張加恒 ， 黃 祎 ， 郭 順 ， 楊東青 ，， 閆德俊 ， 李 東 ， 王克鴻

1.南京理工大學 受控電弧智能增材技術工業(yè)和信息化部重點實驗室，江蘇 南京 210094

2.中船黃埔文沖船舶有限公司 廣東省艦船先進焊接技術企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510715

0 前言

電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）是近年來發(fā)展迅猛的一種快速成形技術［1］，具有制造成本低、制造自由度高等優(yōu)點［2］。相比單絲增材制造，多絲多弧增材工藝由于效率高［3］、成形快［4］，近年來受到越來越多的關注。國內外學者已經對多絲電弧增材制造進行了大量研究［5］，馮曰海等人［6］驗證了等離子弧雙填絲增材制造工藝可實現(xiàn)快速增材制造，顯著降低生產成本，并提高生產效率和試樣性能。張?zhí)燹鹊热耍?］用旁路耦合三絲電弧焊的方法對Q345低碳鋼進行增材制造，通過調整旁路電流獲得了形貌最優(yōu)的單道試樣并進行增材制造，試驗表明沉積速率高達13.3 kg/h，且熔覆效率高、熱輸入小，顯著改善了試樣的顯微組織。

但在多弧情況下，仍然存在熔深不足、質量不穩(wěn)定［8］等問題。為改善金屬材料的組織與性能，在電弧增材制造工藝中引入超音頻脈沖電流早已成為一項重要技術［9］。王海龍等人［10］在高壓環(huán)境下采用超音頻直流脈沖TIG焊方法對焊縫性能進行研究，結果表明該方法在高壓環(huán)境下能夠減小熱影響區(qū)，進而提高接頭質量，而當脈沖頻率相同時，環(huán)境壓力的增加會使焊縫硬度增大。賀鉑昌等人［11］將自主研發(fā)的新型超音頻脈沖方波電弧熱源用于鎂合金電弧增材制造，通過合理控制電流參數(shù)和增材過程參數(shù)，實現(xiàn)了對AZ31鎂合金增材成形的有效控制。

根據(jù)以往研究，在合適的電弧脈沖頻率下，脈沖電弧形成的壓力波對焊接熔池有高頻振蕩作用［12］，有利于細化晶粒、減少氣孔等缺陷［13］，并在一定程度上改善焊縫組織的機械性能?；诖?，本文提出超音頻輔助三絲電弧增材工藝，在提高熔敷效率的基礎上研究分析超音頻電弧對增材成形組織的形態(tài)及分布的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材為尺寸300 mm×200 mm×10 mm的304不銹鋼板，填充材料為直徑1.2 mm的ER316L不銹鋼實芯焊絲，母材及絲材的化學成分如表1所示。

表1 母材與絲材的化學成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of wire and base metal （wt.%）

1.2 試驗設備

試驗設備示意如圖1所示，主要包括：3臺MIG焊接電源及其送絲機構、直線式三絲增材槍、送氣機構、冷卻裝置等。單絲MIG輔助電弧增材試驗的第一電源為法國SAF公司的自動MIG焊接電源；三絲MIG輔助電弧增材試驗的第一、第二電源為法國SAF公司的自動MIG焊接電源，第三電源為超音頻MIG焊接電源。三絲焊槍間距為25 mm，且三絲均垂直于水平方向向下。

圖1 試驗設備示意Fig.1 Schematic diagram of test equipment

1.3 試驗方法

試驗基本參數(shù)為：電弧移動速度（TS）7 mm/s，送絲速度（WFS）8 m/min，氣流量25 L/min，絲材干伸長10 mm?？紤]到三根絲材之間的絕對間距25 mm較大，設計垂直于增材方向的絲材與絲材之間的偏移量為8.5 mm。每組試驗采用的焊絲均為316L，焊接電源采用脈沖模式，引入頻率分別為20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz、45 kHz、50 kHz的超音頻MIG輔助工藝，得到不同頻率下的單道成形件，并觀察試樣的宏觀形貌和顯微結構。在無超音頻和有超音頻的情況下進行三絲單道多層的單墻體增材成形，并測定無超音頻試件和30 kHz超音頻試件的顯微硬度和拉伸性能。

2 試驗結果及分析

2.1 宏觀形貌

不同頻率下單道成形件的形貌如圖2所示，所有試樣表面均比較光滑，沒有明顯缺陷。施加超音頻脈沖的試樣兩側比未施加超音頻的試樣更平整，當頻率較高時（見圖2b）試樣兩側甚至有明顯堆積。

