旁路耦合等离子电弧增材制造热过程范文

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摘要：针对旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造中的热物理过程，利用K型热电偶测量堆垛过程中不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序下的热循环曲线，分析研究堆垛成型时各参数对热过程的影响。结果表明:随着焊接速度的增大，母材热输入减小;在合适的旁路电流区间内，增加旁路电流，母材热输入减少;且同向堆垛散热性要优于往复堆垛。精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造的热过程。

关键词：电弧增材制造；旁路耦合微束等离子弧焊；热过程

引言

电弧增材制造(Wirearcadditivemanufacture，WAAM)技术是一种利用电弧将焊丝熔积成型的新型制造方法，基本原理是“分层制造，逐层堆积”。该技术首先建立零件模型，接着将其分层处理，设置好每一层的焊接路径，最后使用电弧焊接方法，沿着设定路径将焊丝熔积成型［1］。WAAM成型件致密度高、生产效率高、成本低，特别是在制备低精度的大型件时其具有不可比拟的优势，但堆垛过程中的反复热循环造成较大的残余应力与变形，影响了制备零件的成型精度。因此，WAAM热过程成为当前学术界研究的热点。Mughal等［2-5］采用有限元模拟的方法研究了以电弧为热源的单层沉积制造中热应力分布及其变形，并进一步分析比较了气体保护焊(Gasmetalarcwelding，GMAW)成型时间隔冷却和连续沉积的热量积累和变形情况。张广军等［6-7］对GMAW堆积时的温度场和应力场分布进行了有限元模拟，研究了堆积长度、道间间隔时间、不同堆积顺序等过程参数对堆积过程的影响规律，分析了不同堆积方向下的热循环特点。这些研究更注重于数值分析方面，对于试验研究，特别是使用何种电弧方法来进行增材制造讨论较少，因此有必要对电弧增材制造的热过程进行更进一步的试验研究。本实验在张裕明教授所发明的旁路耦合电弧焊(Double-electrodegasmetalarcwelding，DE-GMAW)［8-9］的基础上，提出了旁路耦合微束等离子弧焊(Double-electrodemicro-plasmaarcwelding，DE-MPAW)方法来进行电弧增材制造的研究［10］。在利用K型热电偶测量DE-MPAW热特性的基础上，针对电弧增材制造过程中的单道多层的堆垛顺序，即同向堆垛和往复堆垛的热特性进行了试验测量，分析了堆垛顺序、旁路电流对增材制造热过程的影响，获得了DE-MPAW在增材制造过程中的热物理特性。

1实验

1．1DE-MPAW原理图1为旁路耦合微束等离子弧焊方法示意图，其中Im为母材电流，Ip为旁路电流，I为总电流，其关系为I=Im+Ip，即总电流为母材电流与旁路电流之和。在焊接过程中，微束等离子焊枪与工件间产生主路电弧，旁路焊丝与焊枪间产生旁路电弧。这样电流从焊机工件正极流出后，一部分流入母材，另一部分经过电流分配器通过旁路焊丝分流。通过调节电流分配器，来改变旁路电流Ip，在总电流不变的情况下，实现母材电流Im可调，从而有效控制母材热输入。试验中，焊机采用LHM-50等离子弧焊机，旁路送丝机选用WF-007A送丝机，电流分配器选用AMR-300型变阻器。

1．2DE-MPAW的增材制造过程在旁路耦合微束等离子弧焊的试验基础上，利用其来进行电弧增材制造的研究，开展如图2所示的DE-MPAW堆垛过程分析，其堆垛过程为:利用微束等离子弧熔化填充焊丝，使其沿着设定路径逐层堆积，最终得到所需试样，在堆垛过程中，每层会经历复杂的热循环作用，测量堆垛成型时温度的变化，研究其热物理过程。试验中利用高速摄像拍摄了焊接过程的电弧形态和熔滴过渡图像，并进行分帧处理，如图3所示。从图3可以看出，电弧呈“柱状”，且能量集中;熔滴过渡属于自由过渡，熔滴在各种力的综合作用下，沿着顺时针方向过渡到熔池中。

