电流模式和焊接方向对316L不锈钢增材制造成形的影响研究

蒲彬，唐贺清，姚屏,2，向丹

电流模式和焊接方向对316L不锈钢增材制造成形的影响研究

蒲彬1，唐贺清1，姚屏1,2，向丹1

（1. 广东技术师范大学，广州 510630；2. 广州理工学院，广州 510000）

研究电流模式和焊接方向对316L不锈钢增材制造成形、内部微观组织和硬度的影响。保持其他焊接工艺参数不变，采用Pulse、SpeedPulse、SpeedPulseXT这3种电流模式及同向和往复2种焊接方向进行单道多层堆积，采用光学显微镜观察增材制造件的微观组织并用洛氏硬度计测量其硬度值。采用不同电流模式和不同焊接方向会影响增材制造件的冷却速率和凝固方式，进而影响增材制造件的表面成形和力学性能。同方向焊接时，随着电流模式的改变，焊接热输入增大，液态金属的流动性和铺展行为逐渐增强，增材制造件的高度尺寸减小，宽度尺寸增大，熔合线处δ铁素体受冷却速率的影响由块状变为蠕虫状，Pulse模式存在元素偏析；往复方向焊接时，外形尺寸没有明显的变化，熔合线处δ铁素体以胞状和蠕虫状为主。硬度测试结果表明，SpeedPulse模式硬度变化最小，SpeedPulseXT模式次之，Pulse模式硬度变化最大。采用MIG焊进行316L不锈钢增材制造时，不同电流模式会对增材件的成形、内部金相组织和硬度产生影响。采用同方向焊接比往复方向焊接对增材件形貌的影响更大。

电弧增材制造；电流模式；焊接方向；表面成形；微观组织

电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）是利用熔化极惰性气体保护焊（MIG）、钨极惰性气体保护焊（TIG）以及等离子体焊（PA）等焊接方法，采用逐层累积的方式快速成形金属零件的先进制造技术[1]。它不仅沉积效率高、成本低、整体制造周期短，还能够成形较大尺寸的零件[2]。同时，还可在电弧增材制造过程中增加冲击等辅助工艺从而起到优化增材件性能的作用[3]。虽然成形表面质量较低，但在制造复杂成形构件方面电弧增材制造技术有其独特的优势[4]。

WAAM因其具有以上优势而受到国内外学者的广泛关注，有关学者对WAAM的表面成形和内部组织性能进行了研究。广东技术师范大学研究团队[5]研究了机器人焊接速度和层间冷却时间变化对增材件形貌、熔宽、余高的影响，研究表明，焊接速度的改变将影响增材件的形貌，层间冷却时间达到一定值后，增材件形貌变化不大。山东建筑大学研究团队[6]在Q235基板上进行单道多层焊试验，分析了焊接层数对成形件端部流淌的影响，研究表明，随着焊接层数的增加，成形件两端出现流淌现象且逐渐加剧，成形件高度表现为中间高两端低。Wang等[7]采用变极性钨极气体保护焊工艺研究了铝合金构件的成形，结果表明，控制弧长、基板预热温度和层间温度可以起到影响构件尺寸精度和表面质量的作用。不同的焊接工艺将对增材制造件的成形和微观组织产生影响[8-9]。陈伟等[10]通过引入超声波振动，研究了不同层间温度下超声振动对铝青铜合金组织和拉伸性能的影响，结果表明，引入超声振动会对铝青铜合金的微观组织和力学性能产生显著影响。

以上学者主要通过控制层间停留时间和引入超声振动等工艺来研究增材制造件的成形规律，关于电流模式对增材制造件成形影响的相关研究则较少。文中利用机器人焊接技术对316L不锈钢进行增材焊接试验，分析了不同电流模式和不同焊接方向对增材制造件成形及力学性能的影响，研究结果对了解316L不锈钢增材成形具有一定的参考价值。

1 试验

电弧增材制造系统由FANUC公司的焊接机器人、LORCH公司的MIG焊机和送丝机组成，电弧增材制造过程如图1所示，焊机电流模式参数如表1所示。试验所用基板为200 mm×80 mm×5 mm的316L不锈钢板材，所用焊丝牌号为H03Cr19Ni12Mo2Si，焊丝直径为1.2 mm，化学成分如表2所示[11]，焊接前用砂纸打磨基板去除表面氧化层。

图1 WAAM过程示意图

表1 LORCH焊机电流模式参数

Tab.1 Current mode parameters of LORCH welder

表2 316L不锈钢化学成分（质量分数）

Tab.2 Chemical composition of 316L stainless steel (mass fraction) %

.

