30CrMnSiA金屬粉芯型藥芯焊絲熔滴過渡分析與電弧增材研究

趙慧慧 高旭 王貫盈 劉英 梁志敏

摘 要：為探究金屬粉芯型藥芯焊絲電弧增材加工的可行性，采用30CrMnSiA高強鋼粉芯型藥芯焊絲，結合高速攝像與電信號同步采集系統，分析焊絲在脈沖熔化極氣體保護焊工藝下的熔滴過渡特點和電弧穩定性，在確定的工藝參數下，探討脈沖工藝WAAM對高強鋼藥芯焊絲沉積件成形性、組織和力學性能的影響。結果表明，高強鋼藥芯焊絲熔滴過渡類型為多脈一滴的非軸向小滴短路過渡;沉積件橫向和縱向力學性能存在差異，橫向強度和韌性均優于縱向;沉積件橫向和縱向斷口存在大量韌窩，均呈現微孔聚集型韌性斷裂，且縱向斷口韌窩尺寸明顯大于橫向。因此，將金屬粉芯型藥芯焊絲應用于增材加工領域，其性能滿足使用要求，可獲得組織和力學性能優異的沉積件。研究結果可為提高金屬粉芯型藥芯焊絲的增材加工效率、改善增材加工性能提供借鑒和參考。

關鍵詞：金屬材料;金屬粉芯型藥芯焊絲;高強鋼;電弧熔絲增材制造;熔滴過渡;力學性能

中圖分類號：TG455?? 文獻標識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx05009

收稿日期：2021-07-07;修回日期：2021-08-15;責任編輯：張士瑩

基金項目：上海市人才發展資金項目（2020038）;國防基礎科研項目（JCKY2017205A002）;河北省自然科學基金（E2021208005）;河北省省級科技計劃資助（20351801D）

第一作者簡介：趙慧慧（1984—），女，遼寧丹東人，高級工程師，博士，主要從事攪拌摩擦焊、增材制造數值模擬及工藝優化和組織性能等方面的研究。

通訊作者：劉 英博士。E-mail：371468939@qq.com

Research on droplet transfer and wire arc additive manufacturing of 30CrMnSiA metal powder-cored welding wire

ZHAO Huihui1，GAO Xu2，WANG Guanying2，LIU Ying2，3，LIANG Zhimin2，3

（1.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Company Limited，Shanghai 200245，China;2.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;3.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to explore the feasibility of arc additive processing of metal powder-cored welding wire，30CrMnSiA high-strength steel powder-cored wire was adopted，combined with high-speed camera and electric signal synchronous acquisition system，to analyze the droplet transfer characteristics and arc stability of the wire under pulse melting and gas shielded welding process.Under certain process parameters，the influence of pulse process WAAM on formability，microstructure and mechanical properties of deposited parts of high-strength steel powder-cored wire was discussed.The experimental results show that the droplet transfer type of high-strength steel powder-cored welding wire is a short circuit transition with non-axial droplet and multiple pulses one drop;the transverse and longitudinal mechanical properties of the deposited part are different;both the strength and toughness along with transverse are better than that of longitudinal direction;there are a large number of dimples on the transverse and longitudinal fractures of the deposited parts，which suggest that the fracture modes are both micropore aggregation plastic fracture，and the size of dimples on the longitudinal fracture is significantly larger than that in the transverse fracture.Therefore，when the metal powder-cored wire is applied to the field of additive processing，its performance meets the application requirements，and the deposited parts with excellent microstructure and mechanical properties can be obtained.The research results provide reference for improving the additive processing efficiency and performance of the metal powder-cored wire.

