SUS304奧氏體不銹鋼TIG焊電弧增材制造工藝優化

賈金龍 張佳 杜明科 蔣成燕 馮毅

摘要： 為探索SUS304奧氏體不銹鋼TIG焊電弧增材制造的最佳工藝窗口，采用不同沉積工藝參數對SUS304不銹鋼進行單道多層墻體成形試驗，試驗通過改變電弧移動速度、送絲速度和層間冷卻時間，研究其對墻體平均寬度和高度的影響，并考察墻體的金相顯微組織和力學性能。 結果表明，當熱輸入保持不變時，電弧移動速度和送絲速度相匹配，才能保證沉積過程的穩定；在保持熱輸入不變的情況下，隨著電弧行走速度的增加，沉積層平均寬度從10.54 mm減小到7.5 mm，平均高度從6.75 mm減小到4.16 mm；隨著送絲速度的增加，沉積層的平均寬度和高度均增加，其高度增加大約1 mm；隨著層間冷卻時間的增加，沉積層平均寬度明顯增加，從層間冷卻時間為2 min的10.54 mm增加到5 min的11.6 mm，高度變化不大，均在6.5 mm左右；沉積墻體的顯微組織出現明顯的方向性，主要由大量奧氏體和少量鐵素體組成；相比于SUS304母材而言，x和z方向的抗拉強度均有所下降，約為母材的82.5%，且x方向的斷后伸長率大于z方向。

關鍵詞： SUS304奧氏體不銹鋼；TIG焊；增材制造；工藝優化

中圖分類號： TG 444+.4

Optimization of TIG arc additive manufacturing process for SUS304 austenitic stainless steel

Jia Jinlong1， Zhang Jia2，3， Du Mingke4， Jiang Chengyan1， Feng Yi1

（1.Lanzhou Institute of Technology， Lanzhou 730050， China；

2.Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China;

3.Chongqing Municipal Engineering Research Center of Higher Education Institutions for Special Welding Materials and Technology， Chongqing 400054， China;

4.Baoti Group Co.，Ltd.， Baoji 721014，Shaanxi， China）

基金項目： 甘肅省高等教育教學成果培育項目（No.2021-JXCG-131）；甘肅省一流本科課程研究項目（No.2022-XXKC-150）；隴原青年創新創業人才（團隊）項目;蘭州市人才創新創業人才項目（No.2021-RC-48）。

Abstract： To explore the optimal process window range for TIG arc additive manufacturing of SUS304 austenitic stainless steel， single-pass multilayer wall forming tests were designed and conducted on SUS304 stainless steel using different deposition process parameters. The experiments were conducted to study the effects on the average width and height of the walls by varying the arc travel speed， wire feeding speed and interlayer cooling time， and to investigate the microstructure and mechanical properties of the thin-walls parts. The test results show that when the heat input is kept constant， the arc travel speed and wire feeding speed should match to ensure the stability of the deposition process.

when kept the heat input constant， the average width of the deposited layer decreases from 10.54 mm to 7.5 mm and the average height decreases from 6.75 mm to 4.16 mm with the increase of the arc travel speed; the average width and height of the deposited layer increase with the increase of the wire feeding speed， and its height increases about 1 mm; With the increase of interlayer cooling time and the increase of the interlayer cooling time， the average width of the deposited layer increased significantly， from 10.54 mm at 2 min to 11.6 mm at 5 min， and the height did not change， which was around 6.5 mm.

The microstructure of the deposited wall shows clear directionality， mainly composed of a large amount of austenite and a small amount of ferrite. Compared to the SUS304， the tensile strength in bothx and z direction is reduced to about 82.5% of that of the substrate， and the elongation in the x direction is greater than that in the z direction.

