電弧增材制造工藝及數值仿真研究進展

王夢真 萬占東 林健

(北京工業大學材料與制造學部,北京 100124)

增材制造又稱3D打印,不同于復雜的機加工、鑄造、鍛壓等“減材”制造方法,增材制造是根據CAD模型進行逐層堆砌,制備出與CAD三維數據相近的實際部件的整體性制造技術[1-3],具有材料利用率高、快速化等優點[4-7],廣泛應用于多類學科與領域中。根據增材制造中使用的熱源不同,可分為激光、電弧和電子束增材制造。其中,利用電弧作為熱源,通過送絲系統在成形軟件的控制下逐點堆疊,按照特定的成形路徑從下到上制造所需零部件的技術稱為電弧增材制造,該技術打印效率高,可形成大型熔池,且構件尺寸越大,優勢越加顯著[8-12]。

1 電弧增材制造的工藝研究

1.1 成形特點與精度研究

徐文虎[13]利用CMT探究兩道多層和擺動電弧軌跡對電弧增材制備Inconel 625厚壁件成形精度的影響,發現在兩道多層電弧軌跡下制備的構件表面平滑度遠高于擺動電弧軌跡,且在制造過程中無明顯飛濺現象。張煉等[14]發現在TIG電弧增材制造中,設置電流與速度呈正相關時,316不銹鋼可得到成形效果良好的表面形貌。郭亞軒[15]研究了5B06鋁合金WAAM技術的工藝參數對多層單道件成形的影響,實驗工藝參數推薦使用C+P成形方式,成形電流控制在90～120 A,研究發現,適當增加層間停留時間可以降低層間熱量積聚,提高增材件表面的精度,金屬表面氧化問題也得到一定改善。Xiong J[16]和Alberti E A[17]利用預熱基材降低殘余應力,結果表明:溫度梯度降低,從而溫度分布更加均勻,因此可以增加第一層的潤濕性。

Ryan E M[18]針對CMT模式、工藝參數和焊絲批次影響WAAM 2319鋁合金的孔隙率進行了研究:20層增材件的孔隙面積為84 mm2,孔隙率與CMT模式無關,而是與工件表面光潔度相關;表面不平整會影響焊絲上的氫含量,從而使得孔隙率增加,如圖1所示。

(a)B試樣 (b)K試樣 (c)P試樣

朱兵鉞[19]對Rodriguez N[20]和Szost B A[21]等的實驗進行了總結論述,Rodriguez N[20]發現,表面平整度高、粗糙度在220 μm以內的不銹鋼增材件可在TopTIG與CMT電弧增材制造過程中獲得;增材件的力學性能呈現各向異性,且垂直方向的強度數值較低。Szost B A[21]利用電弧增材制造(WAAM)和激光熔覆技術(CLAD)制備Ti-6Al-4V,分析不同技術下材料的成形特點與顯微組織,實驗發現,激光熔覆下的構件組織呈現細長且彎曲的柱狀晶,電弧增材制造下更多為粗大平行柱狀晶并沿壁高方向聚集分布,如圖2所示。

圖2 CLAD與WAAM增材下的組織[21]

以上的研究表明,在合適的保護氣氛與電弧作用下,焊絲可以堆積出成形良好的增材制造體,從而實現金屬構件的3D打印。在諸多電弧方法中,CMT方法使用得較多。Prado-Cerqueira J[22]利用MIG增材制造低碳鋼,結果顯示增材件表層組織成分主要由碳化物、滲碳體和氧化物構成,當使用CMT進行電弧增材時,可有效防止以上有害物的生成。

1.2 工藝參數-微觀組織-力學性能研究

盧恒洲[23]發現使用CMT電弧增材4043鋁合金薄壁件時,隨著打印速度的提升,晶粒尺寸變小,增材件的高度和厚度會隨著速度的增加而降低,速度過快散熱不充分,導致氣孔率有所增加;但隨著送絲速度的增加,氣孔明顯減少。Ali Y[24]對電弧增材制造下的熱作工具鋼進行分析:送絲速度的提高和打印速度的降低會導致焊縫寬度變寬,通過對工藝參數的調整,可生成在2.7 mm到9.4 mm寬度范圍內的焊縫。Rodrigues T A[25]利用MIG增材制造低合金高強鋼,可生成鐵素體、貝氏體、馬氏體-奧氏體(M-A)等組織,較高的SEM放大倍率揭示了分布稀疏的M-A的存在,如圖3(b)和(c),最大晶粒尺寸約為10 μm。

