分享：不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造 H13钢 成形件的显微组织和硬度

李旭锋1,林 健1,夏志东1,韩文涛1,雷永平1,王招阳2 

(1.北京工业大学材料与制造学部,北京 100124;2.首都航天机械有限公司,北京 100076) 

摘 要:在不同沉积路径下采用冷金属过渡电弧增材制造技术制备了 H13钢成形件,基于热弹塑性有限元法对成形件的热历程进行了分析,并通过试验研究了成形件的显微组织和硬度。结 果表明:同向和双向路径沉积得到5层单道和单层5道成形件的热历程基本一致,双向沉积5层单 道成形件第3层中间点的峰值温度远高于双向沉积单层5道成形件第3道中间点,5层单道成形 件的热累积效应更明显;5层单道成形件的板条状马氏体组织比单层5道成形件的粗大;同向沉积 5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积成形件,同向沉积和双向沉积单层5道成形 件在水平方向的硬度分布基本相同,5层单道成形件的平均硬度略低于单层5道成形件。 

关键词:冷金属过渡;电弧增材制造;沉积路径;显微组织;硬度 中图分类号:TG401 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)04-0042-06

0 引 言 

电弧增材制造(wire-arcadditivemanufacturing, WAAM)技术是一种以电弧为集中热源,焊丝为填 充材料,采用逐层堆积的方式按需打印成形零件的 技术,该技术具有热输入高、焊丝填充速度快、生产 42 李旭锋,等:不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造 H13钢成形件的显微组织和硬度 效率高、所需设备和原料成本低以及打印成形件的 致密度高等优点,在航空航天、石化、发电等领域得 到广泛应用[1-3]。根据热源性质不同,电弧增材制造 技术常用的焊接方法有熔化极气体保护焊、非熔化 极气体保护焊、等离子弧焊等[4]。冷金属过渡(cold metaltransfer,CMT)焊作为熔化极气体保护焊的 一种,具有热输入低、飞溅少、成形质量好等优点,十 分适用于电弧增材制造。H13合金钢具有优良的 红硬性、冲击韧性和热疲劳性能,广泛应用于制作塑 料注射成形模具、铸造和锻造模具等[5]。利用增材 制造技术可以一次整体成形制造出具有随形冷却水 道特定功能的 H13钢模具,而采用传统的机加工方 法则难以制造出该模具。王庭庭[6]通过调整焊接电 流、焊接速度等参数,消除了电弧增材制造过程中 H13钢件焊道间根部未熔合缺陷。白涛等[7]采用 CMT 电弧增材制造技术制备5层15道结构的 H13 钢块体,研究了块体的表面质量、显微组织和力学性 能。在电弧增材制造过程中,由于热源的往复运动, 同一位置经历周期性的加热和冷却作用,成形件内 部具有不均匀的显微组织,导致成形件力学性能各 向异性[8-10]。徐文虎等[11]研究了电弧摆动与2道多 层2种不同电弧轨迹下,电弧增材制造Inconel625 合金厚壁件的显微组织和性能,发现2道多层轨迹 下的枝 晶 间 距 更 小,成 形 件 的 性 能 更 好。刘 黎 明 等[12]研究了不同路径下电弧增材制造316不锈钢 件的性能差异。GE等[13]研究了2Cr13钢 CMT 电 弧增材制造过程的热历程-组织演变的内在关系,提 出增材制造原位微热处理作用会诱发大量纳米级沉 淀相析出。陈克选等[14]对水冷条件下的电弧增材 制造温度场展开数值模拟研究,发现冷却条件有助 于缩小基板高温区域,减小熔池体积。徐富家等[15] 研究不 同 沉 积 路 径 下 等 离 子 弧 快 速 成 形 Inconel 625合金沉积态组织的生长机制,发现不同热输入 和散热方向会导致沉积过程中成形件内部形成不同 温度梯度,从而影响组织生长的延续性,正反交替路 径下成形件的成形质量和力学性能最佳。可见沉积 路径影响电弧增材制造成形件的组织与性能,但是 目前未见有关不同沉积路径下 CMT 电弧增材制造 H13钢成形件组织和性能的报道。为此,作者基于 热-弹塑性有限元法模拟分析了同向和双向沉积5 层单道和单层5道CMT 电弧增材制造 H13合金钢 的热历程,试验研究了不同沉积路径下成形件的显 微组织和硬度。