Key words： ?SUS304 austenitic stainless steel； TIG； additive manufacturing； process

0 前言SUS304奧氏體不銹鋼因其優異的服役性能被廣泛應用于醫療設備、工業建筑以及化學、船舶部件等諸多領域 ［1］。近年來，隨著設備、零件服役要求及復雜程度的不斷提高，傳統的制造方式已不能滿足工業制造領域復雜零件的制備需求，因而為適應市場需求，尋找適用于復雜零件的近凈成形方式，從而降低企業成本是目前亟待解決的關鍵問題 ［2］。

電弧增材制造是一種由計算機智能輔助切片技術為主導，以電弧為熱源來熔化絲材或粉料實現零件的逐層堆積，其顯著特點是沉積效率高、研發及生產周期短、提高材料利用率以及能實現小批量復雜零件的低成本制備等，主要體現在該技術可以對復雜零件進行數字化建模，并按照結構要求設計合理的堆積路徑，從而達到靈活制造的目標 ［3-4］。

劉勇［5］基于冷金屬過渡技術（CMT）對304不銹鋼進行了增材制造試驗，研究結果發現不同的散熱條件及工藝窗口對增材件的綜合性能影響較為明顯，試驗件水平方向的拉伸強度高于高度方向，滿足服役要求。 由于逐層沉積過程中會受到材料特性、熱循環過程、熱積累等因素的影響，使得金屬熔體在冷卻結晶過程中不可避免的產生殘余應力及變形，對結構件的強度、疲勞壽命等產生不利影響［6］。基于此，蘇峰等人［7］ 對304不銹鋼電弧增材制造過程中的殘余應力演變行為進行了分析，結果顯示，隨著沉積層數的增加，會降低基板對沉積金屬的拘束，從而引起殘余應力的逐漸降低。張煉等人［8-9］采用對比分析的方式對316L不銹鋼的電弧增材工藝進行了探索，重點研究了TIG焊電弧與激光-TIG焊電弧復合方式對結構件成形質量及綜合性能的影響規律，結果表明，層間冷卻溫度、冷卻時間是影響結構件尺寸穩定性的重要因素，但受熱循環的影響，使得不同材料對增材工藝試驗的敏感程度不同。目前研究主要以成形件的微觀組織及力學性能演化、殘余應力的分布及降低為主，針對制備工藝的系統性報道相對較少，對304奧氏體不銹鋼增材制造技術的推廣產生了一定的制約。

針對304奧氏體不銹鋼開展TIG焊電弧單道多層的沉積工藝試驗，主要研究電弧移動速度、送絲速度和層間冷卻時間等主要工藝參數對沉積層平均寬度和高度的影響規律，并考察了沉積墻體的組織和力學性能，為304奧氏體不銹鋼的TIG電弧增材制造提供了理論支撐。

1 試驗方法

試驗選用Q235低碳鋼板作為沉積基板，其規格為180 mm×80 mm×10 mm，填充材料采用直徑1.2 mm的SUS304奧氏體不銹鋼焊絲，基板和填充材料的化學成分見表1。 試驗采用非熔化極惰性氣體保護焊（TIG焊） 作為沉積熱源，選用的鎢極直徑為3.2 mm，水冷式焊槍，保護氣體為氬氣（99.99%）。 為保證沉積金屬的純凈度及成形件的綜合質量，沉積前采用機械清理的方式對基體材料表面進行處理，去除表面的氧化膜和油污等雜質，并采用丙酮擦拭表面。TIG焊電弧增材示意圖如圖1所示，基本工藝參數見表2。 沉積時TIG焊電弧正常燃燒后，基板移動完成一道沉積，待冷卻后，先測量沉積墻體的寬度和高度，并用線切割在各個沉積墻體中切取金相試樣，并在電弧移動的高度方向切取拉伸試樣，對沉積墻體的成形、金相組織和力學性能進行分析測試。

2 試驗結果及分析

2.1 電弧形貌

圖2為沉積電流150 A，電弧長度3 mm，保護氣體流量15 L/min時，傳統TIG焊電弧形貌，可以看出，傳統TIG焊電弧形貌為典型的鐘罩形，呈完全對稱的形態。

