賈劍平,李田雨

(南昌大學先進制造學院,南昌 330031)

0 引 言

增材制造技術具有材料利用率高、無需模具、制造周期短等優(yōu)點,逐漸被人們所關注。增材制造所用熱源包括激光、電子束和電弧3種,其中電弧增材制造能夠采用現(xiàn)有的焊接設備來制造大型復雜結構的金屬構件,因成本低廉且加工速度快而在航空航天領域應用廣泛[1]。

在電弧增材制造過程中,熱源會重復對基板和成形部分輸入熱量,從而產(chǎn)生復雜的溫度場,繼而影響構件的顯微組織,導致構件的成形精度和力學性能發(fā)生變化[2]。因此,研究增材制造過程中成形件溫度場的變化規(guī)律對得到高品質成形件具有重要的意義。然而,電弧增材制造涉及到多種物理場的耦合,且試驗中很難測定構件內(nèi)部的溫度場變化,因此通常采用數(shù)值模擬的方法對構件溫度場進行研究[3-9]。陳建剛等[3]利用有限元方法研究了5056鋁合金堆焊溫度場分布,發(fā)現(xiàn)在焊接方向上等溫線前疏后密,橫截面上的等溫線表現(xiàn)為一組同心半橢圓的形狀。邸艷艷等[4]基于有限元法對電弧增材制造316L不銹鋼的溫度場進行模擬,發(fā)現(xiàn)堆積過程中構件的前4層會對基板產(chǎn)生較大的熱影響,距基板上表面6 mm范圍為熱影響敏化區(qū)。趙鵬康等[5]基于有限元法建立了鎢極惰性氣體保護增材制造鋁合金模型,通過模擬發(fā)現(xiàn)往復式增材可明顯減少因熱積累而在息弧端產(chǎn)生的缺陷,同時對基板進行合理的預熱有利于溫度分布的均勻性。GENG等[6]建立了由有限元模型與微觀相場模型耦合而成的模型,研究了鋁合金電弧增材制造過程中組織的演變。YILDIZ等[7]通過數(shù)值模擬方法研究了不同熱輸入對電弧增材制造低碳鋼壁體層間溫度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增加,散熱效果變差,當熱輸入增加一倍時,層間溫度升高46%。GOKHALE等[8]通過有限元模擬方法研究了鎢極氬弧焊增材制造低碳鋼的溫度場,發(fā)現(xiàn)在上一道焊道與下一道焊道的轉折點處,溫度會急劇升高。DONG等[9]通過試驗和有限元模擬發(fā)現(xiàn),較高的層間溫度導致電弧增材制造Al-Zn-Mn-Cu四元合金孿晶取向不均勻,晶粒細化,大角度晶界增多。

鋁合金具有焊接性好、耐腐蝕性強、強度高等優(yōu)點,廣泛應用于航空航天領域中。冷金屬過渡(cold metal transfer, CMT)技術是一種將高頻變化的電流與焊絲回抽相匹配的焊接技術,具有焊接熱輸入低、焊接過程穩(wěn)定的特點[10],非常適用于制造鋁合金構件。目前,未見有關鋁合金CMT電弧增材制造過程溫度場的報道。為此,作者采用有限元分析軟件ABAQUS建立了5183鋁合金CMT電弧增材制造有限元模型,模擬分析了增材制造過程中的溫度場分布和變化規(guī)律,并進行了試驗驗證;采用該模型研究了增材制造路徑、層間冷卻時間和焊接速度對構件溫度場的影響,擬為鋁合金增材制造的模擬研究提供一定的參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗基板為5052鋁合金,尺寸為200 mm×50 mm×6 mm,試驗材料為ER5183鋁合金焊絲,直徑為1.2 mm?；搴秃附z的化學成分見表1。采用TransPuls Synergic 4000型CMT焊機進行單道10層堆焊成形,長度為120 mm,保護氣為體積分數(shù)99.99%的氬氣,送絲速度為5.0 m·min-1,根據(jù)焊絲種類和送絲速度自動匹配的焊接電流為85 A,焊接電壓為12.6 V,焊接速度為450 mm·min-1,層間冷卻時間為60 s,氣體流量為18 L·min-1。在增材制造過程中使用K型熱電偶對基板的P點進行測溫,具體位置如圖1所示。

圖1 測溫點P的位置示意Fig.1 Schematic of thermometric site P position

表1 基板和焊絲的化學成分Table 1 Chemical composition of base plate and welding wire

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

采用ABAQUS軟件建立單道10層5183鋁合金模型,其中基板尺寸為200 mm×50 mm×6 mm,5183鋁合金成形試樣尺寸為120 mm×6 mm×20 mm,每層堆焊層高2 mm。采用八節(jié)點線性傳熱六面體單元DC3D8對模型進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分非均勻,其中成形試樣的網(wǎng)格尺寸較小,單元尺寸為1 mm×1 mm×0.5 mm,遠離成形試樣區(qū)域的網(wǎng)格尺寸適當加大,單元數(shù)共55 680個。單道10層成形試樣的有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。在增材制造過程中,焊絲隨著熱源的移動不斷熔化堆積凝固成形,這是一種從無到有的過程,在有限元模型中需要用生死單元法模擬這一過程。在熱源未到達的區(qū)域,無材料堆積,需要把此部分的單元“殺死”,使該部分單元處于待激活的狀態(tài),即把不參與計算單元的參數(shù)乘以一個極小的值,使其趨近于0。在熱源到達后,將單元激活,將參數(shù)恢復到原來數(shù)值參與求解,單元激活的速度和熱源移動的速度相匹配,以此來實現(xiàn)有限元模型中沉積層的逐層累加。

