SUS304奥氏体不锈钢TIG焊电弧增材制造工艺优化

贾金龙 张佳 杜明科 蒋成燕 冯毅

摘要： 為探索SUS304奥氏体不锈钢TIG焊电弧增材制造的最佳工艺窗口，采用不同沉积工艺参数对SUS304不锈钢进行单道多层墙体成形试验，试验通过改变电弧移动速度、送丝速度和层间冷却时间，研究其对墙体平均宽度和高度的影响，并考察墙体的金相显微组织和力学性能。 结果表明，当热输入保持不变时，电弧移动速度和送丝速度相匹配，才能保证沉积过程的稳定；在保持热输入不变的情况下，随着电弧行走速度的增加，沉积层平均宽度从10.54 mm减小到7.5 mm，平均高度从6.75 mm减小到4.16 mm；随着送丝速度的增加，沉积层的平均宽度和高度均增加，其高度增加大约1 mm；随着层间冷却时间的增加，沉积层平均宽度明显增加，从层间冷却时间为2 min的10.54 mm增加到5 min的11.6 mm，高度变化不大，均在6.5 mm左右；沉积墙体的显微组织出现明显的方向性，主要由大量奥氏体和少量铁素体组成；相比于SUS304母材而言，x和z方向的抗拉强度均有所下降，约为母材的82.5%，且x方向的断后伸长率大于z方向。

关键词： SUS304奥氏体不锈钢；TIG焊；增材制造；工艺优化

中图分类号： TG 444+.4

Optimization of TIG arc additive manufacturing process for SUS304 austenitic stainless steel

Jia Jinlong1， Zhang Jia2，3， Du Mingke4， Jiang Chengyan1， Feng Yi1

（1.Lanzhou Institute of Technology， Lanzhou 730050， China；

2.Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China;

3.Chongqing Municipal Engineering Research Center of Higher Education Institutions for Special Welding Materials and Technology， Chongqing 400054， China;

4.Baoti Group Co.，Ltd.， Baoji 721014，Shaanxi， China）

基金项目： 甘肃省高等教育教学成果培育项目（No.2021-JXCG-131）；甘肃省一流本科课程研究项目（No.2022-XXKC-150）；陇原青年创新创业人才（团队）项目;兰州市人才创新创业人才项目（No.2021-RC-48）。

Abstract： To explore the optimal process window range for TIG arc additive manufacturing of SUS304 austenitic stainless steel， single-pass multilayer wall forming tests were designed and conducted on SUS304 stainless steel using different deposition process parameters. The experiments were conducted to study the effects on the average width and height of the walls by varying the arc travel speed， wire feeding speed and interlayer cooling time， and to investigate the microstructure and mechanical properties of the thin-walls parts. The test results show that when the heat input is kept constant， the arc travel speed and wire feeding speed should match to ensure the stability of the deposition process.

when kept the heat input constant， the average width of the deposited layer decreases from 10.54 mm to 7.5 mm and the average height decreases from 6.75 mm to 4.16 mm with the increase of the arc travel speed; the average width and height of the deposited layer increase with the increase of the wire feeding speed， and its height increases about 1 mm; With the increase of interlayer cooling time and the increase of the interlayer cooling time， the average width of the deposited layer increased significantly， from 10.54 mm at 2 min to 11.6 mm at 5 min， and the height did not change， which was around 6.5 mm.

The microstructure of the deposited wall shows clear directionality， mainly composed of a large amount of austenite and a small amount of ferrite. Compared to the SUS304， the tensile strength in bothx and z direction is reduced to about 82.5% of that of the substrate， and the elongation in the x direction is greater than that in the z direction.

Key words：  SUS304 austenitic stainless steel； TIG； additive manufacturing； process

0 前言SUS304奥氏体不锈钢因其优异的服役性能被广泛应用于医疗设备、工业建筑以及化学、船舶部件等诸多领域 ［1］。近年来，随着设备、零件服役要求及复杂程度的不断提高，传统的制造方式已不能满足工业制造领域复杂零件的制备需求，因而为适应市场需求，寻找适用于复杂零件的近净成形方式，从而降低企业成本是目前亟待解决的关键问题 ［2］。

电弧增材制造是一种由计算机智能辅助切片技术为主导，以电弧为热源来熔化丝材或粉料实现零件的逐层堆积，其显著特点是沉积效率高、研发及生产周期短、提高材料利用率以及能实现小批量复杂零件的低成本制备等，主要体现在该技术可以对复杂零件进行数字化建模，并按照结构要求设计合理的堆积路径，从而达到灵活制造的目标 ［3-4］。

