碳钢旁路热丝PAW 增材制造成形及组织和性能调控

苗玉刚，李春旺，邵丹丹，赵羽扬，魏超，张本顺

(1.哈尔滨工程大学,水下机器人技术国家级重点实验室,哈尔滨,150001；2.中船黄埔文冲船舶有限公司,广州,511462；3.江苏自动化研究所,连云港,222006)

0 序言

与传统的“减法”制造相比，增材制造技术是一种通过逐层累加来实现成形的制造技术，具有生产周期短、成本低、能够制造复杂零件等优点[1].根据成形热源的不同，增材制造可以分为3 类：激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造[2-4].与激光和电子束相比，以电弧为热源的电弧增材制造技术在大型金属试样的制造方面因其较高的沉积率、材料使用率以及较低的成本而吸引了国内外广泛研究学者的关注[5-6].但在电弧增材制造过程中由于电弧加热范围过大，热积累效应随着零件堆积而不断累积，使其几何精度、力学性能和微观结构演变难以得到控制[7-9].

为了减小电弧增材制造的热积累效应，改善成形质量，一些研究学者开展了大量的研究工作.Wu 等人[10]采用二氧化碳强制冷却的方式控制层间温度和热循环，使得增材制造的Ti-6Al-4V 具有更加精细的微观结构和改进的机械性能；Xu 等人[11]在等离子弧焊(plasma arc welding,PAW)电弧增材制造技术的基础上，采用层间冷轧以在INCONEL 718 镍基合金沉积过程中进行热机械加工，结果表明采用冷轧工艺后，IN718 的晶粒得到细化、强度得到提高，材料各向异性消失；柏久阳[12]利用钨极惰性气体保护焊(gas tungsten arc welding,GTAW)增材制造技术堆积成形2219 铝合金，通过层间温度控制和递减热输入策略，有效控制了热积累效应.这些方法通过不同的方式在一定程度上解决了电弧热输入过大导致晶粒粗大的问题，但部分设备成本高、操作复杂，使得电弧增材制造技术难以广泛推广.

采用旁路热丝等离子弧增材制造方法，用以减小电弧热输入改善增材质量.其由焊接中的旁路分流技术发展而来，基本原理是通过旁路焊丝分走部分流向母材的电流，不仅能起到减小母材热输入的作用，还能提高焊丝的熔化效率.因此文中以Q235 低碳钢为基板，采用H08Mn2Si 焊丝进行旁路热丝等离子弧增材试验，探究旁路分流变化对单层单道焊缝成形的影响，同时探究了层间温度对单道多层薄壁结构成形、组织以及力学性能的影响.

1 试验方法

试验材料选用200 mm × 40 mm × 5 mm 的Q235 低碳钢作为母材，填充金属选用直径为1.2 mm的H08Mn2Si 焊丝，母材和焊丝的化学成分见表1.试验采用Thermal Arc WC-100B 等离子弧焊机、Transmig 550i 电源、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)控制系统等设备进行H08Mn2Si 碳钢增材制造.图1为旁路热丝等离子弧焊原理图.在试验过程中，等离子弧焊接电源流出的焊接总电流I分为两部分，一部分电流Im流经等离子焊枪流向母材构成主路，一部分电流Ip流经旁路焊丝流回等离子弧焊接电源构成旁路.IGBT 控制系统通过调节电阻值改变旁路电流大小，实现主旁路电流可调，在减小母材热输入的同时利用旁路电流对焊丝进行预热，增加焊丝熔化效率，提高焊缝的熔覆率，进而增加增材的效率，同时焊接参数可独立调节，通过调节主/旁路电流降低母材的熔合比，实现高熔丝效率和理想熔滴过渡模式，焊缝成形精度高，可控性好.由于旁路等离子流的存在，作用在熔滴及熔池上的热输入与力场发生改变，从而使增材过程稳定，减少缺陷的产生几率，保证焊缝成形质量，并提高增材质量.

表1 母材和焊丝的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of base material and wire

图1 旁路热丝等离子弧焊原理Fig.1 Schematic diagrams of bypass hot wire plasma process

单层单道熔覆成形的好坏决定电弧增材制造试样最终的成形精度和质量，为此在增材试验前有必要进行单层单道熔覆试验，分析不同工艺参数对成形的影响规律，以获得成形良好、性能优良的的工艺参数，并分析了旁路电流对熔敷成形的影响.试验优化后的工艺参数如表2 所示.在Q235 低碳钢基板上进行不同层间温度的单道多层薄壁试件增材试验，分析了沉积碳钢的微观结构、硬度和力学性能.