2.2 鎢極尖端燒損

沉積電流為150 A，氬氣流量為15 L/min，電弧長度3 mm時，沉積前后鎢極尖端氧化程度對比如圖3所示，由圖可知，沉積前后鎢極尖端幾乎沒有氧化，使用99.99%的氬氣保護可以在很大程度上避免鎢極尖端燒損。

2.3 工藝參數對墻體平均寬度和高度影響

2.3.1 電弧移動速度的影響

圖4為基本工藝參數下，電弧移動速度對沉積墻體平均寬度和高度的影響，由圖可知，隨著電弧移動速度的增加，沉積墻體的平均寬度和高度均減小。

由圖4可知，電弧移動速度為4 mm/s時，其沉積層的平均高度最大，達到了6.75 mm，沉積層寬度達到10.54 mm。隨著電弧移動速度的增加，沉積層的寬度及高度均呈現出單調遞減的趨勢，這是因為隨著沉積速度的增加，單位長度內的金屬熔敷量減少，從而導致平均寬度和高度均降低，試驗結果與304不銹鋼電子束增材制造工藝的研究結果相一致，即隨著電子束移動速度的增加，沉積層的平均高度和寬度均降低［10］。

2.3.2 送絲速度的影響

圖5為基本工藝參數下，送絲速度對沉積墻體平均寬度和高度的影響，由圖可知，隨著送絲速度的增加，沉積墻體的平均寬度先增加后減小，平均高度先減小后增加，呈現出截然相反的變化規律。

由圖5可知，當送絲速度小于115 cm/min時，沉積層的平均寬度隨送絲速度的增加呈單調遞增趨勢，而沉積層高度卻表現出逐步降低，其主要原因是與單位時間內金屬熔化沉積量的變化有關，隨著送絲速度增加，單位時間內熔化沉積的金屬量增加，導致熔敷層的寬度增加；當送絲速度大于115 cm/min時，沉積層平均寬度和高度呈現出相反的變化規律，主要是因為沉積過程中熱輸入保持不變，熔敷金屬的量增加，使得大部分電弧的熱量用于熔化焊絲，最終導致熔敷金屬的鋪展性降低，不能與送絲速度實現良好的配合，從而導致其出現沉積層高度增加、寬度降低的現象［11］。

送絲速度是增材制造結構件成形質量及綜合力學性能的重要影響因素，直接影響沉積層晶粒大小、形核方式等。為保證穩定成形過程，必須選擇與沉積電流和電弧移動速度相匹配的送絲速度，從而在確保增材制造效率前提下，避免因金屬沉積量過大或不足而導致成形質量低，出現墻體燒塌、側邊成形不規則等諸多問題 ［12-14］。

2.3.3 層間冷卻時間的影響

圖6為基本工藝參數下，層間冷卻時間對沉積墻體平均寬度和高度的影響，由圖可知，隨著層間冷卻時間的增加，沉積墻體的平均寬度先增加后減小，平均高度和寬度均變化不大。

層間冷卻時間的變化對墻體的影響表現為改變重熔區的冶金，當時間較短時，重熔區熔融金屬再次熔融時受到影響較小，層與層結合較為平滑。當層間冷卻時間為2 min時，在臨界溫度區間，熔融金屬處于即將凝固狀態，內外金屬狀態不同，當電弧再次作用時，電弧力對尚未定性型的熔敷金屬的凝固起到反作用，甚至可能導致沉積層坍塌，隨著層間冷卻時間的增加，此時重熔區已凝固且溫度較低，故墻體寬度和高度穩定性變化不大，因此層間冷卻時間的改變主要帶來墻體高度的變化 ［15］。