圖2 不同頻率下的單道增材成形形貌Fig.2 Appearances of single-channel additive forming under different frequencies

采用天遠三維掃描設備測量不同頻率下單道的二維尺寸并計算寬高比，結果如表2所示。施加超音頻輔助后，試件寬高比顯著下降，隨著超音頻頻率的增加，寬高比基本不變，超音頻30 kHz時單道高度最高且寬高比最小。由此可見，不同的超音頻頻率下三絲單道單層成形的熔敷道外形基本穩(wěn)定且成形良好，有利于沉積道之間的搭接和成形。

表2 不同超音頻熔敷道數(shù)據(jù)Table 2 Different superaudio cladding channel data

2.2 顯微組織

利用線切割技術按照GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在單道成形件上切割出金相試樣，然后打磨、拋光、經氯化鐵鹽酸溶液腐蝕，用XSP500型光學顯微鏡分別對左、中、右絲材的顯微組織進行分析。

常規(guī)脈沖成形試件的左、中、右絲材所成熔敷道的顯微組織如圖3所示。熔合線（圖3b白線）附近存在大量有明確生長趨向的柱狀晶和零散分布的少量等軸晶粒，且柱狀晶穿越熔合線生長。對比圖3d～3f可以看到，中間熔敷道的組織晶粒更為粗大，這是由于三絲增材過程中的熱輸入非常大且集中，中間熔敷道的散熱條件比左、右兩邊差，熔池內部溫度梯度最小且最后完全凝固，故中間熔敷道的微觀組織沒有明顯的擇優(yōu)生長取向，各向異性沒有明顯體現(xiàn)，且在較強的熱效應下多成長為粗大的等軸晶粒。

圖3 常規(guī)脈沖電弧三絲單道增材成形的微觀組織Fig.3 Microstructure of conventional pulsed arc triple-wire single-channel additive forming

對中間道的絲材施加50 kHz超音頻脈沖電弧后，左、中、右絲材所成熔敷道的顯微組織如圖4所示。從圖4b、4e可看出，中間熔敷道組織明顯細化，樹枝狀結構傾向明顯被打破，其微觀組織由大量等軸晶粒組成，同時隨機分布著少量柱狀晶粒。左、右邊絲所成熔敷道的微觀組織更加明顯地關于中間絲材呈鏡面對稱，且生長方向指向中間絲材。從圖4d～4f可看出，中間絲材的晶粒尺寸較兩邊絲材有所增加，這是由于超音頻頻率增加，熔池內部的能量增加而冷卻速度減緩，導致了組織粗大。

圖4 50 kHz超音頻脈沖電弧三絲單道增材成形的微觀組織Fig.4 Microstructure of 50 kHz superaudio pulsed arc triple-wire single-channel additive forming

對不加高頻、加35 kHz和50 kHz超音頻電弧試樣的顯微組織（見圖5、圖6）進行分析對比。與不加超音頻的試樣（見圖5a）相比，超音頻試件（見圖5b、5c）組織中的枝晶排列呈現(xiàn)有序性，枝晶生長方向與堆積方向一致，35 kHz 時組織為等軸樹枝晶和柱狀晶的混合組織，50 kHz時組織為等軸樹枝晶組織，其中細小的等軸非枝晶組織呈帶狀分布，由此可以看出超高頻脈沖電弧對顯微組織具有一定的細化作用。

從圖6可以看出，隨著頻率增大，平均晶粒尺寸呈現(xiàn)先減后增的趨勢，這是因為超音頻促進了熔池內部攪拌，枝晶破碎，使得晶核數(shù)目增加，同時固液界面處也變得不穩(wěn)定，粗大枝晶破碎，這都能夠細化晶粒。但隨著頻率進一步增加，超音頻帶來的能量會減緩冷卻速度，導致枝晶粗大。

圖6 500倍下不同超音頻頻率下脈沖電弧三絲單道增材成形的微觀組織Fig.6 Microstructure of pulsed arc triple-wire single-channel additive forming under different superaudio frequencies at 500 times