Keywords：

metallic materials;metal powder-cored welding wire;high strength steel;wire and arc additive manufacturing;droplet transfer;mechanical property

高強鋼廣泛應用于汽車、船舶、石油管道、海洋平臺、航空航天等領域，焊接結構（零件）生產中開發相匹配的等強韌焊接材料具有重要意義[1]。金屬粉芯型藥芯焊絲由薄鋼帶包裹金屬粉劑組成，焊絲成分易調節，焊接過程中電流主要在焊絲表面流過，相比實心焊絲，金屬粉芯型藥芯焊絲熔敷效率高、熔渣少、焊縫成形美觀，尤其適用于高強鋼的焊接[2]。電弧熔絲增材制造技術（WAAM）作為一種效率高、材料利用率高、設備成本低的快速成形技術，廣泛用于鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高強鋼等金屬零件的制造[3-5]。吳成成等[6]針對低合金高強鋼焊絲采用GMAW工藝開展了熱輸入對增材組織及力學性能的影響，得出組織和力學性能隨熱輸入的變化規律。郭純等[7]針對船用高強鋼焊絲采用CMT工藝開展了電弧增材制造工藝制備船用結構件的可行性研究，成形、組織及性能均滿足使用要求。

為達到高效快速增材成形的目的，獲得組織和力學性能優異的沉積件，本文采用脈沖MIG工藝對30CrMnSiA金屬粉芯型藥芯焊絲進行電弧增材試驗，由于熔滴過渡行為能精確反映焊接過程中的穩定性，因此先進行單道單層堆焊試驗，通過高速攝像與電信號同步采集系統，分析藥芯高強鋼焊絲的熔滴過渡行為。采用確定的工藝參數進行單道多層單壁墻電弧增材試驗，對增材沉積件進行金相組織觀察試驗和顯微硬度分析，測試沉積層橫向和縱向的力學性能，結合掃描電子顯微鏡，分析拉伸斷口的形貌特征。

1 試驗材料與方法

采用的電弧增材系統由FANUC機器人和Fronius CMT Advanced 4000R型焊機組成。試驗基板選用30CrMnSiA高強鋼板材，幾何尺寸為300 mm×150 mm×5 mm，焊絲選用直徑為1.2 mm的30CrMnSiA金屬粉芯高強鋼焊絲，其化學成分如表1所示。保護氣體為80%Ar+20%CO2，流量為20 L/min。電弧增材工藝采用脈沖熔化極氣體保護焊，焊槍角度垂直于焊縫，焊絲干伸長10 mm，焊接速度為8 mm/s，焊槍每層抬高高度為1.5 mm，層間等待時間為60 s。增材成形后將試件與基板分離，采用銑床加工試件表面，然后進行硬度、拉伸和微觀組織取樣分析。增材過程中焊接工藝參數如表2所示。在單道單層沉積試驗中，采用同步采集系統記錄焊接過程中的熔滴過渡和電流電壓，圖1為高速攝像和電信號采集系統示意圖，設定高速攝像的拍攝速度為2 000幀/s。

單道單層沉積試驗結束后，對堆焊過程熔滴過渡行為進行分析。根據熔滴過渡穩定性，選定較好的工藝參數后再進行單道多層電弧增材試驗，成形件尺寸約為200 mm×120 mm×7 mm。將增材后的成形件與基板分離，采用銑床對試樣進行機加工。使用線切割沿垂直方向切割試樣獲得金相試樣，再經打磨、拋光、腐蝕后對沉積層顯微組織進行分析，采用顯微硬度儀進行硬度測定。由于成形件為薄壁結構，

因此根據ASTM E8/E8M-21[8]標準設計拉伸試樣尺寸，拉伸試樣形貌和尺寸如圖2所示。本次試驗中，金相試樣和拉伸試樣取樣方案如圖3所示，其中拉伸試樣分別沿平行和垂直于增材方向取樣。拉伸斷口采用TESCAN VEGA3掃描電鏡進行觀察。

2 結果及分析

2.1 熔滴過渡穩定性

圖4為在脈沖熔化極氣體保護焊所選定工藝參數下進行單道單層試驗過程中的熔滴過渡圖像與對應的電流電壓波形圖，圖中為完成一次完整的熔滴過渡過程。

其中：圖4 b時刻在焊絲端部開始形成熔滴;圖4 d時刻，隨著脈沖峰值電流的到來，電弧呈現“鐘罩狀”，由于粉芯藥芯焊絲熔融金屬黏度較大，因而熔滴表面張力大[9]，在脈沖峰值電流下熔滴并未脫落，而是在峰值電流的加熱作用下，熔滴體積增大，尺寸略大于焊絲直徑;