3 微觀金相組織

在基本工藝參數下，沉積墻體上部、中部和下部位置的金相組織如圖7所示，由圖可知，晶粒主要以柱狀樹枝晶為主，同時存在少量的等軸樹枝晶，微觀組織由奧氏體組成，奧氏體組織中還分布少量殘余鐵素體。散熱方式的不同使晶粒長大的方向不同，枝晶明顯的方向性生長使墻體各層力學性能存在差異，堆積過程中，熱量主要從底板流向空氣中，小部分通過墻體擴散至空氣中，堆積越往上，從墻體傳入空氣的熱量越多，散熱途徑的不同是導致組織偏轉的主要原因，偏轉組織的形成是不可避免的，并隨高度方向性也有很大的變化。

4 力學性能

4.1 墻體顯微硬度

沉積墻體顯微硬度測試方法是用一定的載荷將規定的壓頭壓入被測的金屬材料，以材料表面局部塑性變形HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E5%A1%91%E6%80%A7%E5%8F%98%E5%BD%A2"＼t"_blank"的大小比較被測材料的硬度高低。 硬度測試選用載荷為1.962 N，加載時間為15 s，在樣品表面取20個點進行試驗，每次移動距離0.5 mm，從樣品中心依次向4個方向打點測試，最后再計算平均值，電弧移動速度對沉積墻體平均硬度的影響如圖8所示。

由圖8可知，隨著電弧移動速度的增大，墻體顯微硬度基本變化不大，但當電弧移動速度為6 mm/s時，顯微硬度達到最大值。 沉積過程中熱輸入保持不變，隨著電弧移動速度的增加，熔覆金屬在高溫階段的持續時間變短，使得沉積墻體顯微硬度略有上升。

4.2 力學性能

為了測試沉積墻體的力學性能，根據國家標準GB/T 228—2002設計了沉積墻體不同方向的拉伸試驗，拉伸試樣尺寸如圖9所示。 加載速率為3 mm/min拉伸前對試樣進行打磨處理，保證表明光滑整潔，拉伸前，準確記錄拉伸試樣的原始標記，方便計算斷后伸長率，準備完成后在萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，為了減小試驗誤差，每個方向取3個拉伸試樣。 拉伸試驗結果如圖10所示，由圖可知，沉積墻體x方向的抗拉強度大于z方向的抗拉強度，均低于軋制304不銹鋼的值，這與已經發表的研究結果相類似 ［5，16-18］。

為了確定沉積墻體拉伸試樣的斷裂類型，在SEM下觀察試樣的斷裂斷口，如圖11所示。可以發現斷口分布著很多大小不一的圓形韌窩，這是塑性斷裂的明顯特征，說明沉積墻體的韌性較好。 在圖11b 韌窩中明顯可見第二相粒子，由于沉積過程中保護效果不好，熔敷金屬中混入了空氣中的氧氣，引起氧化物夾渣，二者的共同作用導致沉積墻體的抗拉強度下降 ［19-20］。

5 結論

（1）為保證獲得良好的墻體成形，在保證熱輸入不變的情況下，電弧移動速度和送絲速度為負相關。

（2）在保持熱輸入不變的情況下，隨著電弧行走速度的增加，沉積層平均寬度從10.54 mm減小到7.5 mm，平均高度從6.75 mm減小到4.16 mm；在保持熱輸入不變的情況下，隨著送絲速度的增加，沉積層的平均寬度和高度均增加，其高度增加大約1 mm；隨著層間冷卻時間的增加，沉積層平均寬度明顯增加，從層間冷卻時間為2 min時的10.54 mm增加到5 min時的11.6 mm，高度變化不大，均在6.5 mm左右。

（3）沉積墻體的微觀組織主要以大量的奧氏體樹枝晶為主和少量的鐵素體，方向性明顯。相比于SUS304母材而言，x和z方向的抗拉強度均有所下降，約為母材的82.5%。

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收稿日期： 2022-10-17

賈金龍簡介： 碩士，副教授；主要從事熔焊方法及設備、電弧增材制造和激光焊接等方面科研和教學工作；jiajl@lzit.edu.cn。