苗玉剛，李春旺，邵丹丹，趙羽揚(yáng)，魏超，張本順

(1.哈爾濱工程大學(xué),水下機(jī)器人技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001；2.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣州,511462；3.江蘇自動化研究所,連云港,222006)

0 序言

與傳統(tǒng)的“減法”制造相比，增材制造技術(shù)是一種通過逐層累加來實(shí)現(xiàn)成形的制造技術(shù)，具有生產(chǎn)周期短、成本低、能夠制造復(fù)雜零件等優(yōu)點(diǎn)[1].根據(jù)成形熱源的不同，增材制造可以分為3 類：激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造[2-4].與激光和電子束相比，以電弧為熱源的電弧增材制造技術(shù)在大型金屬試樣的制造方面因其較高的沉積率、材料使用率以及較低的成本而吸引了國內(nèi)外廣泛研究學(xué)者的關(guān)注[5-6].但在電弧增材制造過程中由于電弧加熱范圍過大，熱積累效應(yīng)隨著零件堆積而不斷累積，使其幾何精度、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變難以得到控制[7-9].

為了減小電弧增材制造的熱積累效應(yīng)，改善成形質(zhì)量，一些研究學(xué)者開展了大量的研究工作.Wu 等人[10]采用二氧化碳強(qiáng)制冷卻的方式控制層間溫度和熱循環(huán)，使得增材制造的Ti-6Al-4V 具有更加精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的機(jī)械性能；Xu 等人[11]在等離子弧焊(plasma arc welding,PAW)電弧增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用層間冷軋以在INCONEL 718 鎳基合金沉積過程中進(jìn)行熱機(jī)械加工，結(jié)果表明采用冷軋工藝后，IN718 的晶粒得到細(xì)化、強(qiáng)度得到提高，材料各向異性消失；柏久陽[12]利用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(gas tungsten arc welding,GTAW)增材制造技術(shù)堆積成形2219 鋁合金，通過層間溫度控制和遞減熱輸入策略，有效控制了熱積累效應(yīng).這些方法通過不同的方式在一定程度上解決了電弧熱輸入過大導(dǎo)致晶粒粗大的問題，但部分設(shè)備成本高、操作復(fù)雜，使得電弧增材制造技術(shù)難以廣泛推廣.

采用旁路熱絲等離子弧增材制造方法，用以減小電弧熱輸入改善增材質(zhì)量.其由焊接中的旁路分流技術(shù)發(fā)展而來，基本原理是通過旁路焊絲分走部分流向母材的電流，不僅能起到減小母材熱輸入的作用，還能提高焊絲的熔化效率.因此文中以Q235 低碳鋼為基板，采用H08Mn2Si 焊絲進(jìn)行旁路熱絲等離子弧增材試驗(yàn)，探究旁路分流變化對單層單道焊縫成形的影響，同時探究了層間溫度對單道多層薄壁結(jié)構(gòu)成形、組織以及力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用200 mm × 40 mm × 5 mm 的Q235 低碳鋼作為母材，填充金屬選用直徑為1.2 mm的H08Mn2Si 焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分見表1.試驗(yàn)采用Thermal Arc WC-100B 等離子弧焊機(jī)、Transmig 550i 電源、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)控制系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行H08Mn2Si 碳鋼增材制造.圖1為旁路熱絲等離子弧焊原理圖.在試驗(yàn)過程中，等離子弧焊接電源流出的焊接總電流I分為兩部分，一部分電流Im流經(jīng)等離子焊槍流向母材構(gòu)成主路，一部分電流Ip流經(jīng)旁路焊絲流回等離子弧焊接電源構(gòu)成旁路.IGBT 控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電阻值改變旁路電流大小，實(shí)現(xiàn)主旁路電流可調(diào)，在減小母材熱輸入的同時利用旁路電流對焊絲進(jìn)行預(yù)熱，增加焊絲熔化效率，提高焊縫的熔覆率，進(jìn)而增加增材的效率，同時焊接參數(shù)可獨(dú)立調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)主/旁路電流降低母材的熔合比，實(shí)現(xiàn)高熔絲效率和理想熔滴過渡模式，焊縫成形精度高，可控性好.由于旁路等離子流的存在，作用在熔滴及熔池上的熱輸入與力場發(fā)生改變，從而使增材過程穩(wěn)定，減少缺陷的產(chǎn)生幾率，保證焊縫成形質(zhì)量，并提高增材質(zhì)量.

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base material and wire

圖1 旁路熱絲等離子弧焊原理Fig.1 Schematic diagrams of bypass hot wire plasma process

單層單道熔覆成形的好壞決定電弧增材制造試樣最終的成形精度和質(zhì)量，為此在增材試驗(yàn)前有必要進(jìn)行單層單道熔覆試驗(yàn)，分析不同工藝參數(shù)對成形的影響規(guī)律，以獲得成形良好、性能優(yōu)良的的工藝參數(shù)，并分析了旁路電流對熔敷成形的影響.試驗(yàn)優(yōu)化后的工藝參數(shù)如表2 所示.在Q235 低碳鋼基板上進(jìn)行不同層間溫度的單道多層薄壁試件增材試驗(yàn)，分析了沉積碳鋼的微觀結(jié)構(gòu)、硬度和力學(xué)性能.