(a)低倍SEM (b)高倍SEM (c)粒狀貝氏體

陳曉輝[26]研究電弧增材制造中電流和電壓對316不銹鋼微觀組織和力學性能的影響。實驗證明,隨著電弧電流和電壓的增加,晶粒長大速度隨之加快,尺寸變大,材料抗拉強度等力學性能降低,斷后伸長率、斷面收縮率下降。Liu[27-29]對電弧增材中焊絲的排布順序進行調整,獲得了更高的熔敷效率。在此基礎上,他們對增材過程中電流等工藝參數進行調整改進,實現了在高速焊2 mm薄板中的應用。張天奕等[30]探究旁路耦合三絲間接電流的改變對電弧增材制造Q345焊縫成形的影響,結論如下:隨著旁路電流的增加,焊縫鋪展性逐步提升,鋪展流動性能最好的焊縫可在電流增加至155 A時獲得。劉奮成[31]和Bai X[32]著重于分析熱量累積對工件成形、組織和性能的影響,結果表明:層間溫度不同時,增材制造件的組織及力學性能無顯著差異。Wang T T等[33]利用CMT增材制造H13鋼,實驗證明了局部加熱對材料的組織轉變有顯著作用。

1.3 能場輔助研究

WAAM的制造工藝并不完美,在其他方法的輔助下可以提高構件的工藝性能。李攀[34]研究超聲沖擊輔助對2119鋁合金單道多層增材件組織和性能的影響,實驗可知,加入超聲振動后增材件的晶粒的尺寸得到一定程度的細化,如圖4所示,顯微硬度和拉伸性能也得到了一定強化。

(a)未附加超聲 (b)附加超聲

楊東青等[35]以316L不銹鋼為原材料,利用電弧增材制造技術,分析附加超聲沖擊輔助對制備的單墻體力學性能的影響。研究表明,引入超聲沖擊與未沖擊件相比顯微硬度增加了5.2%;同時提高了材料的拉伸性能,具體變化如圖5。

圖5 單墻體拉伸力學性能[35]

李宗玉等[36]在低功率脈沖實驗工藝下,采用電弧激光雙熱源,制造出1～8層的8類316不銹鋼單道墻體,結果發現,此方法可制備出成形良好的單道墻體。Yang Y等[37]利用超聲沖擊降低殘余應力,研究發現:超聲沖擊在材料內在壁的頂部或側面產生壓應力,從而細化顆粒,有效減少殘余應力。

2 電弧增材制造的數值仿真研究

增材制造過程的數值模擬主要集中在制造過程的溫度場、熱應力、熔池形貌、顯微組織模擬等方面。利用模擬替代實驗,節約了人力物力,并對溫度場、應力場、變形以及力學性能作出準確預測。對于WAAM技術和應力變形的數值模擬工作總結如下:

Nie Z G[38]使用Abaqus對H13鋼激光熱絲增材制造過程進行了數值模擬,并測量了制備過程中的溫度演變歷程和最終構件變形,采用傳統移動熱源對增材制造的全過程進行模擬,計算規模宏大,計算時間長,難以在工程實際中推廣應用。Ding J[39]以增材制造過程中的峰值溫度作為有限元模型的輸入,計算增材制造引起的殘余應力與變形,從而避免了與移動熱源相關的瞬態溫度場分析,有效減少了計算規模。Li C[40]利用多尺度模型實現對增材制造構件變形量的預測,采用局部模型計算移動熱源引起的溫度場分布,進而在尺度較大的中等模型中計算由溫度場引起的殘余應力,獲得殘余應力場的分布規律,之后再將殘余應力代入到整體模型中去計算構件的變形量。以上研究了WAAM工藝過程中的數值模擬,以探究其熔池溫度場分布特征,從而減少計算規模。