 1 试样制备与试验方法 

基板和填充焊丝材料均为 H13模具钢,焊丝直 径为1.2mm,焊丝和基板的化学成分如表1所示。 沉积前用角磨机打磨基板表面,除去表面氧化层。 采用机器人辅助冷金属过渡焊接技术进行电弧增材 制造,其中 FroniusCPS5000CMT 型焊枪固定在6 轴 ABBIRB1600型机器人上,按照同向和双向路 径分别沉积5层单道和单层5道成形件,具体沉积 路径如图1所示,沉积工艺参数:沉积电压12.7V, 沉积电流118A,沉积速度150mm·min -1,送丝速 度8m·min -1,弧长修正系数-7%,焊丝尖端距沉 积表 面 距 离 4.1mm,相 邻 沉 积 道 之 间 停 留 时 间 60s,沉积长度120mm。在沉积过程中选用保护气 体为 体 积 分 数 97.5% Ar+2.5% CO2,流 量 为 20L·min -1。在沉积过程中,用 LR8400-21型热电 偶温度数据记录仪对图2中黑点所示位置的热循环 表1 焊丝和基板的化学成分 Table1 Chemicalcompositionofweldingwireand substrateplate % 材料 质量分数 C Si Mn S P V Cr 焊丝 0.450 0.820 0.500 0.030 0.030 0.800 4.750 基板 0.390 0.940 0.450 0.002 0.010 1.100 5.480 图1 5层单道和单层5道同向和双向沉积路径示意 Fig 1 Five-layersingle-pass a-b andsingle-layerfive-pass c-d codirection a c andbidirection b d depositionpathdiagram 43 李旭锋,等:不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造 H13钢成形件的显微组织和硬度 温度进行实时采集,测温范围为0~1200 ℃,数据 记录时间间隔为0.2s。 使用线切割方法在成形件中图3所示的 A~F 位置上截取金相试样,其中 A~C 取样位置为5层 单道中第2层,D~F 取样位置为单层 5 道中第 2 道,图中箭头表示相应位置的热量传导方向。金相 试样经研磨、抛光处理,用5gCuSO4+20mL HCl +20mLH2O 溶液腐蚀后,采用SU-1510型扫描电 子显微镜(SEM)观察显微组织。用 THV-1MD 型 数字显微硬度计对成形件焊道中心线的显微硬度进 行测试,相邻测试点间隔为1mm,载荷为1.98N,保载 时间为10s。

采用 ABAQUS有限元分析软件对不同路径下 的沉积过程进行热-弹塑性有限元分析,以热力顺序 耦合的方法对沉积过程的热循环进行模拟。由于在 沉积过程中热源具有瞬时性和集中性,导致沉积层 及热影响区存在较高的温度和应力梯度,因此在沉 积层及其 附 近 采 用 加 密 网 格,网 格 的 最 小 尺 寸 为 0.6mm。5层单道模型的单元总数为16728,节点 总数为20461;单层5道模型的单元总数为31116, 节点总数为35440,有限元模型的具体网格划分如 图4所示。计算中采用 DC3D8线性传热单元对温 度场进行模拟,在模型中基板底部3点设置位移约 图4 有限元模型网格划分示意 Fig 4 Diagramoffiniteelementmodelmeshing a five-layersingle-passmodeland b single-layerfive-passmodel 束。H13合金钢的热物理性能参数引自文献[16]。

