不銹鋼電弧增材制造成形

曲 揚(yáng) ，楊 可 ，郭博靜 ，董浩然 ，雷步越 ，朱文杰 ，包曄峰 ，蔣永鋒

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.機(jī)械科學(xué)研究總院江蘇分院，江蘇 常州213200）

0 前言

金屬電弧增材制造是一種新興的快速制造技術(shù)[1-4]。相較于金屬粉末燒結(jié)成形的激光增材制造和電子束增材制造，以電弧為熱源使金屬絲材熔化成形的電弧增材制造具有制造效率高、打印零件尺寸受限小、設(shè)備簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

不銹鋼因其良好的耐腐蝕性和耐久性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備零件及高溫壓力容器方面。不銹鋼零件通常在鑄造或鍛造后通過切削加工成形，復(fù)雜零件的加工通常要切削掉90%的材料。不銹鋼成本較高，傳統(tǒng)加工方法造成了很大的資源浪費(fèi)。而增材制造技術(shù)在制造過程中無需模具，單件生產(chǎn)速度快，制造零件僅需少量的后續(xù)機(jī)械加工，可以節(jié)約資源、降低成本、提高效率。因此采用增材制造技術(shù)制造不銹鋼零件具有廣闊的發(fā)展前景。

在此以TIG電弧為熱源，采用電弧增材制造技術(shù)制造316L不銹鋼薄壁零件，并研究316L不銹鋼增材制造成形件的組織特征。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

電弧增材制造裝置由TIG焊機(jī)和3軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)建而成。TIG焊機(jī)為米勒Dynasty350焊機(jī)，該焊機(jī)為交直兩用型焊機(jī)，試驗(yàn)采用直流正接進(jìn)行增材制造；送絲機(jī)為WF-007A，送絲速度調(diào)節(jié)范圍0～600 cm/min。實(shí)驗(yàn)采用直徑0.8mm的316L不銹鋼焊絲，以Q235A為基板，尺寸200 mm×70 mm×10 mm，實(shí)驗(yàn)前用角磨機(jī)打磨基板以去除表面油污及氧化皮，并固定于數(shù)控機(jī)床工作臺上。使用純度99.99%的氬氣保護(hù)氣體，氣體流量8～10 L/min。焊絲與基板化學(xué)成分如表1所示。

表1 316L不銹鋼焊絲及Q235A基板化學(xué)成分%

增材制造過程中，基板夾裝在工作臺上，隨工作臺在水平方向進(jìn)行X軸和Y軸的移動，焊槍固定于數(shù)控機(jī)床上，僅進(jìn)行豎直方向的Z軸移動。送絲角度為20°，送絲方向在基板上的投影與X軸正方向成 210°。

在單層增材制造試驗(yàn)中，首先在基板上引弧，電弧長度5 mm，待其穩(wěn)定燃燒并形成熔池后開始送絲，焊接平臺按照設(shè)定軌跡移動，進(jìn)行邊長50 mm的方形件單層單道增材制造成形。增材制造過程結(jié)束時(shí)，焊接平臺先停止移動，隨后停止送絲并熄弧。通過控制變量法分析單層增材制造的焊接電流、打印速度、送絲速度、鎢針正下方焊絲距基板距離4個(gè)增材制造參數(shù)，以獲得合適的打印參數(shù)并為多層增材制造做技術(shù)準(zhǔn)備。

在多層增材制造中，每結(jié)束一層邊長50 mm方形打印后，焊槍向上提升0.5 mm的層升高度后繼續(xù)打印下一層，直至打印至目標(biāo)高度，打印停止。

在增材制造成形件的頂部和中部各切取尺寸為10 mm×10 mm的側(cè)壁試樣，使用砂輪機(jī)磨去表面氧化皮，并用砂紙打磨、拋光后用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕試樣。然后使用酒精沖洗吹干，采用XJG-05大型臥式金相顯微鏡觀察增材制造件側(cè)壁頂部和中部試樣的顯微組織。選用顯微硬度計(jì)HXD－1000TC測試打印成形件試樣的頂部和中部硬度。

2 不銹鋼電弧增材制造成形工藝

增材制造技術(shù)中，單層制造成形是多層制造成形的基礎(chǔ)，掌握單層制造的規(guī)律是進(jìn)一步深入研究的前提。為獲得合適的打印參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)對打印件的成形質(zhì)量和連續(xù)制造穩(wěn)定性進(jìn)行評定，評定良好的打印件的打印參數(shù)為合適。成形質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：單層增材制造件表面光滑，魚鱗紋細(xì)密且間距穩(wěn)定，制造件旁側(cè)無熔滴流淌痕跡。連續(xù)制造穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：打印過程中無飛濺，焊絲過渡平滑，無跳動，重復(fù)打印邊長50 mm方形件3次均無粘絲現(xiàn)象，可連續(xù)制造成形。不同打印參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2中成形質(zhì)量和連續(xù)制造穩(wěn)定性均良好的單層增材制造形貌如圖1所示，其表面質(zhì)量和連續(xù)制造穩(wěn)定性均符合要求。

