旁路耦合等離子電弧增材制造熱過(guò)程范文

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摘要：針對(duì)旁路耦合微束等離子弧焊電弧增材制造中的熱物理過(guò)程，利用K型熱電偶測(cè)量堆垛過(guò)程中不同焊接速度、不同旁路電流和不同堆垛順序下的熱循環(huán)曲線，分析研究堆垛成型時(shí)各參數(shù)對(duì)熱過(guò)程的影響。結(jié)果表明:隨著焊接速度的增大，母材熱輸入減小;在合適的旁路電流區(qū)間內(nèi)，增加旁路電流，母材熱輸入減少;且同向堆垛散熱性要優(yōu)于往復(fù)堆垛。精確控制旁路電流、合理規(guī)劃堆垛路徑可較好地控制旁路耦合微束等離子弧焊電弧增材制造的熱過(guò)程。

關(guān)鍵詞：電弧增材制造；旁路耦合微束等離子弧焊；熱過(guò)程

引言

電弧增材制造(Wirearcadditivemanufacture，WAAM)技術(shù)是一種利用電弧將焊絲熔積成型的新型制造方法，基本原理是“分層制造，逐層堆積”。該技術(shù)首先建立零件模型，接著將其分層處理，設(shè)置好每一層的焊接路徑，最后使用電弧焊接方法，沿著設(shè)定路徑將焊絲熔積成型［1］。WAAM成型件致密度高、生產(chǎn)效率高、成本低，特別是在制備低精度的大型件時(shí)其具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但堆垛過(guò)程中的反復(fù)熱循環(huán)造成較大的殘余應(yīng)力與變形，影響了制備零件的成型精度。因此，WAAM熱過(guò)程成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。Mughal等［2-5］采用有限元模擬的方法研究了以電弧為熱源的單層沉積制造中熱應(yīng)力分布及其變形，并進(jìn)一步分析比較了氣體保護(hù)焊(Gasmetalarcwelding，GMAW)成型時(shí)間隔冷卻和連續(xù)沉積的熱量積累和變形情況。張廣軍等［6-7］對(duì)GMAW堆積時(shí)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元模擬，研究了堆積長(zhǎng)度、道間間隔時(shí)間、不同堆積順序等過(guò)程參數(shù)對(duì)堆積過(guò)程的影響規(guī)律，分析了不同堆積方向下的熱循環(huán)特點(diǎn)。這些研究更注重于數(shù)值分析方面，對(duì)于試驗(yàn)研究，特別是使用何種電弧方法來(lái)進(jìn)行增材制造討論較少，因此有必要對(duì)電弧增材制造的熱過(guò)程進(jìn)行更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。本實(shí)驗(yàn)在張?jiān)Ｃ鹘淌谒l(fā)明的旁路耦合電弧焊(Double-electrodegasmetalarcwelding，DE-GMAW)［8-9］的基礎(chǔ)上，提出了旁路耦合微束等離子弧焊(Double-electrodemicro-plasmaarcwelding，DE-MPAW)方法來(lái)進(jìn)行電弧增材制造的研究［10］。在利用K型熱電偶測(cè)量DE-MPAW熱特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)電弧增材制造過(guò)程中的單道多層的堆垛順序，即同向堆垛和往復(fù)堆垛的熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，分析了堆垛順序、旁路電流對(duì)增材制造熱過(guò)程的影響，獲得了DE-MPAW在增材制造過(guò)程中的熱物理特性。

1實(shí)驗(yàn)

1．1DE-MPAW原理圖1為旁路耦合微束等離子弧焊方法示意圖，其中Im為母材電流，Ip為旁路電流，I為總電流，其關(guān)系為I=Im+Ip，即總電流為母材電流與旁路電流之和。在焊接過(guò)程中，微束等離子焊槍與工件間產(chǎn)生主路電弧，旁路焊絲與焊槍間產(chǎn)生旁路電弧。這樣電流從焊機(jī)工件正極流出后，一部分流入母材，另一部分經(jīng)過(guò)電流分配器通過(guò)旁路焊絲分流。通過(guò)調(diào)節(jié)電流分配器，來(lái)改變旁路電流Ip，在總電流不變的情況下，實(shí)現(xiàn)母材電流Im可調(diào)，從而有效控制母材熱輸入。試驗(yàn)中，焊機(jī)采用LHM-50等離子弧焊機(jī)，旁路送絲機(jī)選用WF-007A送絲機(jī)，電流分配器選用AMR-300型變阻器。