 3 结果与讨论

 3.1 热循环温度 

由图5可以看出:5层单道和单层5道双向成 形件基板测温点的测量结果与模拟结果基本吻合, 相对误差小于10%,在试验过程中因基板与卡具间 存在热交换,导致温度模拟结果略高于测量结果;在 5层单道沉积过程中,随着沉积层高度的增加,热源 与基板间的距离变大,热量主要通过空气传导,热量 散失速率慢,因此测量点的热积累效应明显,温度有 明显上升的趋势;在单层5道沉积时,热源与基板直 接接触,热量散失速率快,热积累效应不明显,温度 上升趋势缓慢,随着沉积过程的进行,热积累导致温 度趋于稳定。 由图6可以看出:模拟得到双向沉积时第1层 (道)起弧点的热循环曲线略高于同向沉积时,这是 由于同向沉积时焊枪返回起弧点的过程有助于成形 44 李旭锋,等:不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造 H13钢成形件的显微组织和硬度 件的散热所致;2种沉积路径下,第1层(道)起弧点 处的热循环曲线趋势相同,均有5个温度峰值,其中 第1,3,5个峰值温度基本重合。第2,4层双向沉积 时,热源与前一层的运动方向相反,第1层(道)起弧 点在沉积奇数层后的冷却时间变长,导致沉积偶数 层时该点的峰值温度滞后于同向沉积时的峰值温 度。双向沉积第4层(道)和第5层(道)相当于对第 3层(道)中间点进行再加热。由图7可以看出,双 向沉积5层单道第3层中间点的峰值温度远大于双 向沉积单层5道第3道中间点的峰值温度,该现象 说明5层单道成形件中的热累积效应比单层5道成 形件更明显。 

由图8和图9可以看出,成形件的显微组织主 要为致密板条状马氏体(M),5层单道成形件中间 位置(位置 B)处存在长条块状铁素体(F)。电弧的 能量分 布 随 着 偏 离 熔 池 中 心 距 离 增 加 呈 指 数 衰 减[2],单道电弧的中心温度远远高于边界位置,热量 从熔池中心向边缘扩散,导致熔池中存在较大的温 度梯度,因此马氏体的生长方向主要与温度梯度方 向一致。沉积层中不同位置的温度梯度方向不同, 马氏体的生长方向也显著不同。2种沉积路径下的 热输入相同,所以成形件的显微组织基本相同。由 于5层单道成形件的中间点的峰值温度高于单层5 道成形件的峰值温度,即5层单道成形件在沉积过 程中经历 的 平 均 温 度 更 高,因 此 其 马 氏 体 组 织 较 粗大。

 3.3 硬 度 

由图10可知,同向沉积5层单道成形件在同一 高度上的硬度略高于双向沉积5层单道成形件,其 平 均硬度分别为4,可能是因为双向沉积过程中的热积累更严重,造 成成形件组织中铁素体含量增加,因此双向沉积5 层单道成形件的平均硬度较低。同向沉积和双向沉 积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基本相 同,平均硬度分别为442,441 HV。与单层5道成 形件相比,5层单道成形件的平均硬度略低,这与5 层单道成形件组织中存在的硬度较低的大尺寸铁素 体有关。 46 李旭锋,等:不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造 H13钢成形件的显微组织和硬度

4结论

(1)同向和双向路径沉积得到5层单道和单层 5道成形件的热历程基本一致,热循环曲线变化规 律相似;双向沉积第1层(道)起弧点的温度略高于 同向沉积,双向沉积5层单道成形件第3层中间点 的峰值温度远高于双向沉积单层5道成形件第3道 中间点,5层单道成形件中的热累积效应更明显。 (2)2种路径沉积得到的5层单道和单层5道 成形件的显微组织均主要为致密的板条状马氏体, 但5层单道成形件的马氏体组织较粗大;在温度梯 度的影响下,成形件不同区域的马氏体生长方向不 同。 (3)同向沉积5层单道成形件在同一高度上的 硬度略高于双向沉积5层单道成形件,同向沉积和 双向沉积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基 本相同,5层单道成形件的平均硬度略低于单层5 道成形件,这与组织中存在的硬度较低的大尺寸铁 素体有关。

来源：材料与测试网