试验采用3种电流模式以30 cm/min的焊接速度，分别以同方向和往复方向的形式，进行长度为80 mm、层数为20的焊道堆积，焊接路径如图2所示，试件编号如表3所示。试验焊接电流为80 A，层间停留时间为30 s，保护气体为99.99%纯氩气，气体流量为20 L/min。焊接过程中焊枪头始终与母材保持垂直，导电嘴距离母材15 mm，每焊完一层焊枪往上抬升1.8 mm，直至焊接结束。

图2 WAAM路径示意图

文中主要探究了不同电流模式和不同焊接方向对316L不锈钢单道多层焊的成形、内部微观组织和硬度的影响，试验采用单因素法进行研究，保持其他焊接工艺参数不变，依次改变电流模式和焊接方向。试验过程中的热积累会导致基板变形，因此在焊接过程中用夹具对母材进行夹紧防止其产生位移和变形。

表3 试样编号和电流模式

Tab.3 Sample number and current mode

2 结果与分析

2.1 不同电流模式对热输入的影响

焊接热输入会影响焊缝的成形和质量，对不同电流模式下的热输入进行分析有助于研究增材制造的成形规律，根据焊接热输入公式[12]（其中为焊接热输入，为焊接电压，为焊接电流，为焊接电弧功率，取常数1），得出3种电流模式的热输入值，具体数值见表4。通过公式可以看出，焊接电流、焊接电压和焊接速度是影响焊接热输入的主要参数，文中所用焊机的电压与电流自动匹配，电压无法手动调节，在焊接速度和焊接电流相同的情况下，SpeedPulseXT模式热输入最大、Pulse模式次之、SpeedPulse模式热输入值最小，同时Pulse模式和SpeedPulse模式热输入值相差较小。

表4 不同电流模式热输入值

Tab.4 Thermal input values for different current modes

2.2 外观形态分析

每组试验焊接结束后将增材制造件冷却至室温，并分别在焊道上均匀选取3个点，测量增材制造件的外形尺寸，由于起弧端和收弧端瞬间电流较大，对成形的影响较大，因此测量时避开起弧端和收弧端，测量点位置如图3所示。通过测量得到增材制造件的外形尺寸数据并取平均值，对比分析后得出不同电流模式和不同焊接方向下增材制造件成形的变化规律。

同一方向焊接时增材制造件的整体形貌如图4所示，增材制造件高度测量结果如表5所示，外形尺寸变化如图5所示。由图4可以看出增材制造件整体成形良好，层间结合平滑，形态呈现起弧端高、收弧端低的特点，两端最大高度差为12.58 mm。其主要原因在于采用从左到右同一方向焊接，在焊接第1层时，基板的面积大、散热快，液态金属的凝固时间短，有效熔覆面积小，因此焊道呈现窄而高的形态，此时起弧端和收弧端的高度差异并不明显；在焊接第2层时，由于第1层的预热作用，液态金属流动的稳定性较好，在起弧端，熔滴在电弧力的作用下会吹向熔池后方，即与焊接运行相反方向，导致液态金属在起弧端堆积形成焊瘤（见图4b）；起弧后，液态金属在电弧力、表面张力、重力等多种力的综合作用下会向收弧端流淌；而在焊接结束时，瞬间熄弧会在收弧处形成弧坑，增材层数的增加使两端的高度差不断累积，最终导致增材制造件起弧端高于收弧端。

图3 增材制造件测量点

图4 同一方向焊接增材制造件形态

由表5和图5可知，3组增材制造件的外形尺寸差异比较明显，具体表现为高度尺寸L1＞L2＞L3，宽度尺寸L3＞L2＞L1。L3高度值最小而宽度值最大，可知液态金属的流动性和铺展行为较好，有效熔覆面积大，热输入较大；L1和L2高度值较大而宽度值较小，可知液态金属的流动性和铺展行为较差，有效熔覆面积较小，热输入较小。

往复方向焊接时增材制造件的整体形貌如图6所示，增材制造件外形尺寸如表6所示，外形尺寸变化如图7所示。由图6可以看出，增材制造件整体成形较好，层间过渡平滑，两端流淌比较明显，形貌呈现中间高两端低的特点，两端最大高度差为1.42 mm，最大中心高度差为2.43 mm。其主要原因在于采用往复方向焊接时，前一层的收弧端作为后一层的起弧端，当前一层焊接结束时，后一层的起弧端由于液态金属的流动填补了前一层熄弧所造成的弧坑，使增材制造件两端的高度差异并不明显。由于熔滴在电弧力的作用下吹向熔池后方，即与焊接运行相反方向，液态熔池在电弧力、重力、表面张力等多种力的综合作用下向两端流淌，导致两边起弧端塌陷，因此增材制造件形态呈现中间高两端低的特点。

