不銹鋼0Cr18Ni9熔滴沉積參數(shù)優(yōu)化

李素麗，劉 偉

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

0 引言

熔滴沉積工藝原理就是以金屬絲為研究對(duì)象，使用不同的熱源使金屬絲熔化形成熔滴，熔滴滴落到經(jīng)過預(yù)熱的金屬板上，金屬板固定在可以移動(dòng)的工作臺(tái)上，并利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制金屬板的運(yùn)動(dòng)，使熔滴在基板上準(zhǔn)確定位，逐點(diǎn)逐層累加，從而成形出復(fù)雜的幾何造型。而得到穩(wěn)定的均勻熔滴是該技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)，只有當(dāng)成形姿態(tài)、送絲速度以及金屬板移動(dòng)速度等相關(guān)參數(shù)相匹配時(shí),才能得到均勻滴落的熔滴[1-3]。

1 建模

由于金屬存在半熔融狀態(tài)的溫度區(qū)間較小，有的甚至就沒有半熔融狀態(tài)，所以對(duì)金屬絲剛剛到半熔融狀態(tài)很難控制，不能提供熔滴形貌及有關(guān)熔滴變形中的速度和溫度分布等詳細(xì)信息，而對(duì)熔滴鋪展和與基板融合凝固過程的數(shù)值模擬研究卻能夠很好地彌補(bǔ)此不足之處。然而對(duì)熔滴撞擊、鋪展試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬并不是一個(gè)輕而易舉的事情，我們需要借助計(jì)算機(jī)才能很好地解決相關(guān)一系列的復(fù)雜問題，如送絲速度、基板溫度、噴嘴與基板間的距離等相關(guān)參數(shù)同時(shí)影響熔滴沉積質(zhì)量。

本研究中，熔滴以一定的速度撞擊基板。由于其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速，因此可以忽略熔滴的可壓縮性；流體的Reynolds數(shù)很小不足以引起湍流；熔滴的直徑為0.8 mm，具體材料參數(shù)如表1所示。液滴的初始形態(tài)如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)表

圖1 建模示意圖

影響熔滴鋪展的因素很多，熔滴尺寸、基板材料、粗糙度等參數(shù)。如圖2模擬直徑為0.8 mm的不銹鋼0Cr18Ni9熔滴鋪展過程，可見隨著時(shí)間的推移，熔滴鋪展的直徑慢慢加大，熔滴芯部溫度基本不變，外測溫度在不斷下降。這與文獻(xiàn)[4]中結(jié)果一致。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

本研究采用的試驗(yàn)裝置由CNC系統(tǒng)、成形工作臺(tái)、送絲機(jī)構(gòu)和氧氣乙炔焊接系統(tǒng)組成。其中CNC系統(tǒng)控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)x、y和z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)；熱源采用氧氣乙炔焊接系統(tǒng)（如圖3）。

圖2 熔滴鋪展情況溫度場分布

圖3 熱源試驗(yàn)裝置簡圖

由于采用的熱源不同，不同金屬絲熔化形成熔滴的研究沒有固定的設(shè)備與工藝，需要根據(jù)金屬絲本身的性質(zhì)以及研究的工藝性搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，致使能實(shí)現(xiàn)用熔滴成形法形成一條直線。成形過程中焊炬位置固定，基板固定在成形工作臺(tái)上。通過CNC系統(tǒng)控制工作臺(tái)以一定的速度V運(yùn)動(dòng)，同時(shí)送絲機(jī)構(gòu)將不銹鋼絲0Cr18Ni9(304)以一定速度送至乙炔氧氣焊炬中性焰焰心（溫度可達(dá)3 000℃），形成連續(xù)的熔滴滴于基板表面，最終形成一條直線。

2.2 工藝參數(shù)確定

（1）送絲速度

送絲速度對(duì)熔滴成形有很大影響。因此首先應(yīng)該確定送絲機(jī)的面板刻度與實(shí)際送絲速度對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體參數(shù)如表2所示。