表2 單層增材制造實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1 單層單道打印形貌

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，打印過程中容易出現(xiàn)焊絲末端與焊道粘連的現(xiàn)象，致使焊絲無法繼續(xù)向熔池中過渡，阻礙打印的連續(xù)進(jìn)行，該現(xiàn)象常發(fā)生于非前側(cè)送絲情況中。其原因主要是焊絲接觸到液態(tài)熔池金屬，熔池金屬的快速冷卻使得焊絲熔接在已成形的焊縫中，若焊絲與凝固的熔池金屬結(jié)合較弱，可在機(jī)械力作用下發(fā)生分離，打印得以繼續(xù)；若結(jié)合較強(qiáng)，則焊絲末端無法隨焊槍前行，發(fā)生粘絲現(xiàn)象，阻礙增材制造的連續(xù)進(jìn)行。為防止焊絲與液態(tài)熔池金屬接觸，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的打印過程，必須調(diào)整打印工藝參數(shù)，使得焊絲、電弧、熔池金屬保持合理的間距，保證電弧穩(wěn)定燃燒不斷熔化焊絲進(jìn)行連續(xù)打印。經(jīng)過大量的試驗(yàn)，當(dāng)送絲速度1 200 mm/min、打印電流130～170 A、打印速度250 mm/min、鎢針正下方焊絲距基板距離0.3 mm時(shí)可以獲得較好的單道單層增材制造打印件。

由文獻(xiàn)[5-9]及前期實(shí)驗(yàn)可知，在進(jìn)行單道多層增材制造時(shí)，熔池散熱條件從三維向二維過渡，熔池散熱條件變差，以相同的熱輸入進(jìn)行增材制造時(shí)易發(fā)生塌陷現(xiàn)象，為避免產(chǎn)生塌陷，需控制前6～8層增材制造熱輸入量。控制熱輸入常用方法有控制層間溫度和減小熱輸入兩種。因本實(shí)驗(yàn)為連續(xù)增材制造，層與層間不熄弧，故擬通過增加打印速度來減小熱輸入。結(jié)合單層增材制造經(jīng)驗(yàn)，取電流160A，打印速度由250 mm/min逐層增加50 mm/min直至500 mm/min，絲板距0.3 mm，電弧長度5 mm，送絲速度第一層120 cm/min，第二層以上隨系統(tǒng)調(diào)節(jié)。并采用自主設(shè)計(jì)的弧長穩(wěn)定系統(tǒng)和打印面水平度維持系統(tǒng)來輔助調(diào)節(jié)打印過程穩(wěn)定。打印過程中電弧燃燒十分穩(wěn)定，如圖2所示。

打印結(jié)束時(shí)的實(shí)物如圖3所示，熱輸入沒有對打印件產(chǎn)生明顯的變形影響。

圖4和圖5為所打印方形件冷卻后照片。可以看出，打印件成形連續(xù)，表面較光整，白色基體上附著部分黑色氧化皮，其原因是打印過程中和打印結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)處于高溫狀態(tài)，失去氬氣保護(hù)后與空氣作用生成黑色氧化物，可經(jīng)后續(xù)機(jī)械加工去除。

圖2 增材制造過程中圖像

圖3 打印完畢成形件形貌

圖4 打印成形件側(cè)壁

方形打印件尺寸測量值如表3所示。四壁平均厚度5.8～5.9 mm，打印高度 42.8～43.4 mm，可見方形打印件厚度均勻，高度尺寸波動較小，尺寸精度較高。

表3 方形打印件尺寸測量值mm

圖5 打印成形件正面

3 不銹鋼增材制造成形件的顯微組織

TIG電弧增材制造316L不銹鋼的頂部和中部顯微組織分別如圖6、圖7所示。打印成形件呈現(xiàn)全奧氏體柱狀枝晶組織，由于打印件冷卻時(shí)主要通過基板散熱，熱量大部分沿垂直基板方向向下散失，熱流方向垂直于界面，凝固具有方向性，形成層與層之間界面垂直的柱狀晶組織。比較頂端顯微組織和中部顯微組織可以看出，與打印件頂端僅受到前層預(yù)熱作用不同，打印件中部同時(shí)受到前層的預(yù)熱作用和后層的后熱作用，熱量積累較多，形成的組織較頂部粗大，枝晶相對較大。同時(shí)打印成形件致密度高，不存在氣孔、裂紋等組織缺陷。

圖6 頂端顯微組織

圖7 中部顯微組織

增材制造316L不銹鋼件頂端與中部的顯微硬度測試分別如圖8、圖9所示。可以看出，頂端晶粒較中部細(xì)小，故其硬度較中部略高。打印件中部硬度平均值為150.1 HV，顯微硬度相差不大，表明打印件的組織性能相對均勻，可以充分保證不銹鋼的耐腐蝕性能。

圖8 成形件試樣側(cè)壁頂端硬度測試（單位：HV）

圖9 成形件試樣側(cè)壁中部硬度測試（單位：HV）

4 結(jié)論

（1）研究316L不銹鋼TIG填絲焊增材制造成形，在單道成形試驗(yàn)良好的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)多層多道實(shí)體件的打印成形。

（2）獲得316L不銹鋼增材制造成形工藝參數(shù)，分析并解決了利用TIG電弧增材制造時(shí)易產(chǎn)生粘絲的問題。

（3）利用TIG增材制造成形方法打印出不銹鋼實(shí)體件，具有致密度高、尺寸精度和表面質(zhì)量較好等優(yōu)點(diǎn)，其顯微組織為柱狀枝晶奧氏體，頂部枝晶尺寸相對較小。

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