不锈钢电弧增材制造成形

曲 扬 ，杨 可 ，郭博静 ，董浩然 ，雷步越 ，朱文杰 ，包晔峰 ，蒋永锋

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.机械科学研究总院江苏分院，江苏 常州213200）

0 前言

金属电弧增材制造是一种新兴的快速制造技术[1-4]。相较于金属粉末烧结成形的激光增材制造和电子束增材制造，以电弧为热源使金属丝材熔化成形的电弧增材制造具有制造效率高、打印零件尺寸受限小、设备简单、成本低廉等优点。

不锈钢因其良好的耐腐蚀性和耐久性，广泛应用于机械设备零件及高温压力容器方面。不锈钢零件通常在铸造或锻造后通过切削加工成形，复杂零件的加工通常要切削掉90%的材料。不锈钢成本较高，传统加工方法造成了很大的资源浪费。而增材制造技术在制造过程中无需模具，单件生产速度快，制造零件仅需少量的后续机械加工，可以节约资源、降低成本、提高效率。因此采用增材制造技术制造不锈钢零件具有广阔的发展前景。

在此以TIG电弧为热源，采用电弧增材制造技术制造316L不锈钢薄壁零件，并研究316L不锈钢增材制造成形件的组织特征。

1 实验设备、材料和方法

电弧增材制造装置由TIG焊机和3轴数控机床构建而成。TIG焊机为米勒Dynasty350焊机，该焊机为交直两用型焊机，试验采用直流正接进行增材制造；送丝机为WF-007A，送丝速度调节范围0～600 cm/min。实验采用直径0.8mm的316L不锈钢焊丝，以Q235A为基板，尺寸200 mm×70 mm×10 mm，实验前用角磨机打磨基板以去除表面油污及氧化皮，并固定于数控机床工作台上。使用纯度99.99%的氩气保护气体，气体流量8～10 L/min。焊丝与基板化学成分如表1所示。

表1 316L不锈钢焊丝及Q235A基板化学成分%

增材制造过程中，基板夹装在工作台上，随工作台在水平方向进行X轴和Y轴的移动，焊枪固定于数控机床上，仅进行竖直方向的Z轴移动。送丝角度为20°，送丝方向在基板上的投影与X轴正方向成 210°。

在单层增材制造试验中，首先在基板上引弧，电弧长度5 mm，待其稳定燃烧并形成熔池后开始送丝，焊接平台按照设定轨迹移动，进行边长50 mm的方形件单层单道增材制造成形。增材制造过程结束时，焊接平台先停止移动，随后停止送丝并熄弧。通过控制变量法分析单层增材制造的焊接电流、打印速度、送丝速度、钨针正下方焊丝距基板距离4个增材制造参数，以获得合适的打印参数并为多层增材制造做技术准备。

在多层增材制造中，每结束一层边长50 mm方形打印后，焊枪向上提升0.5 mm的层升高度后继续打印下一层，直至打印至目标高度，打印停止。

在增材制造成形件的顶部和中部各切取尺寸为10 mm×10 mm的侧壁试样，使用砂轮机磨去表面氧化皮，并用砂纸打磨、抛光后用氯化铁盐酸水溶液腐蚀试样。然后使用酒精冲洗吹干，采用XJG-05大型卧式金相显微镜观察增材制造件侧壁顶部和中部试样的显微组织。选用显微硬度计HXD－1000TC测试打印成形件试样的顶部和中部硬度。

2 不锈钢电弧增材制造成形工艺

增材制造技术中，单层制造成形是多层制造成形的基础，掌握单层制造的规律是进一步深入研究的前提。为获得合适的打印参数，本实验对打印件的成形质量和连续制造稳定性进行评定，评定良好的打印件的打印参数为合适。成形质量的判断标准为：单层增材制造件表面光滑，鱼鳞纹细密且间距稳定，制造件旁侧无熔滴流淌痕迹。连续制造稳定性的判断标准为：打印过程中无飞溅，焊丝过渡平滑，无跳动，重复打印边长50 mm方形件3次均无粘丝现象，可连续制造成形。不同打印参数及实验结果如表2所示。