2.3 顯微硬度

將無超音頻輔助單道墻體試件和30 kHz成形墻體試件沿垂直于成形方向截斷，并對截面進行磨制拋光，用HVS-1000ZB型顯微硬度計進行維氏硬度的測定，參考龐義斌［14］測試顯微硬度的方法，在顯微硬度測試過程中，加載力為500 N，加載時間為10 s，在墻體橫截面橫向每隔2 mm打一個點，縱向每隔1 mm打一個點（打點位置見圖7），取其平均值作為最終結果。

圖7 打點位置示意Fig.7 Schematic diagram of hitting position

表3、表4分別為無高頻試件與30 kHz試件各位置顯微硬度。由表3可知，熔敷道底部硬度達到190 HV，從熔敷道底部到試件表面硬度一開始呈現(xiàn)陡降趨勢，而后隨著與熔合線距離的增大，硬度下降趨勢變得平緩，在熔合線與成形表面的中間位置顯微硬度逐漸趨于穩(wěn)定，而在靠近成形表面時硬度又呈現(xiàn)出比較明顯的上升趨勢。分析認為，靠近熔合線處硬度最高，是因為熔合線附近尺寸大的晶粒數(shù)量很少，遠離熔合線的位置晶胞變大，硬度下降，而成形件表面由于散熱性良好，易出現(xiàn)等軸晶區(qū)，所以硬度反而提高。

表3 無高頻試件各位置顯微硬度Table 3 No superaudio specimen microhardness at each position

表4 30 kHz試件各位置顯微硬度Table 4 Microhardness of 30 kHz specimen at each position

加入超音頻后，在熔合線向基板的過渡區(qū)出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象，與常規(guī)脈沖電弧相比，該處硬度有所下降。經過顯微組織的分析得知超音頻電弧增材試件的顯微組織細小，因而顯微硬度整體高于常規(guī)脈沖電弧增材試件的顯微硬度。綜上，引入超音頻脈沖并未改變試件硬度的變化規(guī)律，但是整體提高了試件的顯微硬度。

2.4 拉伸力學性能

用UMT4303型萬能拉伸試驗機分別對無音頻輔助單道墻體試件和30 kHz單道墻體試件進行拉伸試驗。按照GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》切割出拉伸試樣并打磨拋光，在xoy平面方向（成形速度方向，水平拉伸）和yoz平面方向（垂直于沉積方向，橫向拉伸）各選取3個試樣，如圖8所示，測試其抗拉強度，通過記錄原始標距和斷后標距計算斷后伸長率，所得數(shù)據(jù)分別如表5和表6所示。30 kHz超音頻增材試件的橫向和水平平均抗拉強度分別為559 MPa、521 MPa，與常規(guī)脈沖電弧增材試件相比均有所提高。而且30 kHz試件在水平方向上的平均斷裂延伸率達到39.3%，與無超音頻試件相比有大幅提升。材料的力學性能受顯微組織的影響較大，加入超音頻脈沖電弧后，試件的顯微組織得到了不同程度的細化，所以其抗拉強度也得到了不同程度的提升。

圖8 取樣位置Fig.8 Sampling position

表5 無高頻試件拉伸試驗數(shù)據(jù)Table 5 No superaudio tensile test data

表6 30 kHz試件拉伸試驗數(shù)據(jù)Table 6 Tensile test data of 30 kHz specimen

3 結論及展望

（1）開展了超音頻三絲電弧增材制造工藝研究試驗，自主搭建了超音頻三絲電弧增材制造平臺，在采用常規(guī)脈沖MIG電弧和給中間絲材施加一系列大于等于20 kHz超音頻頻率的情況下進行三絲電弧增材制造，結果表明，超音頻為30 kHz時單道高度為3.8 mm，寬高比為6.81，此時外貌最好，后續(xù)以此制備單墻體。

（2）顯微組織對比分析表明，在超音頻輔助作用下，兩邊絲材的微觀組織更明顯地關于中間絲材鏡面對稱，而中間絲材的晶粒得到一定程度的細化。但如果頻率超過30 kHz時，超聲波在介質中產生的能量過高，冷卻速度減緩，導致了晶粒粗化。

（3）力學性能試驗表明，引入超音頻脈沖整體提高了試件顯微硬度，水平平均抗拉強度從441 MPa提升到521 MPa，橫向平均抗拉強度從536 MPa提升到559 MPa，水平平均斷裂延伸率提高39.3%。

（4）本文中加入超音頻輔助后試樣硬度未獲得明顯提高，下一步將對提高墻體硬度等方面進行研究，促使該增材方法在工程中的應用。