1．2DE-MPAW的增材制造過(guò)程在旁路耦合微束等離子弧焊的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用其來(lái)進(jìn)行電弧增材制造的研究，開展如圖2所示的DE-MPAW堆垛過(guò)程分析，其堆垛過(guò)程為:利用微束等離子弧熔化填充焊絲，使其沿著設(shè)定路徑逐層堆積，最終得到所需試樣，在堆垛過(guò)程中，每層會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)作用，測(cè)量堆垛成型時(shí)溫度的變化，研究其熱物理過(guò)程。試驗(yàn)中利用高速攝像拍攝了焊接過(guò)程的電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡圖像，并進(jìn)行分幀處理，如圖3所示。從圖3可以看出，電弧呈“柱狀”，且能量集中;熔滴過(guò)渡屬于自由過(guò)渡，熔滴在各種力的綜合作用下，沿著順時(shí)針?lè)较蜻^(guò)渡到熔池中。

1．3電弧增材制造中熱過(guò)程測(cè)試圖4為旁路耦合微束等離子弧焊試驗(yàn)系統(tǒng)，利用該試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行單道試樣及單道多層試樣的堆焊。該系統(tǒng)是利用傳感器將焊接中電流、電壓信號(hào)傳輸?shù)讲杉ㄉ希儆刹杉▽?shù)據(jù)傳到電腦上;視頻采集則是由CCD攝像機(jī)、采集卡和視頻采集軟件共同完成;而熱信號(hào)的采集系統(tǒng)由熱電偶、溫度采集模塊、采集卡及相應(yīng)的采集軟件共同構(gòu)成。計(jì)算機(jī)用于控制工作臺(tái)的移動(dòng)、調(diào)節(jié)焊接中工藝參數(shù)，同時(shí)收集并記錄堆垛過(guò)程中的熱循環(huán)數(shù)據(jù)。圖5為熱過(guò)程測(cè)試實(shí)物圖，測(cè)量熱循環(huán)曲線時(shí)，在母材上選擇合適的測(cè)溫特征點(diǎn)，采用焊偶儀將K型熱電偶焊接在特征點(diǎn)處，焊接開始后，利用測(cè)溫軟件Adam．netUtility采集溫度數(shù)值并保存。圖6為堆垛成型時(shí)測(cè)溫特征點(diǎn)的位置示意圖，其中，A、B、C三點(diǎn)距焊縫中心線分別為10mm、20mm、30mm。試驗(yàn)中，選擇離子氣流量1L/min，保護(hù)氣流量10L/min，其他工藝參數(shù)根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康淖鞒鱿鄳?yīng)改變。旁路耦合微束等離子弧焊試驗(yàn)所用基板為304不銹鋼，尺寸為200mm×100mm×3mm。試驗(yàn)前，用砂紙將基板表面打磨光亮，并用丙酮清洗。試樣是以直徑為0．8mm的ER304L不銹鋼焊絲為成形材料，其成分如表1所示。