表2 旁路热丝等离子弧增材制造工艺参数Table 2 Processing parameters for BC-PAW process

金相试样按照标准程序进行安装、研磨和抛光，然后在4%的硝酸酒精溶液中进行蚀刻.试样的宏观结构和微观结构分别用深场立体显微镜(OLYPUS-SZX12)和光学显微镜(OM，VHX-1000E)观察.利用HXD-1000TM 型硬度计来测量维氏硬度，加载载荷为0.98 N，加载时间为15 s.拉伸试验是使用Zwick/Roell Z010 型试验机，在室温下以0.5 mm/min 的恒定十字头位移速率进行.

2 试验结果

2.1 主/旁路电流比对熔敷成形及热输入的影响

保证总电流为207 A 不变，改变主旁路电流比探究其对熔敷成形的影响，图2 为不同主旁路电流比时典型的熔敷表面成形及横截面形貌.从图2 可以看出，随着主/旁路电流比的增加，焊缝的外观从均匀光滑的表面转变为间距较大的波纹表面，并且母材的稀释率逐渐增加.众所周知，熔敷成形与熔滴过渡过程密切相关，而通过改变主/旁路电流比可以改变熔滴过渡过程.旁路电流可以提高焊丝熔化的效率，减少了熔滴表面张力的阻碍，使熔滴容易处于等离子弧的中心，并且适当的等离子弧电流可以产生一定强度的等离子流力，使熔滴过渡频率加快.当主旁路电流比为1.07，旁路电流很大为100 A时，熔滴过渡频率很快，刚与基板接触便立即铺展形成了桥接过渡，从截面形貌中母材较低的稀释率可以看出此时对母材热输入很小.旁路电流80 A是液滴转移方式从桥接过渡到滴状自由过渡的转折点，熔滴过渡频率逐渐减慢，熔覆层由光滑表面转向鱼鳞纹表面，并随着旁路电流的减小，熔覆层表面的波纹间距也不断增大，母材稀释率不断增加.

图2 主/旁路电流比变化时熔敷成形及横截面形貌Fig.2 Bead appearance and section at different main/bypass current ration.(a) main/bypass current ratio 1.07;(b) main/bypass current ratio 1.58;(c)main/bypass current ratio 2.45;(d) main/bypass current ratio 4.18

为了定量描述主/旁路电流比对母材热输入的影响，计算了总电流不变、旁路电流由10 A 逐渐增加到100 A，步增量为10 A 时，横截面积中母材熔化量以及焊丝熔化量所占的比例，如图3 所示.随着主/旁路电流比的增加，焊丝熔化比率逐渐下降，而母材的熔化比率逐渐增加，最后焊丝和母材的熔化比率逐渐趋于平稳.由此可见，当主/旁路电流比较小时，有助于减小对母材的热输入，对母材的稀释率最低可达到10%.通过调控主/旁路电流比,可以实现对熔敷层表面成形和母材热输入的精确控制.

图3 主/旁路电流比对焊丝和母材熔化效率的影响规律Fig.3 Effect of main/bypass current ratio on welding efficiency of welding wire and base metal

2.2 层间温度对多层单道增材组织成形影响

在碳钢旁路热丝等离子弧多层单道增材过程中，层间温度的变化会影响增材成形质量，图4为不同层间温度增材成形的宏观形貌.层间温度会影响熔池的冷却速度进而影响熔池的形态.当采用主路电流107 A、旁路电流100 A 时，随着层间温度的升高，熔池冷却速度变慢，从而导致熔池铺展性增加，平均层宽由4.54 mm 增加到5.30 mm，平均层高由1.37 mm 减小到1.15 mm.层间温度100和150 ℃时，熔池稳定性较好，增材过程稳定、成形良好，无坍塌现象，共堆积24 层；层间温度为200 和250 ℃时，熔池稳定性变差出现熔池坍塌现象，成形较差，共堆积12 层.