刘勇［5］基于冷金属过渡技术（CMT）对304不锈钢进行了增材制造试验，研究结果发现不同的散热条件及工艺窗口对增材件的综合性能影响较为明显，试验件水平方向的拉伸强度高于高度方向，满足服役要求。 由于逐层沉积过程中会受到材料特性、热循环过程、热积累等因素的影响，使得金属熔体在冷却结晶过程中不可避免的产生残余应力及变形，对结构件的强度、疲劳寿命等产生不利影响［6］。基于此，苏峰等人［7］ 对304不锈钢电弧增材制造过程中的残余应力演变行为进行了分析，结果显示，随着沉积层数的增加，会降低基板对沉积金属的拘束，从而引起残余应力的逐渐降低。张炼等人［8-9］采用对比分析的方式对316L不锈钢的电弧增材工艺进行了探索，重点研究了TIG焊电弧与激光-TIG焊电弧复合方式对结构件成形质量及综合性能的影响规律，结果表明，层间冷却温度、冷却时间是影响结构件尺寸稳定性的重要因素，但受热循环的影响，使得不同材料对增材工艺试验的敏感程度不同。目前研究主要以成形件的微观组织及力学性能演化、残余应力的分布及降低为主，针对制备工艺的系统性报道相对较少，对304奥氏体不锈钢增材制造技术的推广产生了一定的制约。

针对304奥氏体不锈钢开展TIG焊电弧单道多层的沉积工艺试验，主要研究电弧移动速度、送丝速度和层间冷却时间等主要工艺参数对沉积层平均宽度和高度的影响规律，并考察了沉积墙体的组织和力学性能，为304奥氏体不锈钢的TIG电弧增材制造提供了理论支撑。

1 试验方法

试验选用Q235低碳钢板作为沉积基板，其规格为180 mm×80 mm×10 mm，填充材料采用直径1.2 mm的SUS304奥氏体不锈钢焊丝，基板和填充材料的化学成分见表1。 试验采用非熔化极惰性气体保护焊（TIG焊） 作为沉积热源，选用的钨极直径为3.2 mm，水冷式焊枪，保护气体为氩气（99.99%）。 为保证沉积金属的纯净度及成形件的综合质量，沉积前采用机械清理的方式对基体材料表面进行处理，去除表面的氧化膜和油污等杂质，并采用丙酮擦拭表面。TIG焊电弧增材示意图如图1所示，基本工艺参数见表2。 沉积时TIG焊电弧正常燃烧后，基板移动完成一道沉积，待冷却后，先测量沉积墙体的宽度和高度，并用线切割在各个沉积墙体中切取金相试样，并在电弧移动的高度方向切取拉伸试样，对沉积墙体的成形、金相组织和力学性能进行分析测试。

2 试验结果及分析

2.1 电弧形貌

图2为沉积电流150 A，电弧长度3 mm，保护气体流量15 L/min时，传统TIG焊电弧形貌，可以看出，传统TIG焊电弧形貌为典型的钟罩形，呈完全对称的形态。

2.2 钨极尖端烧损

沉积电流为150 A，氩气流量为15 L/min，电弧长度3 mm时，沉积前后钨极尖端氧化程度对比如图3所示，由图可知，沉积前后钨极尖端几乎没有氧化，使用99.99%的氩气保护可以在很大程度上避免钨极尖端烧损。

2.3 工艺参数对墙体平均宽度和高度影响

2.3.1 电弧移动速度的影响

图4为基本工艺参数下，电弧移动速度对沉积墙体平均宽度和高度的影响，由图可知，随着电弧移动速度的增加，沉积墙体的平均宽度和高度均减小。

由图4可知，电弧移动速度为4 mm/s时，其沉积层的平均高度最大，达到了6.75 mm，沉积层宽度達到10.54 mm。随着电弧移动速度的增加，沉积层的宽度及高度均呈现出单调递减的趋势，这是因为随着沉积速度的增加，单位长度内的金属熔敷量减少，从而导致平均宽度和高度均降低，试验结果与304不锈钢电子束增材制造工艺的研究结果相一致，即随着电子束移动速度的增加，沉积层的平均高度和宽度均降低［10］。

2.3.2 送丝速度的影响

图5为基本工艺参数下，送丝速度对沉积墙体平均宽度和高度的影响，由图可知，随着送丝速度的增加，沉积墙体的平均宽度先增加后减小，平均高度先减小后增加，呈现出截然相反的变化规律。

由图5可知，当送丝速度小于115 cm/min时，沉积层的平均宽度随送丝速度的增加呈单调递增趋势，而沉积层高度却表现出逐步降低，其主要原因是与单位时间内金属熔化沉积量的变化有关，随着送丝速度增加，单位时间内熔化沉积的金属量增加，导致熔敷层的宽度增加；当送丝速度大于115 cm/min时，沉积层平均宽度和高度呈现出相反的变化规律，主要是因为沉积过程中热输入保持不变，熔敷金属的量增加，使得大部分电弧的热量用于熔化焊丝，最终导致熔敷金属的铺展性降低，不能与送丝速度实现良好的配合，从而导致其出现沉积层高度增加、宽度降低的现象［11］。

送丝速度是增材制造结构件成形质量及综合力学性能的重要影响因素，直接影响沉积层晶粒大小、形核方式等。为保证稳定成形过程，必须选择与沉积电流和电弧移动速度相匹配的送丝速度，从而在确保增材制造效率前提下，避免因金属沉积量过大或不足而导致成形质量低，出现墙体烧塌、侧边成形不规则等诸多问题 ［12-14］。