圖4 e—圖4 g時刻，熔滴逐漸長大，電弧轉移至熔滴下方，在電弧力作用下熔滴偏離焊絲軸向;圖4 h—圖4 i時刻，隨著新一輪脈沖峰值電流的到來，在峰值電流加熱作用下，熔融金屬流動性增加，電弧上爬值熔滴上方包裹住熔滴，熔滴產生縮頸;圖4 j時刻電壓迅速降低，熔滴脫離電弧包裹向熔池過渡;圖4 k時刻，熔滴與熔池發生短路接觸，電流因短路過渡呈現明顯增大，熔滴脫離焊絲端部，過渡到熔池，完成一個完整的熔滴過渡過程。隨著2次脈沖電壓的到來，整個過程電弧體積呈現周期性變化。在第1個脈沖峰值電流作用下，電弧包裹熔滴，熔滴長大，而后電弧轉移至熔滴下方，熔滴偏離焊絲軸向;在第2次脈沖峰值電流作用下，熔滴流動性增加，加速向熔池過渡，與熔池接觸后發生短路過渡，形成一次完整的熔滴過渡。從圖4可以看出，整個過程熔滴過渡穩定性較好，經過2次脈沖形成一次熔滴過渡。該工藝下，熔滴過渡模式為多脈一滴的非軸向小滴短路過渡。另外，焊接過程中伴隨有少量煙塵和飛濺[9-11]，應采取相應措施，做好防護。

2.2 單道多層沉積件成形形貌

增材過程示意圖如圖5所示。由圖5可知，增材過程中電弧連續穩定，沒有出現斷弧現象，沉積層未出現斷續現象。增材后單道多層成形件形貌如圖6 a）所示，從試樣圖片可以看出，采用WAAM脈沖工藝沉積形成的試樣整體成形良好，沉積層表面粗糙度較小，僅出現少量瘤狀凸起現象，這與焊槍行走速度較快、熔池下方支撐變薄有關。在電弧熱作用下沉積層被重熔，造成熔池增大，液態金屬在表面張力作用下發生收縮，冷卻凝固后形成瘤狀凸起[12-14] 。采用銑床雙面加工后單道多層成形件如圖6 b）所示。

2.3 單道多層沉積件微觀組織

對電弧增材成形件不同區域進行微觀組織分析，圖7為沉積層不同區域金相微觀組織圖像。

從圖7可以看出，沉積層組織致密，冶金結合良好。不同區域金相組織主要由粒狀貝氏體（GB）、針狀鐵素體（AF）和M-A組元組成。焊絲粉芯中含有鉻、錳、硅、鎳等元素，可以抑制共析鐵素體的形成，促進針狀鐵素體的形成和細化[15-16] 。隨著沉積層數的增加，在電弧高溫作用下，沉積層受焊接熱循環的影響，底部區域溫度被加熱至奧氏體轉變溫度之上。由于底部沉積區與基板連接，冷卻速度較快，因而冷卻后形成粒狀貝氏體，并伴隨M-A組元的產生。

同時，底部區域受基板影響，散熱較快，晶胞外延生長造成硅元素在晶間的偏析，還會促進無碳化物貝氏體（CFB）的形成[15-16]。

如圖7所示，沉積層頂部區域由粒狀貝氏體、針狀鐵素體和M-A組元組成，中部區域由粒狀貝氏體、針狀鐵素體和M-A組元組成，底部區域由粒狀貝氏體、針狀鐵素體、無碳化物貝氏體（CFB）和M-A組元組成。沉積層不同區域顯微組織的差異造成了試樣不同區域力學性能的差異。從高倍金相顯微組織（見圖7 d）和圖7 e））可以看出，沉積層中存在少量氣孔和夾雜等缺陷。

2.4 單道多層沉積件硬度

圖8為沉積層不同區域硬度測試結果。由圖8可知，底部區域硬度最高，硬度平均值為297.8 HV;中部區域硬度次之，硬度平均值為275.7HV;頂部區域硬度最小，平均值為256.2 HV。底部區域和頂部區域硬度值相差較大，底部較頂部硬度值高。這是由于，底部區域受上層沉積過程中熱循環的影響，溫度達到奧氏體轉變溫度以上，且底部區域與基板連接，受基板影響散熱較快，導致冷卻速度較快，發生相變過程中形成的貝氏體數量增多[17-19]。此外，冷卻較快，使得底部區域晶粒尺寸較小，造成底部區域硬度值較大。隨著沉積過程的進行，熱輸入逐漸積累，越靠近沉積層上部，熱積累越大，冷卻速度越慢，形成的貝氏體數量越少，硬度也隨之減小。

