基于旁路分流等離子弧熱源的中碳鋼增材制造溫度分布特性研究

趙慧慧 周佳芬 尹玉環(huán) 苗玉剛 封小松

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

1 引言

相比于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)，增材制造技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型制造技術(shù)，能夠大大提高制造過(guò)程的柔性，縮短制造周期[1，2]。其中，電弧增材制造技術(shù)具有低成本、高效率等特點(diǎn)[3，4]，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一[5]。

目前，電弧增材制造技術(shù)所采用的電弧熱源主要有：TIG 電弧、MIG 電弧、等離子電弧、CMT 電弧等。旁路熱絲等離子弧是近年來(lái)提出的新型電弧焊接方法[1]，將絲材直接送入到等離子弧的中心并分流部分等離子弧電流，以獲得高的熔絲效率和理想的熔滴過(guò)渡模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件成形精度和熱輸入的有效控制。能夠解決大電流提高增材效率與母材熱輸入之間的矛盾[6]，同時(shí)也避免了熔化極焊接電弧熱源增材時(shí)電流與送絲速度匹配無(wú)法獨(dú)立調(diào)節(jié)的問(wèn)題[7]。這一新型電弧相較于MIG 電弧、CMT 電弧熱源，具有電弧穩(wěn)定性好、熱量集中、參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)、可控性好、成型精度高等優(yōu)點(diǎn)。與TIG 電弧、等離子弧熱源相比，具有熱量集中、沉積效率高、成型精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，旁路熱絲等離子弧是增材制造技術(shù)的成為裝備快速維修制造的關(guān)鍵技術(shù)，將促進(jìn)我國(guó)裝備維修領(lǐng)域先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。

文中采用旁路熱絲等離子弧作為熱源，以中碳鋼45 鋼板為基體進(jìn)行電弧增材制造，并對(duì)該過(guò)程的溫度分布特性進(jìn)行研究，包括主路電流、旁路電流、增材速度以及層間溫度等對(duì)旁路分流等離子電弧增材溫度場(chǎng)的影響。

2 旁路分流電弧熱源增材制造過(guò)程測(cè)溫實(shí)驗(yàn)方法

旁路分流電弧熱源增材制造修復(fù)系統(tǒng)主要由焊接機(jī)器人、工作臺(tái)、全數(shù)字化脈沖等離子弧焊機(jī)、旁路分流模塊及控制系統(tǒng)、等離子弧焊槍、送絲機(jī)、保護(hù)氣等部分組成。旁路分流等離子弧增材工藝原理為將焊絲接入電流回路作為旁路，將總電流分流為兩部分：流經(jīng)母材的電流和旁路焊絲的電流，將熱輸入分成預(yù)熱焊絲和熔化母材[1]。采用10mm 厚中碳結(jié)構(gòu)鋼作為母材基板，以直徑為1.2mm 的45 鋼焊絲為增材絲材，成分如表1所示。采用上述系統(tǒng)進(jìn)行旁路分流等離子電弧增材試驗(yàn)，堆積成形試件。采用的優(yōu)選工藝參數(shù)為：主路等離子弧焊電流為107A，旁路熱絲電流為100A，增材速度36cm/min，離子氣流量0.5L/min，送絲速度3.6m/min，保護(hù)氣流量13.5L/min，等離子保護(hù)氣體流量為0.3L/min。為了對(duì)旁路分流等離子電弧熱源增材制造修復(fù)過(guò)程溫度分布特性開(kāi)展研究，采用FLIR SC660 型紅外熱像儀記錄增材過(guò)程的溫度場(chǎng)。紅外熱像儀與焊件成45°于斜上方拍攝。紅外熱像所測(cè)溫度場(chǎng)圖像和曲線都采用同一輻射率0.6 設(shè)置。

表1 焊絲化學(xué)成分 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 增材工藝參數(shù)對(duì)工件溫度分布的影響

3.1 等離子增材過(guò)程溫度分布特性分析

圖1 熔覆層正面溫度場(chǎng)圖像

圖1所示為旁路分流電弧熱源增材制造修復(fù)過(guò)程實(shí)測(cè)熔覆層及工件溫度場(chǎng)分布，圖2所示為沿熔覆層中心線上不同位置距離處的溫度值分布，在等離子電弧周?chē)鷾囟确植挤浅８撸入x子電弧溫度局部甚至能達(dá)到16000℃以上，受限于紅外攝像儀設(shè)備的測(cè)溫范圍限制，量程為2100℃以下，因此圖2所示峰值位置在2100℃高度有被削平的特征，A 區(qū)為熔池區(qū)，熔池區(qū)前端受等離子弧加熱，熔池區(qū)后端受保護(hù)氣體冷卻，溫度梯度最大。B 區(qū)為受冷卻保護(hù)氣體影響，溫度急劇下降，在B 區(qū)達(dá)到局部最低，由于保護(hù)氣體的影響范圍有限，B 區(qū)后方出現(xiàn)了次高溫區(qū)，即C 區(qū)，為僅次于A 區(qū)的第二溫度峰值。C 區(qū)前端受冷卻氣體影響而表面溫度降低，后方空冷溫度降低，因此前后方各產(chǎn)生了一個(gè)溫度梯度較大的區(qū)域。

