基于CMT的不锈钢电弧增材制造温度场研究

杨罗扬，王克鸿，马冯生

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AM)技术是一种借助三维CAD/CAM设计，采用“自下而上”的方式，将材料逐渐累加直接制造零件的技术[1]。欧美等发达国家已制定了发展增材制造技术的战略规划，增材制造技术正在成为发达国家振兴制造业，提升产业竞争力的重要方式，受到各国政府及科研机构的广泛关注[2]。2015年3月5日，李克强总理在政府工作报告中提出“中国制造2025”，将增材制造纳入制造业创新建设工程， 并为我国未来30 年制造业规划了路线图，以10年为一步，确立了三步走的战略目标，力争在2045年时我国制造业在全球具有自主创新能力和竞争中处于领先地位。

目前国内外关于金属增材制造的研究重点还集中在激光、电子束等高能束流增材制造技术。由于电弧增材制造技术具有熔覆效率高、填充金属利用率高，整体成型周期短、成本低[3]等优点，电弧增材制造技术将成为国内外学者的研究热点。针对奥氏体不锈钢在采用弧焊增材制造成型过程中容易出现热裂纹，变形及晶间腐蚀等影响性能的问题[4]，本文采用一种热输入很小的弧焊方法，即冷金属过渡(cold metal transfer，CMT)技术。目前国内外关于CMT增材制造过程中的温度及应力分布还鲜有报道，而温度场及应力场是产生裂纹及变形的主要因素。减小温度分布的不均匀性是降低残余应力，得到性能良好的成型结构件的关键。

本文采用专业的焊接模拟软件SYSWELD建立了不锈钢CMT增材制造过程中的有限元模型，对比了3种增材制造方式下的温度场，并对温度场分析对比确定最佳的成型路径。3种常用弧焊增材制造路径如图1所示。

图1 3种不同方式的CMT增材制造路径

通过对增材制造温度场模拟可知，采用间隔10s增材制造时，层间最高温度约为200℃～300℃，此时不会出现脆性相影响成型件的抗裂能力，且可以对后续熔覆层进行预热作用。

1 CMT增材制造有限元模型的建立

1.1 材料库的建立

本实验选用的基板材料为SUS304不锈钢，熔覆材料为ER308不锈钢，其热物理性能参数如表1及表2所示。

表1 SUS 304不锈钢基板热物理性能

表2 ER308熔敷材料热物理性能

1.2 增材制造热源模型

根据实际增材制造时的熔池形态，选用双椭球热源模型[5]。其热源形态如图2所示。

图2 双椭球热源形态

双椭球热源前1/4椭球热流密度函数为：

exp(-3y2/b2)exp(-3z2/c2)

(1)

双椭球热源后1/4椭球热流密度函数为：

exp(-3y2/b2)exp(-3z2/c2)

(2)

其中:af表示前1/4椭球长半轴，ar为后1/4椭球长半轴，b为前后椭球短半轴，c为熔池深度，fr+ff=2。双椭球热源参数如表3所示。

表3 双椭球热源参数

1.3 CMT增材制造三维模型建立

建立的有限元模型如图3所示。其中基板尺寸为200mm×200mm×5.5mm，熔覆层长度为100mm，宽度4mm，每一熔覆层的厚度约为1.5mm。

图3 增材制造有限元模型

1.4 热源模型热循环曲线验证

文中的3种增材制造路径中，由于控制层间温度时，直壁件经历的热循环过程最为复杂，选取S形间隔10s增材制造时，进行热循环曲线验证。选取第二、第三、第四熔覆层中的特征点在开始熔覆第五层时用热电偶测量温度，并与实际模拟温度对比。特征点的选取位置如图4，结果如图5所示。

图4 特征点选取位置

图5 特征点处热循环曲线模拟结果与实测结果对比

从图5中可以看出，实验模拟得到特征点的热循环曲线与实际测量的值基本吻合。在峰值温度时出现最大偏差，其中第四层模拟时偏差最大，峰值温度偏差约为10%，其他两层焊缝峰值温度偏差较小，都在10%以内，且模拟热循环曲线与实际测量热循环曲线走势基本吻合。分析认为由于模拟建模过程中存在各种假设以及测量位置不能做到完全精确，实验结果与测量结果有许少误差，但在可以接受的范围内，认为此模型能够较好反应不锈钢CMT增材制造过程中的温度变化，具有一定的科学性。(因本刊系黑白印刷文中插图中曲线无法辨别，有疑问可咨询作者。)

2 CMT增材制造温度场模拟结果及分析

2.1 不同熔覆层热循环过程对比

实验中分别选取3种成型路径下第一层熔覆层，第二层熔覆层及第三层熔覆层表面中心为特征点，其热循环过程如图6所示。

图6 熔覆层中间部位热循环过程

从图6中可以看出，每一层熔覆层在第一次熔覆时出现出现峰值温度，熔覆层数不断增加，每一层的峰值温度逐渐增大。熔覆成型直壁中间处最低温度不断上升，当第四层熔覆完成后，其最低温度趋于稳定。不同的是，在间隔时间条件下，其稳定值约为200℃。而其他两种成型方式，其稳定值约为300℃。因此得出结论，基板对熔覆层散热的影响只与热源距基板的距离有关，与采用的增材制造方式无关，控制层间温度可以获得较低的稳定温度。

2.2 熔覆层不同位置热循环过程对比

图7分别列出3种不同增材制造路径下第二层不同位置的热循环曲线。

图7 第二熔覆层不同位置温度对比

从图7中可以看出，同向增材制造时，熔覆层各位置热循环过程相同，此时温度分布最为均匀。S形增材制造时不同位置温度变化较为复杂，且先熔覆位置比后熔覆位置峰值温度要高，这将导致越靠近两端温度梯度越大。图8中绘制出熔覆层不同位置稳定后的温度对比，从图8中可以看出同向增材制造时，由于各个位置热循环变化相同，其稳定后的温度各位置相同，约为300 ℃；S形增材制造时，两边的稳定温度要低于中间部位温度，且S形连续增材制造时变化较为明显，其中间温度约为300 ℃，两边最低温度为250 ℃；采用连续间隔时间增材制造时中间温度为200 ℃，两边温度约为180 ℃，可见增加间隔时间可以减小中间与两边的温度差。

图8 3种不同增材制造路径熔覆层不同位置稳定后的最低温度对比

由于308不锈钢是典型的奥氏体不锈钢，其中冷却过程中敏感化温度区间为450℃～850℃，在此温度区间停留时，容易形成导致晶间腐蚀的相Cr23C6和Fe23C6[6]。当增材制造到多层时，此时底层的温度稳定到了最低温度，相当于在此温度区间进行回火处理，显然3种增材制造成型路径得到的最低温度均在敏感化温度以下，得到的成型直壁件都不会出现晶间腐蚀等问题。

3 结语

基板对前四层熔覆层的冷却速率影响较大，且基板能够影响的层数与增材制造方式无关；熔覆层的温度在其上熔覆一定层数后趋于稳定，稳定后的温度在奥氏体不锈钢敏感化温度区间以下，且控制层间温度可以获得较小的稳定温度值；CMT在连续熔覆时热累积作用不明显。因此，在采用CMT进行不锈钢增材制造时，为了节约时间、提高效率可采用连续增材制造的方式。