表5 同一方向焊接增材制造件高度数据

Tab.5 Data on height of addictive manufactured parts in the same direction mm

图5 同一方向焊接增材制造件外形尺寸变化

通过表6和图7可知，3组增材制造件的高度差异比较明显，表现为L5＞L4＞L6，而宽度差异为L6>L5>L4。L4和L5高度值较大而宽度值较小，可知液态金属的流动性和铺展行为较差，有效熔覆面积较小，热输入较小；L6高度值最小而宽度值最大，其液态金属的流动性和铺展行为较好，有效熔覆面积较大，热输入较大。

图6 往复方向焊接增材制造件形态

表6 往复方向焊接增材制造件高度数据

Tab.6 Data on height of additive manufactured part in reciprocating direction mm

图7 往复方向焊接增材制造件外形尺寸变化

同方向焊接时最大高度差为12.58 mm，最大平均层高为1.41 mm，而往复方向焊接最大高度差为1.42 mm，最大平均层高为1.41 mm，高度差比同方向减小了80%，保证了增材件的成形质量。

2.3 微观组织分析

不同的电流模式不仅影响增材制造件的外形尺寸，还影响内部的微观组织，进而影响焊缝的力学性能，因此分析不同电流模式和不同焊接方向下的微观组织有助于提高增材制造件的力学性能。

焊缝金属晶体的不同形态与焊接熔池的凝固过程密切相关，熔池在凝固过程中温度并不是均匀分布的，各个点上的温度梯度不相同，导致各个点结晶的速度也不相同。焊接过程中，伴随着后层温度梯度的降低，重熔区的金属被再次加热、熔化，使晶体再次结晶，同时较大的热输入将有利于枝晶内部的原子运动，使枝晶不断缩小、粗化[13]。根据德龙图的铬镍当量计算公式可知[14]，316L不锈钢Creq/Nieq为1.41，所以316L不锈钢凝固模型为F-A凝固模型，析出相为δ铁素体。在熔覆层凝固过程中，增材制造件微观组织遵循择优取向规律，与温度梯度方向（增材方向）最接近的晶粒在枝晶形成的过程中主导了枝晶整体的生长，δ铁素体的生长方向平行于增材方向，铁素体形貌主要有树枝状和蠕虫状2种，不同电流模式和不同焊接方向的微观组织存在差异。

图8显示了同方向焊接时增材制造件内部的微观组织。可以看出，增材制造件微观组织由γ和δ铁素体组成，L2和L3枝晶生长方向明显。L1底部主要以长柱状和短枝状δ铁素体为主，二次枝晶数量随沉积高度的增加而增加，中部在γ基体上主要以块状的δ铁素体为主，顶部主要以蠕虫状和骨骼状的δ铁素体为主（见图8a—c），在中部和顶部可以看到密集分布的树枝状偏析物（见图8b和c中虚线圆框处）。雷玉成等[15]认为在熔池进行结晶的过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中合金元素来不及扩散，导致分布不均匀，出现偏析现象，而树枝状偏析是高浓度溶液和杂质聚集在枝晶间的一种偏析现象。从图8j—l可以明显看到，在δ铁素体晶界处（见图8k和l）和2个铁素体的接合处（见图8j）存在元素富集，导致元素在晶界富集的主要原因是冷却速度和凝固模式，在结晶初期（δ+L)，铁素体中富集Cr元素而贫Ni元素，而在结晶终止阶段（δ+γ）根据成分守恒原理，应该富Ni贫Cr。Fournier等[16]认为不同合金元素与空位发生置换的能力不同，随着空位向晶界迁移，溶质原子将向朝着或远离晶界的方向迁移，从而在晶界处出现贫化或富集现象。Allent等[17]对奥氏体试样晶界处Fe、Cr、Ni元素进行了分析，结果表明，在晶界处Ni元素富集，Fe和Cr元素贫乏。L2底部主要以夹杂着细小块状晶核的柱状δ铁素体为主，中部在γ基体上主要以胞状和长柱状δ铁素体为主，顶部主要以骨骼状δ铁素体为主（见图8d—f）。L3底部γ基体上主要以蠕虫状δ铁素体为主，二次枝晶不明显，中部和顶部主要以残留的骨骼状δ铁素体为主（见图8g—i）。