表2中成形质量和连续制造稳定性均良好的单层增材制造形貌如图1所示，其表面质量和连续制造稳定性均符合要求。

表2 单层增材制造实验参数

图1 单层单道打印形貌

实验发现，打印过程中容易出现焊丝末端与焊道粘连的现象，致使焊丝无法继续向熔池中过渡，阻碍打印的连续进行，该现象常发生于非前侧送丝情况中。其原因主要是焊丝接触到液态熔池金属，熔池金属的快速冷却使得焊丝熔接在已成形的焊缝中，若焊丝与凝固的熔池金属结合较弱，可在机械力作用下发生分离，打印得以继续；若结合较强，则焊丝末端无法随焊枪前行，发生粘丝现象，阻碍增材制造的连续进行。为防止焊丝与液态熔池金属接触，实现连续的打印过程，必须调整打印工艺参数，使得焊丝、电弧、熔池金属保持合理的间距，保证电弧稳定燃烧不断熔化焊丝进行连续打印。经过大量的试验，当送丝速度1 200 mm/min、打印电流130～170 A、打印速度250 mm/min、钨针正下方焊丝距基板距离0.3 mm时可以获得较好的单道单层增材制造打印件。

由文献[5-9]及前期实验可知，在进行单道多层增材制造时，熔池散热条件从三维向二维过渡，熔池散热条件变差，以相同的热输入进行增材制造时易发生塌陷现象，为避免产生塌陷，需控制前6～8层增材制造热输入量。控制热输入常用方法有控制层间温度和减小热输入两种。因本实验为连续增材制造，层与层间不熄弧，故拟通过增加打印速度来减小热输入。结合单层增材制造经验，取电流160A，打印速度由250 mm/min逐层增加50 mm/min直至500 mm/min，丝板距0.3 mm，电弧长度5 mm，送丝速度第一层120 cm/min，第二层以上随系统调节。并采用自主设计的弧长稳定系统和打印面水平度维持系统来辅助调节打印过程稳定。打印过程中电弧燃烧十分稳定，如图2所示。

打印结束时的实物如图3所示，热输入没有对打印件产生明显的变形影响。

图4和图5为所打印方形件冷却后照片。可以看出，打印件成形连续，表面较光整，白色基体上附着部分黑色氧化皮，其原因是打印过程中和打印结束后一段时间内处于高温状态，失去氩气保护后与空气作用生成黑色氧化物，可经后续机械加工去除。

图2 增材制造过程中图像

图3 打印完毕成形件形貌

图4 打印成形件侧壁

方形打印件尺寸测量值如表3所示。四壁平均厚度5.8～5.9 mm，打印高度 42.8～43.4 mm，可见方形打印件厚度均匀，高度尺寸波动较小，尺寸精度较高。

表3 方形打印件尺寸测量值mm

图5 打印成形件正面

3 不锈钢增材制造成形件的显微组织

TIG电弧增材制造316L不锈钢的顶部和中部显微组织分别如图6、图7所示。打印成形件呈现全奥氏体柱状枝晶组织，由于打印件冷却时主要通过基板散热，热量大部分沿垂直基板方向向下散失，热流方向垂直于界面，凝固具有方向性，形成层与层之间界面垂直的柱状晶组织。比较顶端显微组织和中部显微组织可以看出，与打印件顶端仅受到前层预热作用不同，打印件中部同时受到前层的预热作用和后层的后热作用，热量积累较多，形成的组织较顶部粗大，枝晶相对较大。同时打印成形件致密度高，不存在气孔、裂纹等组织缺陷。

图6 顶端显微组织

图7 中部显微组织

增材制造316L不锈钢件顶端与中部的显微硬度测试分别如图8、图9所示。可以看出，顶端晶粒较中部细小，故其硬度较中部略高。打印件中部硬度平均值为150.1 HV，显微硬度相差不大，表明打印件的组织性能相对均匀，可以充分保证不锈钢的耐腐蚀性能。

图8 成形件试样侧壁顶端硬度测试（单位：HV）

图9 成形件试样侧壁中部硬度测试（单位：HV）

4 结论

（1）研究316L不锈钢TIG填丝焊增材制造成形，在单道成形试验良好的经验基础上可以实现多层多道实体件的打印成形。

（2）获得316L不锈钢增材制造成形工艺参数，分析并解决了利用TIG电弧增材制造时易产生粘丝的问题。

（3）利用TIG增材制造成形方法打印出不锈钢实体件，具有致密度高、尺寸精度和表面质量较好等优点，其显微组织为柱状枝晶奥氏体，顶部枝晶尺寸相对较小。

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