沉積層將會(huì)經(jīng)歷一次快速升溫-快速冷卻的過(guò)程。當(dāng)沉積到一定層數(shù)后，該交變熱循環(huán)使得熱量不斷累積，導(dǎo)致下方一定區(qū)域的溫度超過(guò)相變點(diǎn)而發(fā)生相變，相變區(qū)域以下的部分金屬產(chǎn)生回火效應(yīng)。由圖19可看出，塊體中間部位的組織主要為粒狀貝氏體(granular bainite，GB)和馬氏體-奧氏體(martensite-austenite，M-A)組元，頂部和底部的組織為GB、M-A組元和針狀鐵素體(acicular ferrite，AF)。WAAM 沉積過(guò)程中，每道沉積層要經(jīng)歷多次熱循環(huán)，因此整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程非常復(fù)雜。低碳低合金鋼中存在諸多物相，但其形成溫度有一定的重疊，例如針狀鐵素體的形成溫度在500 ℃左右，粒狀貝氏體的形成溫度約550 ℃。塊體頂部和底部直接與空氣和基板接觸，散熱較快，而中部區(qū)域隨著不斷的熱循環(huán)，一直保持著較高的溫度。粒狀貝氏體的形成溫度高于針狀鐵素體，所以中間部位更有利于粒狀貝氏體的形成。

3.2 多道多層塊體拉伸性能分析

塊體的力學(xué)拉伸結(jié)果如圖20所示。由圖20a可以看出，相同方向不同面的拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度變化不大，雖然延伸率沿Y、Z方向有一些差別，但總的拉伸性能與所在面的關(guān)系不大。將3個(gè)方向的拉伸試樣取均值，X向(橫向搭接方向)、Y向(掃描方向)、Z向(堆積高度方向)的抗拉強(qiáng)度均值分別為961.85 MPa、1013.54 MPa、989.32 MPa，延伸率均值分別為15.34%、13.05%、14.34%。力學(xué)性能各向異性的原因是，采用GMAW-P成形工藝成形高強(qiáng)鋼時(shí)，焊道表面易附著氧化物表皮，影響層與層、道與道之間的搭接質(zhì)量。X向和Z向存在多道焊接搭接，而Y向?yàn)榻饘龠B續(xù)堆積成形方向，故X向和Z向的性能稍弱于Y向的性能。

(a)抗拉強(qiáng)度

(b)斷后伸長(zhǎng)率圖20 塊體不同方向的拉伸性能Fig.20 Tensile properties of blocks in different directions

4 結(jié)論

(1)對(duì)于ER120S-G高強(qiáng)鋼電弧增材制造單道形貌，相比拋物線和高斯函數(shù)，采用正弦函數(shù)可獲得更好的擬合效果，平均擬合方差大于0.99。

(2)本文采用斜頂搭接模型計(jì)算出的最優(yōu)搭接間距為0.66倍的單道寬度。理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均表明，采用該搭接間距可獲得最大的材料利用率和較小的表面切削量，選擇適中的熱輸入可以提高搭接表面的精度。

(3)受電弧增材制造過(guò)程中交變熱循環(huán)的影響，ER120S-G高強(qiáng)鋼多層多道塊體的中部區(qū)域比頂部和底部更容易形成粒狀貝氏體。搭接處易產(chǎn)生氧化表皮，降低了搭接質(zhì)量，因此抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的各向異性。