图8 同一方向焊接增材制造件微观组织

图9显示了往复方向焊接时增材制造件内部的微观组织。往复方向焊接时，L4、L5、L6未见明显的成分偏析，底部都以蠕虫状的δ铁素体为主，但L6可以看到二次晶枝的生长趋势，局部铁素体已经完全生成二次枝晶，形成了枝状晶（见图9g）。L5和L6在中部和顶部主要以骨骼状的δ铁素体为主，可以看到明显的二次枝晶（见图9e和f、h和i），而L4主要以长柱状和胞状铁素体为主，未见明显的二次枝晶（见图9b和c）。

图9 往复方向焊接增材制造件微观组织

为了更直观显示不同电流模式下采用不同焊接方向焊接时熔合线处微观组织的差异，图10显示了同一方向焊接时熔合线处的微观组织，图11显示了往复方向焊接时熔合线处的微观组织。

同一方向焊接时，L1的枝晶尺寸最大，L2和L3次之。L1以长枝状和块状δ铁素体为主，分布均匀（见图10a），熔池和母材联生结晶，枝晶贯穿整个熔合区。L2以柱状和胞状δ铁素体为主（见图10b）。L3的整个熔合区只有少量的柱状δ铁素体存在，熔合线处主要以蠕虫状δ铁素体为主（见图10c）。

往复方向焊接时，晶体的生长规律和同方向焊接一致（见图11）。L4不同于L1以长枝状和块状δ铁素体为主，L4熔合线处主要由长柱状和胞状δ铁素体组成，且枝晶间距比L1更小（见图11a）。L5和L6差别不明显，主要以蠕虫状δ铁素体为主（见图11b和c）。

在奥氏体不锈钢中，相组织的种类、析出的先后顺序和冷却速度决定其凝固模式，进而影响其凝固组织[18]。文中除了电流模式和焊接方向外，所选用的母材、焊丝和工艺参数完全相同，但熔合线处的凝固组织存在差异，这与凝固模式和冷却速率直接相关。不同电流模式提供的热输入直接影响着熔池的凝固模式和凝固速率。同方向焊接时不同电流模式下铁素体差异明显，有块状铁素体和蠕虫状铁素体，而往复方向焊接时铁素体差异不明显，以蠕虫状为主。L1、L2、L3采用同方向焊接，L1热输入较小，液态金属还未完全铺展就开始凝固，因此在成形上表现为窄而高，其凝固组织受较快冷却速率的影响，抑制了固态相变（δ-γ），铁素体向奥氏体转变的时间较短，铁素体以块状形态保留于奥氏体中（见图10a）。L3热输入最大，熔池的铺展行为较好，成形上表现为矮而宽，其冷却速率较慢，铁素体有足够的时间发生固态相变，大量的铁素体向奥氏体转变，最终以蠕虫状铁素体保留于奥氏体中（见图10c）。L4、L5、L6的凝固模式和同一方向焊接时相同，由于采用了往复焊接的方式，其热积累比同一方向焊接时更大，有助于铁素体的固态相变，因此在熔合线处铁素体不是以块状而是以蠕虫状和柱状保留在奥氏体中。

图10 同一方向焊接增材制造件熔合线微观组织

图11 往复方向焊接增材制造件熔合线微观组织

2.4 硬度分析

增材制造件的力学性能主要受内部微观组织的影响，不同的电流模式可以提供不同的热输入，导致冷却速率存在差异，影响增材制造件微观组织的生成，从而对硬度产生影响。对增材制造件进行硬度测试时，截取试样经打磨后用洛氏硬度仪进行硬度测试，图12展示了采用不同电流模式下增材制造件的硬度变化。

通过图12a可以看出，同一方向焊接时，增材制造件硬度表现为L3>L2>L1，其中L2和L3变化较小，L1变化较大。其原因在于同一方向焊接时，SpeedPulseXT模式的热输入和热积累最大，冷却速率较慢，凝固过程中固态相变时间较长，铁素体在δ+γ转化过程中生成蠕虫状的高温铁素体，从而使增材制造件硬度较高。SpeedPulse模式的热输入和热积累最小，冷却速率较快，铁素体在δ+γ转化过程中生成柱状和骨骼状的高温铁素体。Pulse模式的热输入和热积累居中，在增材制造件底部由于铁素体在转化过程中生成板条状的低温铁素体导致硬度较低，随着热积累增加，二次枝晶得到生长，以及枝晶间化学元素的析出，中部硬度值逐渐变大，顶部由于冷却速率加快，铁素体未充分转化，主要以破碎的枝状残留于奥氏体基体上，同时随着元素偏析逐渐减少，增材制造件顶部硬度逐渐降低。