表2 旁路熱絲等離子弧增材制造工藝參數(shù)Table 2 Processing parameters for BC-PAW process

金相試樣按照標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行安裝、研磨和拋光，然后在4%的硝酸酒精溶液中進(jìn)行蝕刻.試樣的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)分別用深場立體顯微鏡(OLYPUS-SZX12)和光學(xué)顯微鏡(OM，VHX-1000E)觀察.利用HXD-1000TM 型硬度計(jì)來測量維氏硬度，加載載荷為0.98 N，加載時間為15 s.拉伸試驗(yàn)是使用Zwick/Roell Z010 型試驗(yàn)機(jī)，在室溫下以0.5 mm/min 的恒定十字頭位移速率進(jìn)行.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 主/旁路電流比對熔敷成形及熱輸入的影響

保證總電流為207 A 不變，改變主旁路電流比探究其對熔敷成形的影響，圖2 為不同主旁路電流比時典型的熔敷表面成形及橫截面形貌.從圖2 可以看出，隨著主/旁路電流比的增加，焊縫的外觀從均勻光滑的表面轉(zhuǎn)變?yōu)殚g距較大的波紋表面，并且母材的稀釋率逐漸增加.眾所周知，熔敷成形與熔滴過渡過程密切相關(guān)，而通過改變主/旁路電流比可以改變?nèi)鄣芜^渡過程.旁路電流可以提高焊絲熔化的效率，減少了熔滴表面張力的阻礙，使熔滴容易處于等離子弧的中心，并且適當(dāng)?shù)牡入x子弧電流可以產(chǎn)生一定強(qiáng)度的等離子流力，使熔滴過渡頻率加快.當(dāng)主旁路電流比為1.07，旁路電流很大為100 A時，熔滴過渡頻率很快，剛與基板接觸便立即鋪展形成了橋接過渡，從截面形貌中母材較低的稀釋率可以看出此時對母材熱輸入很小.旁路電流80 A是液滴轉(zhuǎn)移方式從橋接過渡到滴狀自由過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，熔滴過渡頻率逐漸減慢，熔覆層由光滑表面轉(zhuǎn)向魚鱗紋表面，并隨著旁路電流的減小，熔覆層表面的波紋間距也不斷增大，母材稀釋率不斷增加.

圖2 主/旁路電流比變化時熔敷成形及橫截面形貌Fig.2 Bead appearance and section at different main/bypass current ration.(a) main/bypass current ratio 1.07;(b) main/bypass current ratio 1.58;(c)main/bypass current ratio 2.45;(d) main/bypass current ratio 4.18

為了定量描述主/旁路電流比對母材熱輸入的影響，計(jì)算了總電流不變、旁路電流由10 A 逐漸增加到100 A，步增量為10 A 時，橫截面積中母材熔化量以及焊絲熔化量所占的比例，如圖3 所示.隨著主/旁路電流比的增加，焊絲熔化比率逐漸下降，而母材的熔化比率逐漸增加，最后焊絲和母材的熔化比率逐漸趨于平穩(wěn).由此可見，當(dāng)主/旁路電流比較小時，有助于減小對母材的熱輸入，對母材的稀釋率最低可達(dá)到10%.通過調(diào)控主/旁路電流比,可以實(shí)現(xiàn)對熔敷層表面成形和母材熱輸入的精確控制.

圖3 主/旁路電流比對焊絲和母材熔化效率的影響規(guī)律Fig.3 Effect of main/bypass current ratio on welding efficiency of welding wire and base metal

2.2 層間溫度對多層單道增材組織成形影響

在碳鋼旁路熱絲等離子弧多層單道增材過程中，層間溫度的變化會影響增材成形質(zhì)量，圖4為不同層間溫度增材成形的宏觀形貌.層間溫度會影響熔池的冷卻速度進(jìn)而影響熔池的形態(tài).當(dāng)采用主路電流107 A、旁路電流100 A 時，隨著層間溫度的升高，熔池冷卻速度變慢，從而導(dǎo)致熔池鋪展性增加，平均層寬由4.54 mm 增加到5.30 mm，平均層高由1.37 mm 減小到1.15 mm.層間溫度100和150 ℃時，熔池穩(wěn)定性較好，增材過程穩(wěn)定、成形良好，無坍塌現(xiàn)象，共堆積24 層；層間溫度為200 和250 ℃時，熔池穩(wěn)定性變差出現(xiàn)熔池坍塌現(xiàn)象，成形較差，共堆積12 層.