1．3电弧增材制造中热过程测试图4为旁路耦合微束等离子弧焊试验系统，利用该试验系统来进行单道试样及单道多层试样的堆焊。该系统是利用传感器将焊接中电流、电压信号传输到采集卡上，再由采集卡将数据传到电脑上;视频采集则是由CCD摄像机、采集卡和视频采集软件共同完成;而热信号的采集系统由热电偶、温度采集模块、采集卡及相应的采集软件共同构成。计算机用于控制工作台的移动、调节焊接中工艺参数，同时收集并记录堆垛过程中的热循环数据。图5为热过程测试实物图，测量热循环曲线时，在母材上选择合适的测温特征点，采用焊偶仪将K型热电偶焊接在特征点处，焊接开始后，利用测温软件Adam．netUtility采集温度数值并保存。图6为堆垛成型时测温特征点的位置示意图，其中，A、B、C三点距焊缝中心线分别为10mm、20mm、30mm。试验中，选择离子气流量1L/min，保护气流量10L/min，其他工艺参数根据不同试验目的作出相应改变。旁路耦合微束等离子弧焊试验所用基板为304不锈钢，尺寸为200mm×100mm×3mm。试验前，用砂纸将基板表面打磨光亮，并用丙酮清洗。试样是以直径为0．8mm的ER304L不锈钢焊丝为成形材料，其成分如表1所示。

2结果与分析

2．1DE-MPAW的热特性为分析不同旁路电流、焊接速度对焊接热输入的影响，在母材上进行单道试样的堆焊，同时测量其热循环曲线。表2为确定的焊接工艺参数，分别采用80mm/min、100mm/min、120mm/min的焊接速度进行试验。图7为焊接速度为120mm/min时各测温点的热循环曲线，可以看出，单道堆焊的热循环曲线呈现单个波峰分布，当热源接近测温点时温度快速上升，当到达与测温点平齐时温度升到最高，随后慢慢降低;同时，测温点距热源越远，其热循环曲线越低。图8为不同焊接速度下各测温点的峰值温度变化曲线。从图8中可以看出，随着焊接速度的提高，测温点峰值温度逐渐降低。这是由于焊速越快，热源对母材作用时间越短，母材热输入也相应减小;同时，图8中A点的降幅最大，B点次之，C点最小，说明距离焊缝越远，焊接速度对其热输入的影响在逐渐减弱。为分析旁路电流对焊接热输入的影响，采用旁路电流分别为0A、4A、9A、13A、15A进行单道堆焊，其余工艺参数如表3所示。图9为所测得的不同旁路电流下各特征点的峰值温度变化曲线。从图9中可以看出，在总电流保持不变时，增大旁路电流，各点的峰值温度先是在小区间升高，随后降低，即母材热输入减小。从整体趋势中可以看出，母材热输入随着旁路电流增大而减小，这是由于旁路的分流作用，使得流经母材电流减小，降低了母材电阻热，说明电阻热和耦合电弧热对母材热输入减小的程度大于熔滴增加母材热输入的程度。