2結(jié)果與分析

2．1DE-MPAW的熱特性為分析不同旁路電流、焊接速度對(duì)焊接熱輸入的影響，在母材上進(jìn)行單道試樣的堆焊，同時(shí)測(cè)量其熱循環(huán)曲線。表2為確定的焊接工藝參數(shù)，分別采用80mm/min、100mm/min、120mm/min的焊接速度進(jìn)行試驗(yàn)。圖7為焊接速度為120mm/min時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，可以看出，單道堆焊的熱循環(huán)曲線呈現(xiàn)單個(gè)波峰分布，當(dāng)熱源接近測(cè)溫點(diǎn)時(shí)溫度快速上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)與測(cè)溫點(diǎn)平齊時(shí)溫度升到最高，隨后慢慢降低;同時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)距熱源越遠(yuǎn)，其熱循環(huán)曲線越低。圖8為不同焊接速度下各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度變化曲線。從圖8中可以看出，隨著焊接速度的提高，測(cè)溫點(diǎn)峰值溫度逐漸降低。這是由于焊速越快，熱源對(duì)母材作用時(shí)間越短，母材熱輸入也相應(yīng)減小;同時(shí)，圖8中A點(diǎn)的降幅最大，B點(diǎn)次之，C點(diǎn)最小，說(shuō)明距離焊縫越遠(yuǎn)，焊接速度對(duì)其熱輸入的影響在逐漸減弱。為分析旁路電流對(duì)焊接熱輸入的影響，采用旁路電流分別為0A、4A、9A、13A、15A進(jìn)行單道堆焊，其余工藝參數(shù)如表3所示。圖9為所測(cè)得的不同旁路電流下各特征點(diǎn)的峰值溫度變化曲線。從圖9中可以看出，在總電流保持不變時(shí)，增大旁路電流，各點(diǎn)的峰值溫度先是在小區(qū)間升高，隨后降低，即母材熱輸入減小。從整體趨勢(shì)中可以看出，母材熱輸入隨著旁路電流增大而減小，這是由于旁路的分流作用，使得流經(jīng)母材電流減小，降低了母材電阻熱，說(shuō)明電阻熱和耦合電弧熱對(duì)母材熱輸入減小的程度大于熔滴增加母材熱輸入的程度。