圖4 不同層間溫度增材成形宏觀截面形貌Fig.4 Additive forming macroscopic section morphology of different interlayer temperatures.(a)interlayer temperature 100 ℃;(b) interlayer temperature 150 ℃;(c) interlayer temperature 200 ℃;(d) interlayer temperature 250 ℃

2.3 顯微組織特征對比分析

由于每個墻壁結(jié)構(gòu)中上、中、下部位的組織結(jié)構(gòu)不盡相同，為了便于分析層間溫度對其顯微組織的影響規(guī)律，4 組的顯微組織圖片均是從試樣組織穩(wěn)定區(qū)域的中間位置拍攝，圖5 為不同層間溫度下試樣的顯微組織.從圖5 可以看出，4 組試樣的顯微組織均由呈白色的塊狀鐵素體和呈暗灰色的珠光體組成，珠光體呈帶狀分布在鐵素體晶界上.不同的是，層間溫度由250 ℃降低到100 ℃的過程中，鐵素體晶粒尺寸有明顯減小的趨勢，并且珠光體含量占比不斷增加.

圖5 不同層間溫度下熔覆層的顯微組織Fig.5 Microstructure of cladding layer at different interlayer temperatures.(a) interlayer temperature 250 ℃;(b) interlayer temperature 200 ℃;(c) interlayer temperature 150 ℃;(d) interlayer temperature 100 ℃

根據(jù)以往的研究，增材制造試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)往往由熔池的冷卻速率決定[13].隨著層間冷卻溫度的減小，熔池的冷卻速度得以增加，過冷度也變大，鐵素體晶體的形核率和長大速度因此也隨著增加.但此時晶體形核率增加大于成長率，因此晶體尺寸會變得細(xì)小.同時隨著冷卻速度的增加，意味著熔池在高溫保持時間減小，使得奧氏體的均勻化程度也隨著降低，這為珠光體的形核和長大提供了有利的條件，隨著冷卻過程的推進(jìn)，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體的含量不斷增多.

2.4 層間溫度對硬度的影響

與顯微組織觀測相同，在增材組織穩(wěn)定區(qū)域的中間部位選取了若干的硬度測試點(diǎn)，圖6 為不同層間溫度下試樣中間段平均硬度變化趨勢.可以看出熔覆層平均硬度隨著層間溫度增加而減小，這是由晶粒尺寸和珠光體含量所決定的.由不同層間溫度的微觀組織的對比分析中可知，當(dāng)層間溫度較小時，其具有較小的晶粒尺寸,并且珠光體含量較高，而細(xì)小的晶粒尺寸具有較大的對位錯運(yùn)動的阻礙力，同時珠光體又是強(qiáng)韌性相，兩者均能夠提高材料的硬度等力學(xué)性能.因此控制層間溫度100 ℃，可以保證增材成形精度的同時，提高硬度等力學(xué)性能.

圖6 不同層間溫度下中間段的顯微硬度Fig.6 Microhardness of the intermediate section at different interlayer temperatures

2.5 增材制造試樣的拉伸性能

為了進(jìn)一步評定新工藝增材制造的力學(xué)性能，針對控制層間溫度為100 ℃的試樣進(jìn)行拉伸性能測試.在增材制造試樣上橫向和縱向各取3 個拉伸試樣，測其平均抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率以及斷后延伸率，如表3 所示.從表3 可以看出，試樣的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率各方向上基本一致，由此可以認(rèn)為材料強(qiáng)度以及塑韌性在各方向上均勻一致，無各向異性.

表3 力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果Table 3 Mechanical property calculation result

圖7 為層間溫度100 ℃時試樣的拉伸曲線和斷口形貌.從圖7 可以看出，試樣的橫向和縱向的斷口形貌較為相似，一些大小基本相同的等軸韌窩呈均勻分布，這表明增材制造試樣的塑性均勻.斷裂是由于在外力的作用下第二相質(zhì)點(diǎn)與基體的脫開，由最初形成的孔隙不斷相互連接，導(dǎo)致試件的最終斷裂.

圖7 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Tensile experiment results.(a) stretch stressdisplacement curve;(b) longitudinal specimen;(c) transverse specimen

3 結(jié)論

(1) 在旁路熱絲等離子弧進(jìn)行碳鋼單道單層熔敷試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)主/旁路電流比可以調(diào)控單層的熔敷成形和對母材的熱輸入.當(dāng)主/旁路電流比較小，旁路電流為100 A 時，可以獲得均勻光滑的熔敷表面，并且能夠降低對母材熱輸入，有助于改善增材制造成形精度.

(2) 采用旁路熱絲等離子弧進(jìn)行單道多層增材制造過程中，層間溫度對增材試樣的成形、微觀組織以及硬度有很大影響.當(dāng)層間溫度為100 ℃時，增材成形過程穩(wěn)定，無熔池塌陷現(xiàn)象，增材試樣中間穩(wěn)定區(qū)域處的微觀組織晶粒尺寸更加細(xì)小，并且珠光體含量更多，導(dǎo)致其硬度也隨之增加，平均硬度最高可達(dá)到294 HV.

(3) 拉伸試驗(yàn)表明，層間溫度為100 ℃時試樣的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率等在縱向和橫向上相近，無明顯的各向異性，證明新工藝制造的試樣的強(qiáng)度以及塑韌性在各方向上均勻一致.