2.3.3 层间冷却时间的影响

图6为基本工艺参数下，层间冷却时间对沉积墙体平均宽度和高度的影响，由图可知，随着层间冷却时间的增加，沉积墙体的平均宽度先增加后减小，平均高度和宽度均变化不大。

层间冷却时间的变化对墙体的影响表现为改变重熔区的冶金，当时间较短时，重熔区熔融金属再次熔融时受到影响较小，层与层结合较为平滑。当层间冷却时间为2 min时，在临界温度区间，熔融金属处于即将凝固状态，内外金属状态不同，当电弧再次作用时，电弧力对尚未定性型的熔敷金属的凝固起到反作用，甚至可能导致沉积层坍塌，随着层间冷却时间的增加，此时重熔区已凝固且温度较低，故墙体宽度和高度稳定性变化不大，因此层间冷却时间的改变主要带来墙体高度的变化 ［15］。

3 微观金相组织

在基本工艺参数下，沉积墙体上部、中部和下部位置的金相组织如图7所示，由图可知，晶粒主要以柱状树枝晶为主，同时存在少量的等轴树枝晶，微观组织由奥氏体组成，奥氏体组织中还分布少量残余铁素体。散热方式的不同使晶粒长大的方向不同，枝晶明显的方向性生长使墙体各层力学性能存在差异，堆积过程中，热量主要从底板流向空气中，小部分通过墙体扩散至空气中，堆积越往上，从墙体传入空气的热量越多，散热途径的不同是导致组织偏转的主要原因，偏转组织的形成是不可避免的，并随高度方向性也有很大的变化。

4 力学性能

4.1 墙体显微硬度

沉积墙体显微硬度测试方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测的金属材料，以材料表面局部塑性变形HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E5%A1%91%E6%80%A7%E5%8F%98%E5%BD%A2"＼t"_blank"的大小比较被测材料的硬度高低。 硬度测试选用载荷为1.962 N，加载时间为15 s，在样品表面取20个点进行试验，每次移动距离0.5 mm，从样品中心依次向4个方向打点测试，最后再计算平均值，电弧移动速度对沉积墙体平均硬度的影响如图8所示。

由图8可知，随着电弧移动速度的增大，墙体顯微硬度基本变化不大，但当电弧移动速度为6 mm/s时，显微硬度达到最大值。 沉积过程中热输入保持不变，随着电弧移动速度的增加，熔覆金属在高温阶段的持续时间变短，使得沉积墙体显微硬度略有上升。

4.2 力学性能

为了测试沉积墙体的力学性能，根据国家标准GB/T 228—2002设计了沉积墙体不同方向的拉伸试验，拉伸试样尺寸如图9所示。 加载速率为3 mm/min拉伸前对试样进行打磨处理，保证表明光滑整洁，拉伸前，准确记录拉伸试样的原始标记，方便计算断后伸长率，准备完成后在万能材料试验机上进行拉伸试验，为了减小试验误差，每个方向取3个拉伸试样。 拉伸试验结果如图10所示，由图可知，沉积墙体x方向的抗拉强度大于z方向的抗拉强度，均低于轧制304不锈钢的值，这与已经发表的研究结果相类似 ［5，16-18］。

为了确定沉积墙体拉伸试样的断裂类型，在SEM下观察试样的断裂断口，如图11所示。可以发现断口分布着很多大小不一的圆形韧窝，这是塑性断裂的明显特征，说明沉积墙体的韧性较好。 在图11b 韧窝中明显可见第二相粒子，由于沉积过程中保护效果不好，熔敷金属中混入了空气中的氧气，引起氧化物夹渣，二者的共同作用导致沉积墙体的抗拉强度下降 ［19-20］。

5 结论

（1）为保证获得良好的墙体成形，在保证热输入不变的情况下，电弧移动速度和送丝速度为负相关。

（2）在保持热输入不变的情况下，随着电弧行走速度的增加，沉积层平均宽度从10.54 mm减小到7.5 mm，平均高度从6.75 mm减小到4.16 mm；在保持热输入不变的情况下，随着送丝速度的增加，沉积层的平均宽度和高度均增加，其高度增加大约1 mm；随着层间冷却时间的增加，沉积层平均宽度明显增加，从层间冷却时间为2 min时的10.54 mm增加到5 min时的11.6 mm，高度变化不大，均在6.5 mm左右。

（3）沉积墙体的微观组织主要以大量的奥氏体树枝晶为主和少量的铁素体，方向性明显。相比于SUS304母材而言，x和z方向的抗拉强度均有所下降，约为母材的82.5%。

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收稿日期： 2022-10-17

賈金龙简介： 硕士，副教授；主要从事熔焊方法及设备、电弧增材制造和激光焊接等方面科研和教学工作；jiajl@lzit.edu.cn。