圖2 單道10層5183鋁合金成形試樣的有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of finite element model of single-pass ten-layer 5183 aluminum alloy formed samples

2.2 熱物性參數(shù)、邊界條件及熱源的選取

材料的熱物理性能會隨著溫度的變化而變化,且CMT電弧增材制造過程中存在著金屬熔化的過程,需要考慮熔化潛熱。采用等效比熱容法[11]將熔化潛熱換算成比熱容,具體公式為

ce=c1+c0

(1)

(2)

式中:ce為等效比熱容;c1為比熱容;c0為潛熱比熱容;L為熔化潛熱;TL為液相線溫度;TS為固相線溫度。

基板熱物理性能參考文獻[12]。焊絲的熱物理性能缺少相關數(shù)據(jù),故采用JMatPro軟件進行計算;采用上述等效比熱容法計算比熱容,結果如表2所示。

表2 JMatPro軟件計算得到的焊絲熱物理性能Table 2 Thermal physical properties of welding wire obtained by calculation with JMatPro software

由于堆焊是在空氣中進行的,因此需要考慮成形試樣與外界的散熱作用,主要包括對流散熱及輻射散熱。通過綜合散熱系數(shù)H來等效試樣與外界發(fā)生的熱交換[13],H的表達式為

(3)

式中:T,T0分別為材料的實時溫度和周圍環(huán)境的溫度;h為熱交換系數(shù);ε為表面輻射效率;σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù),5.67×10-8W·m-2·K-4。

雙橢球熱源模型是最為常用的一種熱源模型,為加快計算效率并加強計算的收斂性,將雙橢球熱源模型簡化為一個半橢球模型[14],簡化后的熱源模型可以表示為

(4)

式中:q為距離熱源中心處的熱流密度;a,b,c為熱源模型幾何尺寸參數(shù);U為電壓;I為電流;η為熱源效率;x,y,z為熱源中心的坐標值。

利用Fortran語言編寫半橢球熱源子程序,將熱源子程序加載到模型中,a取4 mm,b取3 mm,c取2 mm,η取0.85[15]。

3 試驗驗證與模擬結果分析

3.1 試驗驗證

將相同參數(shù)下通過試驗與模擬得到的P點的熱循環(huán)曲線進行對比,結果如圖3所示。由圖3可知,試驗與模擬得到的熱循環(huán)曲線的峰值溫度相對誤差不超過6.17%,波谷溫度的相對誤差不超過8.93%,且模擬熱循環(huán)曲線的變化趨勢與試驗結果基本一致。這驗證了所建立模型的準確性。

圖3 試驗和模擬得到P點的熱循環(huán)曲線Fig.3 Thermal cycle curves of point P by test and simulation

3.2 溫度場演變

選取焊接速度為450 mm·min-1,送絲速度為5.0 m·min-1,層間冷卻時間為20 s,每層增材制造路徑相同的一組模型,對其溫度場進行分析。由圖4可以看出,隨著堆焊層數(shù)的增加,熔池峰值溫度升高,第2,6,10層收弧時的熔池峰值溫度分別為1 055, 1 321, 1 388 ℃。這是由于靠近基板的焊道可以向基板以熱傳導方式散熱,基板表面積大,且與工作臺相接觸,越靠近基板焊道的散熱越好,熔池峰值溫度越低;同時,前一道焊道殘留的層間溫度對后一道焊道有著預熱的作用,后一道焊道也會對先成形的焊道起到加熱作用,導致散失的熱量遠遠小于輸入的熱量,因此隨著堆焊層數(shù)的增加,熱量積累,熔池峰值溫度升高。隨著堆焊層數(shù)的增加,熔池區(qū)域增大,說明被重新熔化的區(qū)域增大,這可能會造成電弧增材制造時收弧端塌陷。

圖4 模擬得到第2,6,10層焊道收弧時的溫度場Fig.4 Temperature field of the second (a), the sixth (b) and the tenth (c) layer weld bead during arc ending by simulation