通过图12b可以看出，往复方向焊接时增材制造件硬度值整体变化较小，只有L6中部发生了较大变化。由于采用了往复焊接的方式，相对同一方向焊接而言热积累更大，冷却速率降低，这一点从熔合线处的微观组织可以看出。3组增材制造件的冷却速率变化不大，导致最终的硬度值变化也较小。L6中部硬度的突然变化，分析认为和热积累有关，SpeedPluseXT模式的热输入最大，中部经历多次的热积累效应，较低的冷却速率使铁素体的残留减少，导致其硬度突然变化。苏峰等[19]通过304L奥氏体不锈钢增材制造试验也发现在沉积层中部由于多次的热积累效应导致增材制造件中部硬度突然变化。通过以上分析可知，L2和L4在不同焊接方向下硬度值较稳定，L1和L6硬度值变化较大。

图12 不同电流模式下增材制造件硬度变化

3 结论

1）316L不锈钢增材制造时，电流模式和焊接方向会对增材制造件的成形产生影响。同一方向焊接时，随着电流模式的改变，成形件的宽度逐渐增大，同时起弧端和收弧端的高度差较大；往复方向焊接时，起弧端和收弧端的高度差较小，呈两端低中间高的形态。

2）增材制造件的微观组织由γ和δ铁素体组成，δ铁素体沿沉积方向生长，具有明显的定向凝固特征。

3）不同电流模式的热输入不同，使增材制造件内部微观组织不同。同方向焊接时Pulse模式热输入较小，熔合区组织为块状δ铁素体，成形件存在元素偏析；往复方向焊接时微观组织变化不大，为蠕虫状和骨骼状δ铁素体。

4）采用不同电流模式时，SpeedPulse模式下增材制造件的硬度值变化最小，SpeedPulseXT模式次之，Pulse模式增材制造件硬度值变化最大。采用不同焊接方向时，往复方向焊接增材制造件的整体硬度值比同方向焊接时更大。

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Effects of Current Mode and Welding Direction on Forming of 316L Stainless Steel Additive Manufacturing

PU Bin1, TANG He-qing1, YAO Ping1,2, XIANG Dan1

(1. Guangdong Technical Normal University, Guangzhou 510630, China; 2. Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510000, China)

The work aims to study the effects of current mode and welding direction on the forming, microstructure and hardness of 316L stainless steel in additive manufacturing. Other welding parameters were kept unchanged. Three current modes of Pulse, SpeedPulse and SpeedPulseXT and two welding directions of the same direction and reciprocating direction were used to carry out single-channel multi-layer stacking. The microstructure of the additive manufactured parts was observed by optical microscope and their hardness was measured by Rockwell hardness tester. Different current modes and different welding directions can affect the cooling rate and solidification mode of the additive manufactured parts, and then affect the surface forming and mechanical properties of the additive manufactured parts. When welding in the same direction, with the change of current mode, the heat transport of welding increased gradually, the fluidity and spreading behavior of liquid metal increased gradually, the height size of additive manufactured parts decreased, and the width size increased. The δ ferrite at the fusion line changed from massive to wormlike under the effect of cooling rate, and there was element segregation in Pulse mode. There was no obvious change in the shape of δ ferrite in the reciprocating direction, and the δ ferrite was mainly cellular and wormlike at the fusion line. The hardness test results showed that SpeedPulse mode had the least change in hardness, followed by SpeedPulseXT mode and Pulse mode had the most change in hardness. When MIG welding is used in additive manufacture of 316L stainless steel, different current modes will affect the forming, internal metallographic structure and hardness of the additive. The effect of the welding in the same direction on the morphology of the additive is greater than that of the welding in the reciprocating direction.

arc additive manufacturing; current mode; welding direction; surface forming; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.016

TG444+.72

A

1674-6457(2022)04-0129-10

2021-06-12

国家自然科学基金（51805099）；广东省省级科技计划（2017B090914005）；广东省研究生教育创新计划（2017QTLXXM38）；2018年广东省联合培养研究生示范基地项目；广州市科技计划（201805010001）；广东省普通高校重点领域专项（智能制造）（2020ZDZX2019，2020ZDZX2002）

蒲彬（1993—），男，硕士生，主要研究方向为机器人电弧增材制造、智能制造。

姚屏（1978—），女，博士，教授，主要研究方向为工业机器人及智能控制等。

责任编辑：蒋红晨