表2 送絲機(jī)速度與面板刻度對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過試驗(yàn)，當(dāng)面板刻度調(diào)制2時(shí)，對(duì)應(yīng)的送絲速度為1.7 mm/s，這時(shí)金屬絲0Cr18Ni9(304)會(huì)過度氧化；當(dāng)送絲刻度為2.5，即送絲速度為3.8 mm/s時(shí)，能獲得連續(xù)的熔滴。但送絲速度大于3.8 mm/s時(shí)，只能將不銹鋼絲加熱至紅熱狀態(tài)，來不及形成熔滴。所以本試驗(yàn)采用的送絲速度為3.8 mm/s。

圖4 焊炬斜向下試驗(yàn)裝置圖

（2）焊炬姿態(tài)對(duì)成形過程的影響

不同的焊炬姿態(tài)對(duì)底板加熱的效果是不同的，能得到不同的預(yù)熱效果。通過調(diào)整焊炬可以形成三種不同的焊炬姿態(tài)，即平吹—火焰與基板水平；斜吹—焊炬斜向下，火焰與底板呈一定角度；垂直吹—焊炬垂直于底板向下，火焰與底板垂直。

①平吹—火焰與底板基本水平

由圖5可以看出，熔滴之間有較好的搭接。通過測量其成形長度L=40 mm，共14個(gè)熔滴，假設(shè)每個(gè)熔滴直徑為4 mm，則平均兩個(gè)熔滴之間的重復(fù)部分長度為1.2 mm。

圖5 平吹時(shí)熔滴成形質(zhì)量

②垂直吹—火焰與基板垂直

由于火焰垂直于基板，氣流影響過大，熔滴的大小及下落位置很不穩(wěn)定，發(fā)生了熔滴飛濺。如圖6所示。

③斜吹—火焰與底板呈一定角度

圖6 垂直向下吹時(shí)熔滴成形質(zhì)量

由圖7可以看出，乙炔的溫度很高，能把金屬絲0Cr18Ni9(304)瞬間熔化，但是外界沒有保護(hù)裝置，熔滴極易被氧化。由于沒有振動(dòng)，熔滴脫落僅依靠重力作用，所以比較慢，即將滴落的熔滴和已經(jīng)滴落的熔滴不能很好地融合。另外基板沒有經(jīng)過預(yù)熱，熔滴的結(jié)合性不好。

圖7 斜吹時(shí)熔滴成形質(zhì)量

（3）熔滴下落高度

為減少熔滴在空氣中的凝固時(shí)間，在理論上應(yīng)盡量減少熔滴的下落高度，但是為避免相互干涉，而且距離太近，會(huì)出現(xiàn)熔滴前后沒有形成熔滴熔在一團(tuán)的現(xiàn)象。由于試驗(yàn)的可重復(fù)性較差，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，在平吹時(shí)，熔滴下落高度不能小于5 mm；斜吹時(shí)，熔滴下落高度不能小于6 mm；垂直向下吹時(shí)，理論上考慮熔滴尺寸即可,下落高度也不能小于6 mm左右。

3 結(jié)論

本研究首先對(duì)高熔點(diǎn)合金0Cr18Ni9(304)以絲材形式通過送絲機(jī)構(gòu)送出，經(jīng)乙炔氧氣加熱至熔融態(tài)，形成熔滴，沉積在不銹鋼基板上，通過調(diào)節(jié)不同參數(shù)來觀察其成形質(zhì)量。

（1）送絲速度對(duì)熔滴沉積有很大影響。送絲速度太快，金屬?zèng)]有來得及熔化形成熔滴，而相反送絲速度太慢，金屬絲會(huì)被過度氧化。根據(jù)本文的具體實(shí)際，采用送絲速度為3.8 mm/s。

（2）焊炬姿態(tài)對(duì)熔滴沉積也有一定的影響。平吹時(shí)，乙炔焰先融化一部分底板不銹鋼，形成熔池，這時(shí)不銹鋼熔滴滴上之后將會(huì)有比較好的結(jié)合強(qiáng)度。然而垂直向下吹時(shí)，由于氣流影響過大，熔滴的大小及下落位置很不穩(wěn)定，無法達(dá)到預(yù)期效果，甚至發(fā)生了熔滴爆炸飛濺的現(xiàn)象。斜吹時(shí)，火焰中心與底板表面接觸，金屬絲極易熔化形成熔滴而被氧化，另外由于中性火焰焰心長度為24 mm，對(duì)于直徑在4 mm左右的熔滴，容易造成焊嘴堵塞引發(fā)危險(xiǎn)。

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