林子棟，宋凱杰，于興華＊

1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院 北京 100081

2.北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心 重慶 401147

1 序言

增材制造（AM）是一種通過逐層沉積材料直接從三維立體模型生產(chǎn)最終構(gòu)件的技術(shù)。此技術(shù)具備構(gòu)建復(fù)雜幾何形狀和梯度化學(xué)成分零件的優(yōu)勢，原因是這些零件很難通過傳統(tǒng)的減材制造工藝來生產(chǎn)[1，2]。電弧增材制造（WAAM）是增材制造技術(shù)的一種，主要利用電弧作為熱源和焊絲作為消耗性原料。從某種意義上來說，它被認(rèn)為是傳統(tǒng)金屬氣體保護(hù)焊工藝的改進(jìn)。電弧增材制造技術(shù)具有高沉積率、高材料利用率和較短生產(chǎn)周期等優(yōu)勢，因此已被廣泛應(yīng)用于航空航天[3，4]、汽車制造[1,5]和海岸及船舶工程[6]等領(lǐng)域。此外，多種傳統(tǒng)電弧焊技術(shù)如熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、鎢極氣體氬弧焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）也已在電弧增材制造工藝中被頻繁作為熱源使用，它們各自有不同的沉積熔敷特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域。除此之外，還產(chǎn)生了一些熔化極氣體保護(hù)焊的變體，例如冷金屬過渡（CMT）和串聯(lián)熔化極氣體保護(hù)焊（Tandem GMAW），用于提高電弧增材過程的沉積質(zhì)量和效率。然而，從這些現(xiàn)有方法來看，基于熔化極氣體保護(hù)焊的電弧增材制造（GMAW-based WAAM）具有更快的沉積速率（高達(dá)160g/min），這使其成為在短時間內(nèi)生產(chǎn)大型零件的理想選擇[7，8]，并且它已成為電弧增材制造（WAAM）中最廣受歡迎的加工方式[9]。

AISI 420是一種馬氏體不銹鋼。馬氏體是金屬加熱到奧氏體相區(qū)并迅速冷卻時形成的相，具備極度硬而脆的特性[10]。由于不銹鋼鉻含量高具有耐腐蝕的特性。因此AISI 420馬氏體不銹鋼堅硬且耐腐蝕，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，例如塑料或陶瓷部件的模具，并用于制造機(jī)械工具和手術(shù)器械。模具的制備通常要求材料尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、堅硬且可加工[11]，硬度范圍應(yīng)處于332～505HV[12]。太軟的材料在加工時會導(dǎo)致模具缺陷，例如侵蝕、夾砂、金屬滲透和尺寸問題；過硬的材料則會導(dǎo)致熱裂、硬壓頭和脈紋缺陷[13]。另外，工具鋼和手術(shù)器械也同樣需要具備堅硬、耐磨并且能夠在高溫下保持鋒利的特性[14，15]。

Villeroy & Boch Wellness是一家制造豪華浴缸和水槽的大型德國陶瓷制造公司，其在使用AISI 420制造模具過程中遇到了上述問題，因此他們將興趣和精力放在尋找制造無缺陷模具的替代方法上，這也是本研究的動機(jī)出發(fā)點(diǎn)。因此，我們研究的重點(diǎn)之一是嘗試使用電弧增材制造技術(shù)來生產(chǎn)質(zhì)量更好的AISI 420不銹鋼模具并消除這些缺陷。在嘗試將AISI 420材料用于電弧增材制造時，必須進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)探究，本文研究內(nèi)容包括以下三個關(guān)鍵點(diǎn)：

1）優(yōu)化焊接參數(shù)（電流、電壓和焊接速度）。

2）無孔隙和無夾雜物的焊道。

3）建立焊縫幾何尺寸與焊接參數(shù)之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)使用Valk Welding公司生產(chǎn)的Panasonic TM1400 MIG Welding機(jī)器人系統(tǒng)（見圖1a），焊接材料使用由Weld Mold Co.公司生產(chǎn)的AISI 420馬氏體不銹鋼焊絲，φ0.9mm。母材為S355碳素鋼，尺寸為250mm×60mm×10mm。焊絲及母材的化學(xué)成分見表1。保護(hù)氣為80%Ar、18%He及2%CO2所組成的混合氣。He、CO2與Ar氣混合以改善熱輸入，從而增加熔化金屬的潤濕性、擴(kuò)展焊道輪廓和提高熔池流動性。由于保護(hù)氣中CO2含量相對較低（＜5%），因此不銹鋼在焊接時不會降低耐蝕性[16]。在打印開始之前預(yù)先對母材進(jìn)行預(yù)熱，并使用K型熱電偶監(jiān)測溫度（見圖1b），該熱電偶用導(dǎo)熱膏 （Thermofix 1000°C）粘合在基板上。之后，將焊道沉積在基體上，長度為155mm，以獲得穩(wěn)定狀態(tài)的焊接條件。隨后，制備焊縫中心橫截面的標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，并進(jìn)行系列測量及表征。

表1 所用材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 焊接機(jī)器人和預(yù)熱設(shè)置

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 在不同焊接參數(shù)下進(jìn)行單道焊試驗(yàn)

單道焊試驗(yàn)是按照正交試驗(yàn)設(shè)計矩陣在一個基板上使用兩個焊道進(jìn)行的，用熱電偶監(jiān)測基板的溫度，以確保在將基板加熱至200°C時進(jìn)行每個試驗(yàn)，所得到的焊道如圖2所示。焊縫輪廓使用PlotDigitizer軟件測量寬度、高度和穿透深度。從圖2中可以很明顯地看出一些不均勻焊道，它們沿焊縫長度具有不同的焊道寬度，這是由于焊接參數(shù)不合適或不匹配所導(dǎo)致的。綜合來看，只有那些均勻的焊道（1、2、3、4、7、12、13、15和16）才被考慮用于后續(xù)的優(yōu)化過程，這些焊道的相關(guān)焊接參數(shù)列于表2中。