3.3 增材制造路徑對溫度場的影響

保持焊接速度450 mm·min-1、送絲速度5.0 m·min-1、層間冷卻時間20 s不變,研究圖5中的2種增材制造路徑對溫度場的影響。由圖6可以看出:越靠近收弧端,熔池峰值溫度越高,這是由于在焊接過程中,熱量不斷積累;交叉路徑下靠近起弧端的熔池峰值溫度高于單向路徑下,而靠近收弧端的熔池峰值溫度低于單向路徑下,這是由于交叉路徑下的起弧端在上層焊道收弧端處,收弧端在上層焊道起弧端處,因此起弧溫度較高而收弧溫度較低。這說明交叉路徑下焊道的熱量分布更加均勻,減弱了單向路徑下收弧端的熱積累效應。由圖7可見,在單向路徑下,每一層焊道堆焊結束時,第1層焊道收弧點的熱循環(huán)曲線就會形成一個峰值溫度,且隨著堆焊層數(shù)的增加,峰值溫度降低,這是因為隨著堆焊層數(shù)的增加,熱源距第1層焊道收弧點的距離增加,傳遞到該點的熱量減少。在交叉路徑下,第1層焊道收弧點的熱循環(huán)曲線峰值溫度出現(xiàn)高低交替分布的規(guī)律。這是由于在交叉路徑下,奇數(shù)堆焊層右側為收弧端,偶數(shù)堆焊層右側為起弧端,結合圖6可知,在同一層焊道,起弧端的熔池溫度低于收弧端,因此堆焊偶數(shù)層后第1層焊道收弧點的峰值溫度遠低于單向路徑下,而堆焊奇數(shù)層后的峰值溫度與單向路徑下相似。在堆焊完成后,交叉路徑下第1層焊道收弧點的溫度低于單向路徑下,說明交叉路徑可以減少構件的熱積累效應,從而改善增材制造收弧端的塌陷問題。

圖5 增材制造路徑示意Fig.5 Schematic of additive manufacture paths:(a) unidirectional path and (b) cross path

圖6 模擬得到不同增材制造路徑下第5層焊道起弧端至收弧端的熔池峰值溫度變化曲線Fig.6 Simulated peak temperature change curves of molten pool from starting arc to ending arc of the fifth layer weld bead under different additive manufacture paths

圖7 模擬得到不同增材制造路徑下第1層焊道收弧點的熱循環(huán)曲線Fig.7 Simulated thermal cycle curves of the first layer weld bead at arc ending point under different additive manufacture paths

3.4 層間冷卻時間對溫度場的影響

在增材制造路徑為交叉路徑,送絲速度為5.0 m·min-1,焊接速度為450 mm·min-1條件下,模擬不同層間冷卻時間(20,40,60 s)下,當熱源加載到各層焊道中點時的峰值溫度。由圖8可以看出:堆焊層數(shù)越大,焊道中點的峰值溫度越高;隨著層間冷卻時間的延長,焊道中點的峰值溫度降低,且降低的幅度逐漸減小。可知,在一定范圍內(nèi),延長層間冷卻時間可以有效降低焊道中點的峰值溫度,且隨著冷卻時間的延長,該效果減弱。為了提高加工效率和降低峰值溫度,最佳的層間冷卻時間為40 s。

圖8 不同層間冷卻時間下熱源加載到焊道中點時峰值溫度與堆焊層數(shù)的關系曲線Fig.8 Curves of peak temperature vs number of surfacing layer at heat source loading to midpoint of weld bead under different interlayer cooling time intervals

3.5 焊接速度對溫度場的影響

在增材制造路徑為交叉路徑,層間冷卻時間為40 s,送絲速度為5.0 m·min-1條件下,模擬不同焊接速度(400,450,500 mm·min-1)下第1層焊道中點的熱循環(huán)曲線。由圖9可以看到,不同焊接速度下隨著堆焊層數(shù)的增加,第1層焊道中點的峰值溫度降低,波谷溫度升高,且在第7層堆焊后逐漸穩(wěn)定。焊接速度越大,第1層焊道中點的峰值和波谷溫度越低,這是由于隨著焊接速度的增加,單位長度上輸入的熱量降低,在單位時間內(nèi)材料吸收的熱量變少,經(jīng)歷過相同的層間冷卻后,成形試樣內(nèi)的熱積累也有所減小,因此熱循環(huán)曲線的峰值和波谷溫度都會降低。

圖9 不同焊接速度下第1層焊道中點的熱循環(huán)曲線Fig.9 Thermal cycling curves of D1 at midpoint of the first layer flux at different welding speeds

4 結 論

(1) 模擬得到在5183鋁合金CMT電弧增材制造過程中,5052鋁合金基板上某點的熱循環(huán)曲線的變化趨勢與試驗結果基本一致,且峰值溫度和波谷溫度的相對誤差均不大于8.93%,驗證了模型的準確性。

(2) 隨著堆焊層數(shù)的增加,熔池峰值溫度升高,熔池區(qū)域變大;單向路徑增材制造會使收弧端發(fā)生較嚴重的熱積累,相比于單向路徑,交叉路徑增材制造試樣的熱量分布更加均勻,熱積累效應減弱;延長層間冷卻時間可以有效降低焊道中點的峰值溫度,且隨著冷卻時間的延長,該效果逐漸減弱,最佳層間冷卻時間為40 s;焊道中點的峰值溫度和波谷溫度隨焊接速度的增加而降低。