图4 不同层间温度增材成形宏观截面形貌Fig.4 Additive forming macroscopic section morphology of different interlayer temperatures.(a)interlayer temperature 100 ℃;(b) interlayer temperature 150 ℃;(c) interlayer temperature 200 ℃;(d) interlayer temperature 250 ℃

2.3 显微组织特征对比分析

由于每个墙壁结构中上、中、下部位的组织结构不尽相同，为了便于分析层间温度对其显微组织的影响规律，4 组的显微组织图片均是从试样组织稳定区域的中间位置拍摄，图5 为不同层间温度下试样的显微组织.从图5 可以看出，4 组试样的显微组织均由呈白色的块状铁素体和呈暗灰色的珠光体组成，珠光体呈带状分布在铁素体晶界上.不同的是，层间温度由250 ℃降低到100 ℃的过程中，铁素体晶粒尺寸有明显减小的趋势，并且珠光体含量占比不断增加.

图5 不同层间温度下熔覆层的显微组织Fig.5 Microstructure of cladding layer at different interlayer temperatures.(a) interlayer temperature 250 ℃;(b) interlayer temperature 200 ℃;(c) interlayer temperature 150 ℃;(d) interlayer temperature 100 ℃

根据以往的研究，增材制造试样的微观组织结构往往由熔池的冷却速率决定[13].随着层间冷却温度的减小，熔池的冷却速度得以增加，过冷度也变大，铁素体晶体的形核率和长大速度因此也随着增加.但此时晶体形核率增加大于成长率，因此晶体尺寸会变得细小.同时随着冷却速度的增加，意味着熔池在高温保持时间减小，使得奥氏体的均匀化程度也随着降低，这为珠光体的形核和长大提供了有利的条件，随着冷却过程的推进，奥氏体转变成珠光体的含量不断增多.

2.4 层间温度对硬度的影响

与显微组织观测相同，在增材组织稳定区域的中间部位选取了若干的硬度测试点，图6 为不同层间温度下试样中间段平均硬度变化趋势.可以看出熔覆层平均硬度随着层间温度增加而减小，这是由晶粒尺寸和珠光体含量所决定的.由不同层间温度的微观组织的对比分析中可知，当层间温度较小时，其具有较小的晶粒尺寸,并且珠光体含量较高，而细小的晶粒尺寸具有较大的对位错运动的阻碍力，同时珠光体又是强韧性相，两者均能够提高材料的硬度等力学性能.因此控制层间温度100 ℃，可以保证增材成形精度的同时，提高硬度等力学性能.

图6 不同层间温度下中间段的显微硬度Fig.6 Microhardness of the intermediate section at different interlayer temperatures

2.5 增材制造试样的拉伸性能

为了进一步评定新工艺增材制造的力学性能，针对控制层间温度为100 ℃的试样进行拉伸性能测试.在增材制造试样上横向和纵向各取3 个拉伸试样，测其平均抗拉强度、断面收缩率以及断后延伸率，如表3 所示.从表3 可以看出，试样的抗拉强度及断后伸长率各方向上基本一致，由此可以认为材料强度以及塑韧性在各方向上均匀一致，无各向异性.

表3 力学性能计算结果Table 3 Mechanical property calculation result

图7 为层间温度100 ℃时试样的拉伸曲线和断口形貌.从图7 可以看出，试样的横向和纵向的断口形貌较为相似，一些大小基本相同的等轴韧窝呈均匀分布，这表明增材制造试样的塑性均匀.断裂是由于在外力的作用下第二相质点与基体的脱开，由最初形成的孔隙不断相互连接，导致试件的最终断裂.

图7 拉伸试验结果Fig.7 Tensile experiment results.(a) stretch stressdisplacement curve;(b) longitudinal specimen;(c) transverse specimen

3 结论

(1) 在旁路热丝等离子弧进行碳钢单道单层熔敷试验中，通过调节主/旁路电流比可以调控单层的熔敷成形和对母材的热输入.当主/旁路电流比较小，旁路电流为100 A 时，可以获得均匀光滑的熔敷表面，并且能够降低对母材热输入，有助于改善增材制造成形精度.

(2) 采用旁路热丝等离子弧进行单道多层增材制造过程中，层间温度对增材试样的成形、微观组织以及硬度有很大影响.当层间温度为100 ℃时，增材成形过程稳定，无熔池塌陷现象，增材试样中间稳定区域处的微观组织晶粒尺寸更加细小，并且珠光体含量更多，导致其硬度也随之增加，平均硬度最高可达到294 HV.

(3) 拉伸试验表明，层间温度为100 ℃时试样的抗拉强度、断后伸长率等在纵向和横向上相近，无明显的各向异性，证明新工艺制造的试样的强度以及塑韧性在各方向上均匀一致.