2．2電弧增材制造堆垛過(guò)程的熱分析針對(duì)電弧增材制造過(guò)程，特別是DE-MPAW方法中的單道多層堆垛的熱過(guò)程，在母材上進(jìn)行單道多層試樣的堆垛，并測(cè)量其熱循環(huán)曲線。圖10所示為典型堆垛試樣。表4所示為確定的工藝參數(shù)，變化的參數(shù)為旁路電流，分別為4A、8A、19A。圖11為旁路電流為4A時(shí)A、B兩點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。從圖11中可以看出，A、B兩點(diǎn)的熱循環(huán)曲線均由多個(gè)波峰和波谷組成，且波谷的溫度不斷升高，表明在堆垛過(guò)程中，前一層對(duì)后一層預(yù)熱，后一層對(duì)前一層后熱，波谷溫度的升高說(shuō)明了預(yù)熱溫度在不斷升高。同時(shí)B點(diǎn)的熱循環(huán)曲線低于A點(diǎn)，這是由于A點(diǎn)距熱源近的緣故。假設(shè)t100為測(cè)溫點(diǎn)在每次熱循環(huán)中從最高溫度下降100℃所需的冷卻時(shí)間，根據(jù)圖11的熱循環(huán)曲線，得到圖12所示的A點(diǎn)在每次熱循環(huán)中的冷卻時(shí)間t100隨堆垛層的變化情況。隨著堆積層數(shù)增高，冷卻時(shí)間t100整體趨勢(shì)逐漸延長(zhǎng)，冷卻速率反而降低，這是由于堆垛得越高，熱積累越嚴(yán)重，冷卻速率則越低。圖13為旁路電流分別為8A、19A時(shí)A點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。從圖13中可以看出，旁路電流為8A的熱循環(huán)曲線要高于19A的。這表明在堆垛過(guò)程中，隨著旁路電流的增大，母材熱輸入反而減小。這是由于后一層對(duì)前一層的后熱作用，熱量不斷傳遞到母材上，但熱輸入的減小仍說(shuō)明母材電阻熱和耦合電弧熱對(duì)其熱作用減小的程度大于熔滴增加熱輸入的程度。據(jù)圖13所示的不同旁路電流的熱循環(huán)曲線，得到測(cè)溫點(diǎn)A在不同旁路電流的冷卻時(shí)間t100的變化情況，如圖14所示。從圖14可以看到，旁路電流為19A的曲線要高于8A的，即19A的冷卻時(shí)間大于8A的，則19A的冷卻速率要小于8A，說(shuō)明當(dāng)旁路電流從8A升到19A時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)的冷卻速率反而降低。在母材上進(jìn)行同向式和往復(fù)式兩種堆垛方式，選用工藝參數(shù)如表4所示，旁路電流均為4A。圖15為同向堆垛和往復(fù)堆垛時(shí)A點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，可以看出同向堆垛的熱循環(huán)曲線要低于往復(fù)堆垛的，表明同向堆垛的散熱性優(yōu)于往復(fù)堆垛。這是由于同向堆垛時(shí)，每次起弧是從溫度較低側(cè)開始的，因此散熱較好，而往復(fù)堆垛時(shí)，熱量不斷積累，造成散熱性變差。根據(jù)圖15所示的不同堆垛順序下的熱循環(huán)曲線，得到測(cè)溫點(diǎn)A在不同堆垛順序時(shí)的冷卻時(shí)間t100的變化曲線，如圖16所示。從圖16可以看出，同向堆垛時(shí)的冷卻時(shí)間曲線高于往復(fù)堆垛，即同向堆垛時(shí)的冷卻時(shí)間長(zhǎng)于往復(fù)堆垛的，那么同向堆垛時(shí)的冷卻速率要低于往復(fù)堆垛的。這表明不同的堆垛方式下，其測(cè)溫點(diǎn)在每次熱循環(huán)下的冷卻速率也不同。圖17為同向堆垛和往復(fù)堆垛時(shí)A點(diǎn)的峰值溫度變化曲線，可以看出不管是同向式堆垛，還是往復(fù)式堆垛，隨著堆垛層數(shù)的增加，各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度先是迅速升高，隨后緩慢升高，最后達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并有緩慢降低的趨勢(shì)。這是由于焊接剛開始時(shí)，母材溫度較低，熱源與母材之間的溫差較大，導(dǎo)熱速率大，所以母材升溫較快。隨著母材溫度的升高，熱源與母材之間的溫差減小，導(dǎo)熱速率減小。同時(shí)由于母材溫度的升高，增大了其與周圍環(huán)境的溫差，散熱作用增強(qiáng)，所以溫度升高較為緩慢;并且，隨著堆垛層數(shù)增加，熱阻增大，熱源對(duì)母材加熱作用進(jìn)一步減弱，當(dāng)散熱量超過(guò)熱輸入量時(shí)，母材的峰值溫度就會(huì)降低。在電弧增材制造單道多層堆垛過(guò)程中，合適的旁路電流可有效減少熱輸入，堆垛順序也可影響堆垛的熱過(guò)程。因此在零件制造中，要較精確地控制旁路電流和合理規(guī)劃行走路徑。

3結(jié)論

(1)在旁路耦合微束等離子弧焊增材制造時(shí)，當(dāng)提高焊接速度，母材熱輸入減小，且距離堆焊中心越遠(yuǎn)，焊接速度對(duì)熱輸入的影響逐漸減弱。(2)在總電流保持不變時(shí)，增大旁路電流，各點(diǎn)的峰值溫度先是在小區(qū)間升高，隨后降低，即母材熱輸入減小。從整體趨勢(shì)看，母材熱輸入隨著旁路電流增大而減小。且不同的旁路電流使得母材的冷卻速率也不同，同時(shí)隨著堆積層數(shù)增加，母材冷卻速率降低，說(shuō)明該方法較適合電弧增材制造。(3)同向堆垛、往復(fù)堆垛等堆垛順序可影響堆垛的熱過(guò)程，不管是同向堆垛，還是往復(fù)堆垛，隨著堆垛層數(shù)的增加，各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度先是迅速升高，隨后緩慢升高，最后達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并有緩慢降低的趨勢(shì)。一般情況下，同向堆垛的散熱性要優(yōu)于往復(fù)堆垛，但同向堆垛時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)冷卻速率低于往復(fù)堆垛。(4)在旁路耦合微束等離子弧焊增材制造中，選擇合適的旁路電流、規(guī)劃合理的堆垛路徑都可有效控制熱輸入，提高堆垛質(zhì)量。

作者：余淑榮 程能弟 黃健康 李楠 樊丁 單位：蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院