圖2 沿熔覆層中心線的溫度分布結(jié)果

圖3 垂直于熔覆層方向的溫度分布取樣圖

圖4 垂直于熔覆層方向的溫度分布曲線

沿著垂直于等離子弧前進(jìn)方向分析熔覆層的熔池附近的溫度分布，如圖3所示，分別取5 個(gè)特征位置S1、S2、S3、S4、S5，五條線上的溫度分布曲線如圖4所示。S1 是等離子弧中心位置，中心區(qū)域溫度高，受熱像儀量程范圍限制，超過(guò)2100℃的區(qū)域出現(xiàn)了溫度峰值被削平現(xiàn)象，兩側(cè)溫度受基材熱傳導(dǎo)作用，溫度下降呈近似高斯分布。S2、S3、S4、S5 分別位于S1之后離等離子弧中心位置越來(lái)越遠(yuǎn)，處于等離子弧后方的冷卻階段，溫度分布與距離等離子弧中心距離成反比，距離越遠(yuǎn)溫度峰值越低，兩側(cè)散熱溫度梯度越小，左右兩側(cè)呈近對(duì)稱(chēng)分布特征。

3.2 主路電流對(duì)工件溫度分布的影響

研究主路電流變化對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響。增材參數(shù)：旁路電流為100A，主路電流分別為120A、130A、140A，主旁路電流比分別為1.2、1.3、1.4，從區(qū)域B開(kāi)始沿熔覆層中心線的溫度分布如圖5所示。由圖可知，隨主路電流的增加，熔覆金屬整體溫度升高。

圖5 主路電流變化熔覆金屬溫度場(chǎng)分布

3.3 旁路電流對(duì)工件溫度分布的影響

研究旁路電流變化對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響。增材參數(shù)：主路電流為107A，旁路電流分別為100A、90A、80A、70A，主旁路電流比分別為1.07、1.18、1.33、1.53，從區(qū)域B 開(kāi)始沿熔覆層中心線的溫度分布如圖6所示。由圖可知，隨旁路電流的增加，熔覆金屬正面溫度場(chǎng)的整體溫度升高，但其基本分布特征未變。

圖6 旁路電流變化熔覆金屬溫度場(chǎng)分布

3.4 增材速度對(duì)工件溫度分布的影響

研究增材速度變化對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響。增材參數(shù)：送絲速度3.4m/min，主路電流為140A，旁路電流分別為100A，增材速度分別為53cm/min、70cm/min、87cm/min、103cm/min。從區(qū)域B 開(kāi)始沿熔覆金屬中心線的溫度分布如圖7所示。由圖可知，隨增材速度的增加，熔覆金屬整體溫度降低，但降低不明顯，其分布的基本特征不發(fā)生改變。

圖7 增材速度變化熔覆金屬溫度場(chǎng)分布

4 層間溫度控制及其影響規(guī)律分析

4.1 層間溫度對(duì)工件溫度分布的影響

研究層間溫度變化對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響。從母材往上堆三層，將母材預(yù)熱至100℃。主路電流為107A，旁路電流為100A，層間溫度分別為100℃、150℃、200℃，從區(qū)域B 開(kāi)始沿熔覆層中心線的溫度分布如圖8所示。由圖可知，隨層間溫度的增加，熔覆層整體溫度升高。增加層間等待時(shí)間，降低層間溫度，有利于整體熔覆層溫度的控制。

圖8 層間溫度變化熔覆層溫度場(chǎng)分布

4.2 不同層間溫度下工件成形及組織分布

圖9所示為不同層間溫度條件下宏觀金相照片，當(dāng)層間溫度為100℃時(shí)，堆積24 層，總高度為32.86mm，平均寬度為4.54mm，平均層高為1.37mm；層間溫度為150℃時(shí)，堆積24 層，總高度為30.10mm，平均寬度為4.80mm，平均層高為1.25mm；層間溫度為200℃時(shí)，堆積12 層，總高度為13.90mm，平均寬度為5.18mm，平均層高為1.16mm；層間溫度為250℃時(shí)，堆積12 層，總高度為13.8mm，平均寬度為5.30mm，平均高度為1.15mm。隨層間溫度增加，熔覆層寬度增加，高度減小。

圖9 不同層間溫度條件下成型外觀和宏觀金相照片

圖10為不同層間溫度條件下熔覆層微觀組織形貌。可以看出，不同層間溫度時(shí)，熔覆層的顯微組織均由塊狀鐵素體和珠光體組成，珠光體呈帶狀分布在鐵素體晶界上。隨著層間溫度的增大，熔池冷卻時(shí)間增長(zhǎng)，晶粒二次長(zhǎng)大較為明顯，晶粒相對(duì)粗大，同時(shí)珠光體含量隨之減小。

圖10 不同層間溫度下熔覆層的顯微組織

5 結(jié)束語(yǔ)

a.旁路分流等離子弧增材制造過(guò)程中，熔覆層電弧熔池處溫度最高，后方由于保護(hù)氣的降溫作用，后方溫度先降后升；熔覆層兩側(cè)溫度分布呈近對(duì)稱(chēng)形態(tài)分布，溫度隨距離增加而降低。

b.旁路電流不變，隨主路電流的增大，熔覆層整體溫度都升高，母材熱輸入增加；主路電流不變，旁路電流增加時(shí)，熔覆層整體溫度也升高。隨增材速度的增加，熔覆金屬整體溫度降低，其分布的基本特征不發(fā)生改變。

c.層間溫度升高，熔覆層整體溫度升高。熔覆層正面溫度場(chǎng)的整體溫度隨增材熱輸入的增加而升高。峰值溫度從1175℃升至1902℃。增加層間等待時(shí)間，降低層間溫度，有利于整體熔覆層溫度的控制。

d.熔覆層的顯微組織均由塊狀鐵素體和珠光體組成，珠光體呈帶狀分布在鐵素體晶界上。隨著層間溫度的增大，熔池冷卻時(shí)間增長(zhǎng)，晶粒二次長(zhǎng)大較為明顯，晶粒相對(duì)粗大，同時(shí)珠光體含量隨之減小。