電弧增材有限元建模及殘余應力分析

蔣 倩，蔣立鶴，鮑海波，黃云峰，胡浩帆

（1.江蘇省船舶動力系統(tǒng)零件先進制造工程技術中心，江蘇 南京 211121；2.南京中遠海運船舶設備配件有限公司，江蘇 南京 211121；3.中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510630）

電弧增材制造技術以絲材為填充材料，材料利用率，在大規(guī)模生產(chǎn)復雜金屬結構件具有廣闊的應用前景[1，2]。但電弧增材是一個不均勻受熱和冷卻的過程，伴隨著基體和填充金屬的熱脹冷縮導致的膨脹和收縮量的差異，從而導致氣閥產(chǎn)生了大量的殘余應力[3]。氣閥在電弧增材后殘余應力隨著電弧增材的層數(shù)逐漸累加，直至氣閥產(chǎn)生變形甚至破壞，嚴重影響了氣閥的使用壽命和各方面性能[4，5，6]。

本文將利用有限元模擬分析軟件ABAQUS 建立電弧增材的有限元模型，設計關鍵參數(shù)組合方案，使用填充材料Inconel718 對材料SNCrW 的氣進行模擬電弧增材，分析關鍵參數(shù)對殘余應力的影響。

1 電弧增材三維模型的構建

本文的有限元模型基體材料為SNCrW，電弧增材的材料為Inconel718，工件尺寸為150×80×25mm。如圖1 所示，利用ABAQUS 建立兩層電弧增材三維模型。然后對其進行網(wǎng)格劃分、材料的賦予以及最重要的施加電弧增材熱源。

圖1 電弧增材三維模型

2 工藝參數(shù)對殘余應力影響

本節(jié)研究電弧增材參數(shù)對殘余應力的影響，有熱源移動速度V、電流I、電壓U 等。查閱相關文獻和結合實際生產(chǎn)的一些數(shù)據(jù)，設計如表1 所示。

表1 設計工藝參數(shù)表

電壓對殘余應力的影響，通過控制電流和熱源移動速度等弧增材的工藝參數(shù)，選擇方案1～4 進行分析。在槽底平面上選擇兩條參考線Line 1 和Line 2，Line 1 取Z 坐標為0 在槽底平面上的直線，Line 2取X 坐標為40mm 在槽底平面上的直線。如圖2、3所示，分別是不同電壓下在參考線上Line 1 上橫向殘余應力的分布規(guī)律圖和在參考線Line 2 上縱向殘余應力的分布規(guī)律圖。

圖2 不同電壓在Line 1 上橫向殘余應力的分布規(guī)律

圖3 不同電壓在Line 2 上縱向殘余應力的分布規(guī)律

對比圖2、3 可知，在實際生產(chǎn)過程中，保證工件質(zhì)量和性能滿足條件下，選用較低的電壓值可以降殘余應力對工件影響，提高工件質(zhì)量。

為研究電流對殘余應力的影響規(guī)律，控制壓熱源移動速度等其他參數(shù)和分布。選擇方案5～8 進行模擬。和電壓一樣，在槽底平面選擇兩條參考線Line 3 和Line 4，Line 3 取槽底平面上X=40mm 的直線，Line 4 取槽底平面Z=0 的直線。如圖4、5 所示，分別是不同電流情況下在參考線上Line 3 上橫向殘余應力的分布規(guī)律圖和在參考線Line 4 上縱向殘余應力的分布規(guī)律圖。

綜合圖4、5 可知，在實際生產(chǎn)中，不能為了焊透性等一味增大電流，必須保證焊透性等其他性能和實際生產(chǎn)條件，盡量降低電流大小以削弱產(chǎn)生的殘余應力對工件的影響。

圖4 不同電流在Line 3 上縱向殘余應力的分布規(guī)律

圖5 不同電流在Line4 上橫向殘余應力的分布規(guī)律

本文研究熱源移動速度對模型縱向和橫向殘余應力的影響。在控制電流和電壓等電弧增材參數(shù)不變的前提下，選擇方案2、6 和9 進行研究。如圖6 所示，不同熱源移動速度下橫向和縱向殘余應力最大值變化趨勢圖。隨著熱源移動速度的增大，縱向殘余應力的最大值均發(fā)生不同程度的增大，橫向殘余應力最大值幾乎不發(fā)生什么變化。在實際生產(chǎn)過程中，不能只追求增材速度而忽視熱源速度對殘余應力的影響，在條件允許的情況下，可以采用較低的熱源移動速度。

圖6 不同熱源移動速度下橫向和縱向殘余應力幅值變化趨勢圖

3 結論

本文通過單一變量控制法，改變電壓、電流、熱源移動速度，模型的電弧增材殘余應力分布區(qū)域幾乎不變，殘余應力的幅值區(qū)域和分布規(guī)律也同樣幾乎不變只改變了幅值的數(shù)值。可以總結出如下結論。

（1）在控制電壓、熱源移動速度不變的條件下，增大電流，電弧增材的橫向和縱向的殘余應力幅值都有不同程度上的增大；與電流一樣，在控制電流、熱源移動速度不變的條件下，增大電壓，電弧增材的橫向和縱向的殘余應力幅值都有不同程度上的增大；在控制電流、電壓的條件下，提高熱源移動速度，電弧增材的橫向殘余應力幾乎不發(fā)生改變，而縱向殘余應力有一定程度的增大。

（2）在實際生產(chǎn)中，在保證生產(chǎn)速度和質(zhì)量性能等條件，降低電流、電壓和熱源移動速度，可以減弱殘余應力對工件的影響。