電弧增材有限元建模及殘余應力分析

蔣 倩，蔣立鶴，鮑海波，黃云峰，胡浩帆

（1.江蘇省船舶動力系統零件先進制造工程技術中心，江蘇 南京 211121；2.南京中遠海運船舶設備配件有限公司，江蘇 南京 211121；3.中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510630）

電弧增材制造技術以絲材為填充材料，材料利用率，在大規模生產復雜金屬結構件具有廣闊的應用前景[1，2]。但電弧增材是一個不均勻受熱和冷卻的過程，伴隨著基體和填充金屬的熱脹冷縮導致的膨脹和收縮量的差異，從而導致氣閥產生了大量的殘余應力[3]。氣閥在電弧增材后殘余應力隨著電弧增材的層數逐漸累加，直至氣閥產生變形甚至破壞，嚴重影響了氣閥的使用壽命和各方面性能[4，5，6]。

本文將利用有限元模擬分析軟件ABAQUS 建立電弧增材的有限元模型，設計關鍵參數組合方案，使用填充材料Inconel718 對材料SNCrW 的氣進行模擬電弧增材，分析關鍵參數對殘余應力的影響。

1 電弧增材三維模型的構建

本文的有限元模型基體材料為SNCrW，電弧增材的材料為Inconel718，工件尺寸為150×80×25mm。如圖1 所示，利用ABAQUS 建立兩層電弧增材三維模型。然后對其進行網格劃分、材料的賦予以及最重要的施加電弧增材熱源。

圖1 電弧增材三維模型

2 工藝參數對殘余應力影響

本節研究電弧增材參數對殘余應力的影響，有熱源移動速度V、電流I、電壓U 等。查閱相關文獻和結合實際生產的一些數據，設計如表1 所示。

表1 設計工藝參數表

電壓對殘余應力的影響，通過控制電流和熱源移動速度等弧增材的工藝參數，選擇方案1～4 進行分析。在槽底平面上選擇兩條參考線Line 1 和Line 2，Line 1 取Z 坐標為0 在槽底平面上的直線，Line 2取X 坐標為40mm 在槽底平面上的直線。如圖2、3所示，分別是不同電壓下在參考線上Line 1 上橫向殘余應力的分布規律圖和在參考線Line 2 上縱向殘余應力的分布規律圖。

圖2 不同電壓在Line 1 上橫向殘余應力的分布規律

圖3 不同電壓在Line 2 上縱向殘余應力的分布規律

對比圖2、3 可知，在實際生產過程中，保證工件質量和性能滿足條件下，選用較低的電壓值可以降殘余應力對工件影響，提高工件質量。

為研究電流對殘余應力的影響規律，控制壓熱源移動速度等其他參數和分布。選擇方案5～8 進行模擬。和電壓一樣，在槽底平面選擇兩條參考線Line 3 和Line 4，Line 3 取槽底平面上X=40mm 的直線，Line 4 取槽底平面Z=0 的直線。如圖4、5 所示，分別是不同電流情況下在參考線上Line 3 上橫向殘余應力的分布規律圖和在參考線Line 4 上縱向殘余應力的分布規律圖。

綜合圖4、5 可知，在實際生產中，不能為了焊透性等一味增大電流，必須保證焊透性等其他性能和實際生產條件，盡量降低電流大小以削弱產生的殘余應力對工件的影響。

圖4 不同電流在Line 3 上縱向殘余應力的分布規律

圖5 不同電流在Line4 上橫向殘余應力的分布規律

本文研究熱源移動速度對模型縱向和橫向殘余應力的影響。在控制電流和電壓等電弧增材參數不變的前提下，選擇方案2、6 和9 進行研究。如圖6 所示，不同熱源移動速度下橫向和縱向殘余應力最大值變化趨勢圖。隨著熱源移動速度的增大，縱向殘余應力的最大值均發生不同程度的增大，橫向殘余應力最大值幾乎不發生什么變化。在實際生產過程中，不能只追求增材速度而忽視熱源速度對殘余應力的影響，在條件允許的情況下，可以采用較低的熱源移動速度。

圖6 不同熱源移動速度下橫向和縱向殘余應力幅值變化趨勢圖

3 結論

本文通過單一變量控制法，改變電壓、電流、熱源移動速度，模型的電弧增材殘余應力分布區域幾乎不變，殘余應力的幅值區域和分布規律也同樣幾乎不變只改變了幅值的數值。可以總結出如下結論。

（1）在控制電壓、熱源移動速度不變的條件下，增大電流，電弧增材的橫向和縱向的殘余應力幅值都有不同程度上的增大；與電流一樣，在控制電流、熱源移動速度不變的條件下，增大電壓，電弧增材的橫向和縱向的殘余應力幅值都有不同程度上的增大；在控制電流、電壓的條件下，提高熱源移動速度，電弧增材的橫向殘余應力幾乎不發生改變，而縱向殘余應力有一定程度的增大。

（2）在實際生產中，在保證生產速度和質量性能等條件，降低電流、電壓和熱源移動速度，可以減弱殘余應力對工件的影響。