2.5 單道多層沉積件拉伸結果

圖9為橫向和縱向試樣拉伸斷裂后斷口和試樣的宏觀形貌，電弧增材沉積試樣拉伸性能測試結果見圖10。

從圖9可以看出，2組試樣拉伸斷口與拉伸方向均呈45°夾角，且斷口處呈現明顯的頸縮，表明試樣塑性較好。由圖10可知，試樣橫向平均抗拉強度為786.7 MPa，屈服強度為591.3 MPa，斷口延伸率為25.3%;試樣縱向平均抗拉強度為669.0 MPa，屈服強度為477.7 MPa，斷口延伸率為10.3%。從拉伸試驗測試結果可以看出，橫向和縱向試樣的力學性能相差較大，橫向試樣強度和韌性明顯好于縱向。同時可以發現，試樣縱向拉伸力學性能均一性較好，說明各沉積層之間冶金結合良好，而橫向試樣力學性能波動較大。結合金相組織和硬度測試結果表明，各沉積層間微觀組織不均勻，

說明電弧增材沉積過程中的熱循環造成沉積層沿高度方向呈現組織和性能的不均一[20-23]。

圖11為電弧增材試樣拉伸斷口SEM微觀組織圖像。由圖11 a-1）和圖11 b-1）可以看出，高強鋼電弧增材沉積試樣拉伸斷口均呈明顯的韌窩特征，韌窩大小和尺寸分布均勻，說明在該工藝參數下沉積件橫向和縱向斷裂均為微孔聚集型韌性斷裂。從斷口放大圖（見圖11 a-2）和圖11 b-2） ）可以看出，縱向斷口韌窩尺寸略大于橫向斷口，說明高強鋼電弧增材沉積試樣沿縱向力學性能稍差。圖11 c）為縱向試樣拉伸斷口缺陷處的形貌組織，可以看出，該斷面上存在氣孔，尺寸約為10 mm，且在韌窩處存在尺寸較大的第二相粒子。

第二相粒子的尺寸與所處韌窩的大小有關，圖中第二相粒子的尺寸多為微米級，在拉伸時，尺寸較大的第二相粒子會與基體發生分離，產生空穴，破壞材料的連續性，使得抗拉強度和塑性減小，同時氣孔的存在降低了沉積件的力學性能。因此，高強鋼電弧增材試樣縱向力學性能明顯低于橫向[6，16，22-23]。

3 結 論

與實芯焊絲相比，金屬粉芯型藥芯高強鋼焊絲熔敷率高，成分調控簡單，合金元素過渡系數高，非常適合低合金高強鋼的焊接。本文采用高速攝像與電信號同步采集分析系統，分析了金屬粉芯型藥芯高強鋼焊絲在脈沖熔化極氣體保護焊工藝下的熔滴過渡特點，并對其電弧增材沉積件的組織和力學性能進行了研究。

1）在一定的脈沖工藝條件下，30CrMnSiA金屬粉芯焊絲熔滴直徑較小，熔滴過渡模式為多脈一滴的非軸向小滴短路過渡，熔滴過渡過程穩定，伴隨少量煙塵和飛濺。

2）30CrMnSiA金屬粉芯焊絲電弧增材單道多層沉積件成形較好，各區域微觀組織致密，主要由粒狀貝氏體和針狀鐵素體組成，底部區域粒狀貝氏體數量較多，硬度較大。

3）30CrMnSiA電弧增材沉積件拉伸斷口均呈現韌窩聚集型塑性斷裂，且橫向試樣拉伸性能明顯優于縱向。 根據金屬粉芯型藥芯高強鋼電弧增材沉積試驗及拉伸斷口試驗結果可知，降低藥芯高強鋼電弧增材過程中的氣孔和夾雜，優化沉積層組織以獲得沿高度方向性能均一的沉積件，將是下一步藥芯高強鋼電弧增材研究的重要方向。

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