在增材制造殘余應力與變形的控制方面,Honnige J R等[41]利用冷軋方法控制應力變形:28 kN的垂直滾動載荷足以減輕鋁制零件的變形,并且軋制可以減少零部件頂層附近的縱向應力。Li F[42]設計了柔性多點支撐夾具,通過機械約束的方法來減少增材過程的變形量,通過柔性多點支撐夾具約束,可將角變形量減少96.3%,縱向彎曲變形減少86.5%。Wu B T[43]利用CO2壓縮氣體進行道間冷卻,以減少增材制造薄壁零件的變形量。發現冷卻時間為30 s,冷卻氣體流量為320 g/min時,縱向和橫向變形量最大分別減小了81%和69%;使用CO2壓縮氣體進行道間冷卻時,打印十層所用的時間減少了80%,大幅提高打印效率。Zhang Y[44]使用液氮冷卻氬氣來加快冷卻過程,構件最終變形量減少了71%,縱向殘余應力減少21%。Cao J[45]對Ti-6Al-4V結構件的電子束增材制造過程進行研究,發現在增材之前,通過預熱基板可以大幅度降低結構中的變形和應力。賈金龍[46]分析了在有限元模擬電弧增材過程中,使用移動熱源和溫度函數法對鋁合金殘余應力與變形的影響規律,結果表明,兩種計算方法下的基板變形量與殘余應力均存在一定的誤差,且都小于20%。Zhao H[47]研究不同打印方向下的應力分布,相同方向的打印件與反向制造的打印件相比會產生更大的應力。Ramos等[48]研究發現柵格掃描的較短的掃描路徑長度往往會產生較低的殘余應力與變形,吳超等[49]對電弧增材制造單層多道成形件進行有限元分析,研究了沿不同掃描路徑的溫度場和應力場規律。結果表明,沿長邊單向掃描的成形件表面散熱效果最好,往復掃描可有效避免單向掃描息弧端處的應力集中。劉國昌等[50]仿真了激光輔助電弧增材的應力分布,據模擬結果可知,成形件整體上的殘余應力為拉應力,少量壓應力區出現在焊道與基板交界處。Denlinger E R等[51]研究層間停留時間對鈦鎳合金增材制造變形和殘余應力的影響,變形和殘余應力隨著停留時間從0到40 s的增加而降低。Mughal M P[52]發現殘余應力分布取決于打印順序,在末尾熔覆道處出現最高應力,因此為了減少變形,工藝參數的適當組合至關重要。Mukherjee T等[53]建立熱-機模型預測增材制造過程中的應力和變形,結果表明,降低打印層厚度有利于減小應力和變形。

在已有的研究報道中,對稱式,旋轉式,甚至隨機式的掃描路徑都有望能夠減少增材制造引起的應力和變形,Nickel A H[54]設計了如圖6所示的三種路徑,對比不同增材路徑對基板變形的影響。發現從外到內的旋轉增材路徑方案基板的變形最小。在此基礎上,孫清潔[55]利用CMT設備探究增材制造過程中不同掃描軌跡對薄板變形的影響,實驗驗證了由邊緣向內部延伸的掃描路徑引發的基板變形量最小。

(a)Raster Pattern (b)Spiral Pattern(Scanned from inside to outside) (c)Spiral Pattern(Scanned from outside to inside)

陳克選等[56]使用有限元仿真了有無水冷對溫度場的影響,由于散熱條件的不同,水冷環境下基板散熱更快,冷卻速度隨之更快,基板目標測量點的溫度熱循環曲線“雙峰”效應也更明顯。王巖等[57]利用三維體熱源模型,結合實驗對圓柱形、半球形等八種熱源模型的數值模擬進行了驗證,發現八種熱源模型都會使熔池深度減少40%以上。Goldak[58]總結了在盡可能真實和準確地分析或模擬焊縫中熱流的方法、模型和軟件開發方面的進展。Chiumenti[59]探究了WAAM數值模擬的公式,對熱傳導和對流散熱,以及相變期間釋放、吸收的潛熱總量結合公式進行闡述。Montevecchi等[60]基于考慮打印層與基材實際功率分布的新型熱源模型,提出了WAAM建模方案,減少殘余應力,通過將WAAM實驗構件的實測變形與模擬變形進行對比,驗證了所提模型的準確性。

由此可見,通過調整、優化制造工藝參數,可以有效地減少和控制增材制造過程中的殘余應力和變形。

3 總結展望

(1)工藝參數對增材制造件的成形精度和組織性能有很大影響,當打印速度與電流呈現正相關時可得到良好宏觀形貌的成形件;當電流增加時,整體熱輸入隨之升高,且可獲得鋪展性最優的單道焊縫;在合適的保護氣氛與電弧作用下,可以制備出成形良好的增材制造體。打印過程中對工藝參數進行合理優化,可有效提高構件成形精度,降低成形件殘余應力。

(2)添加能場等輔助手段,有效改善材料的組織結構,細化晶粒尺寸,減少和控制增材制造過程中的應力變形,提高其力學性能。

(3)避開傳統移動熱源模型的溫度場瞬態分析,抽取溫度場或者殘余應力場的特征量,將特征量代入整體模型中進行穩態計算,可有效減少計算規模。

(4)打印順序不僅顯著影響殘余應力的分布,而且能在一定程度上改變構件變形形式,采用由外到內的旋轉打印路徑方案基板的變形最小,沿長邊單向打印的成形件表面散熱效果最好,采用往復打印路徑可有效避免單向掃描息弧端處的應力集中,且降低了層厚度更有利于減小應力和變形。

(5)增材制造過程中殘余應力和變形直接影響構件的最終形狀和尺寸,乃至構件的服役性能,進一步探究相變應變對應力變形的影響機理是一個重要的研究發展方向。