圖 2 焊接測試樣品

表2 焊接參數(shù)及焊道尺寸

3.2 對焊道尺寸進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和回歸分析

基于焊接參數(shù)建立用于焊道尺寸預(yù)測的數(shù)學(xué)模型Y=f(I，U，v)，據(jù)此，可以建立式（1）、式（2）、式（3）：

使用統(tǒng)計分析軟件——SAS[17]和表2中的焊接參數(shù)及相應(yīng)的焊道尺寸來估計系數(shù)b0、b1、b2和b3。因此，到目前為止，利用單道焊試驗(yàn)得到的不同焊接參數(shù)下的焊縫，成功建立了焊縫幾何尺寸與焊接參數(shù)的定量關(guān)系式，最終的數(shù)學(xué)模型由式（4）、式（5）、式（6）給出：

由于這項(xiàng)研究的目的是生產(chǎn)或修復(fù)有缺陷的陶瓷浴缸模具，因此沉積的材料定義為不超過兩層。這種工藝也被稱為表面修復(fù)或表面熔覆。為了實(shí)現(xiàn)更快的沉積速率，最佳焊接參數(shù)應(yīng)基于最大焊道寬度、最小焊道高度和最小滲透層深度的原則進(jìn)行尋找。最大焊道寬度有助于快速涂覆表面，最小焊道高度可以減薄沉積層厚度從而保護(hù)原始產(chǎn)品外觀及尺寸特性。因此，將表2的數(shù)據(jù)和式（4）～式（6）作為統(tǒng)計軟件Minitab的輸入，將焊接電流、電弧電壓、焊接速度作為指定輸出值，通過回歸分析執(zhí)行擬合并輸出最佳條件，見表3。利用此最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行沉積的最優(yōu)焊道外觀圖和截面圖分別如圖3、圖4所示。用式（4）～式（6）進(jìn)行預(yù)測和實(shí)際測量的最優(yōu)焊道尺寸見表4。

表3 最佳焊接參數(shù)

圖3 最優(yōu)焊接參數(shù)下的焊道外觀

圖4 最優(yōu)焊接參數(shù)下的焊道截面

表4 最優(yōu)焊道尺寸

3.3 搭接焊道（沉積層）的優(yōu)化

隨后，在獲得的最優(yōu)單道焊接條件下進(jìn)行搭接焊道的優(yōu)化試驗(yàn)。以不同的相鄰焊道覆蓋率（33%、50%和60%）進(jìn)行試驗(yàn)。覆蓋率定義為OR=（焊縫寬度-橫向位移）×100%/焊道寬度。搭接焊道（沉積層）的橫截面如圖5所示。從圖中可以看出，50%和60%條件下得到的搭接焊道有很多氣孔，因此本試驗(yàn)將33%覆蓋率作為最佳參數(shù)，覆蓋寬度為2.5mm，層高為2mm，這決定了焊槍在同層相鄰焊道的橫向位移為2.5 mm，在相鄰層間的抬升距離為2 mm。

圖5 不同覆蓋率下的搭接焊道截面

3.4 打印路徑的優(yōu)化—墻體的建造

本研究主要嘗試了兩個打印路徑，分別是振蕩打印路徑和直線打印路徑。振蕩打印路徑如圖6所示。對于每個交替層，焊接路徑的方向是相反的，這是為了建立恒定均勻的層高度，否則墻體起弧一側(cè)的高度將高于收弧一側(cè)。對于振蕩打印路徑，該程序由25層組成，約需要45min來構(gòu)建近凈形狀墻體，打印的真實(shí)墻體如圖7所示。對于直線打印路徑，每個相鄰焊道的起點(diǎn)和終點(diǎn)都相反，應(yīng)用最優(yōu)覆蓋率的往復(fù)直線搭接焊道最終構(gòu)成一個沉積層，如圖8所示。與振蕩打印路徑相同，直線打印路徑在豎直方向上也共包含25層，構(gòu)建與振蕩打印路徑相同尺寸的近凈形狀墻體約需要1.5h，打印的真實(shí)樣品如圖9所示。通過對比可以得知，在打印條件相同時，振蕩打印策略相比于直線打印策略可以節(jié)省更多的時間，打印效率更高。

圖6 振蕩打印路徑 (俯視圖)

圖7 振蕩打印路徑所成墻體

圖8 直線打印路徑 (俯視圖)

圖9 直線打印路徑所成墻體

4 結(jié)束語

本論文研究了AISI 420馬氏體不銹鋼的電弧增材制造過程，焦點(diǎn)主要集中在焊接工藝和焊道尺寸優(yōu)化方面，故得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過系列單道焊縫沉積試驗(yàn)，優(yōu)化出了最佳焊接參數(shù)為：焊接電流261A、電弧電壓29V、焊接速度0.59m/min；最優(yōu)單個焊道的幾何尺寸為：焊寬9.9mm、焊高3.6mm、滲透層3.2mm。

2）通過對系列單條焊道的測量，建立了焊接參數(shù)與焊道尺寸的預(yù)測模型，并且預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果非常接近。

3）在最優(yōu)單條焊道焊接參數(shù)基礎(chǔ)上，優(yōu)化了搭接焊道（沉積層）的覆蓋率為33%，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化出焊槍的相鄰焊道平移量為2.5mm，層間抬升量為2mm。

4）最后嘗試了振蕩打印路徑和直線打印路徑對打印墻體的影響。在相同的打印條件下，振蕩打印路徑用時更短，打印效率更高。