2．2电弧增材制造堆垛过程的热分析针对电弧增材制造过程，特别是DE-MPAW方法中的单道多层堆垛的热过程，在母材上进行单道多层试样的堆垛，并测量其热循环曲线。图10所示为典型堆垛试样。表4所示为确定的工艺参数，变化的参数为旁路电流，分别为4A、8A、19A。图11为旁路电流为4A时A、B两点的热循环曲线。从图11中可以看出，A、B两点的热循环曲线均由多个波峰和波谷组成，且波谷的温度不断升高，表明在堆垛过程中，前一层对后一层预热，后一层对前一层后热，波谷温度的升高说明了预热温度在不断升高。同时B点的热循环曲线低于A点，这是由于A点距热源近的缘故。假设t100为测温点在每次热循环中从最高温度下降100℃所需的冷却时间，根据图11的热循环曲线，得到图12所示的A点在每次热循环中的冷却时间t100随堆垛层的变化情况。随着堆积层数增高，冷却时间t100整体趋势逐渐延长，冷却速率反而降低，这是由于堆垛得越高，热积累越严重，冷却速率则越低。图13为旁路电流分别为8A、19A时A点的热循环曲线。从图13中可以看出，旁路电流为8A的热循环曲线要高于19A的。这表明在堆垛过程中，随着旁路电流的增大，母材热输入反而减小。这是由于后一层对前一层的后热作用，热量不断传递到母材上，但热输入的减小仍说明母材电阻热和耦合电弧热对其热作用减小的程度大于熔滴增加热输入的程度。据图13所示的不同旁路电流的热循环曲线，得到测温点A在不同旁路电流的冷却时间t100的变化情况，如图14所示。从图14可以看到，旁路电流为19A的曲线要高于8A的，即19A的冷却时间大于8A的，则19A的冷却速率要小于8A，说明当旁路电流从8A升到19A时，测温点的冷却速率反而降低。在母材上进行同向式和往复式两种堆垛方式，选用工艺参数如表4所示，旁路电流均为4A。图15为同向堆垛和往复堆垛时A点的热循环曲线，可以看出同向堆垛的热循环曲线要低于往复堆垛的，表明同向堆垛的散热性优于往复堆垛。这是由于同向堆垛时，每次起弧是从温度较低侧开始的，因此散热较好，而往复堆垛时，热量不断积累，造成散热性变差。根据图15所示的不同堆垛顺序下的热循环曲线，得到测温点A在不同堆垛顺序时的冷却时间t100的变化曲线，如图16所示。从图16可以看出，同向堆垛时的冷却时间曲线高于往复堆垛，即同向堆垛时的冷却时间长于往复堆垛的，那么同向堆垛时的冷却速率要低于往复堆垛的。这表明不同的堆垛方式下，其测温点在每次热循环下的冷却速率也不同。图17为同向堆垛和往复堆垛时A点的峰值温度变化曲线，可以看出不管是同向式堆垛，还是往复式堆垛，随着堆垛层数的增加，各测温点的峰值温度先是迅速升高，随后缓慢升高，最后达到一个较为稳定的状态，并有缓慢降低的趋势。这是由于焊接刚开始时，母材温度较低，热源与母材之间的温差较大，导热速率大，所以母材升温较快。随着母材温度的升高，热源与母材之间的温差减小，导热速率减小。同时由于母材温度的升高，增大了其与周围环境的温差，散热作用增强，所以温度升高较为缓慢;并且，随着堆垛层数增加，热阻增大，热源对母材加热作用进一步减弱，当散热量超过热输入量时，母材的峰值温度就会降低。在电弧增材制造单道多层堆垛过程中，合适的旁路电流可有效减少热输入，堆垛顺序也可影响堆垛的热过程。因此在零件制造中，要较精确地控制旁路电流和合理规划行走路径。

3结论

(1)在旁路耦合微束等离子弧焊增材制造时，当提高焊接速度，母材热输入减小，且距离堆焊中心越远，焊接速度对热输入的影响逐渐减弱。(2)在总电流保持不变时，增大旁路电流，各点的峰值温度先是在小区间升高，随后降低，即母材热输入减小。从整体趋势看，母材热输入随着旁路电流增大而减小。且不同的旁路电流使得母材的冷却速率也不同，同时随着堆积层数增加，母材冷却速率降低，说明该方法较适合电弧增材制造。(3)同向堆垛、往复堆垛等堆垛顺序可影响堆垛的热过程，不管是同向堆垛，还是往复堆垛，随着堆垛层数的增加，各测温点的峰值温度先是迅速升高，随后缓慢升高，最后达到一个较为稳定的状态，并有缓慢降低的趋势。一般情况下，同向堆垛的散热性要优于往复堆垛，但同向堆垛时，测温点冷却速率低于往复堆垛。(4)在旁路耦合微束等离子弧焊增材制造中，选择合适的旁路电流、规划合理的堆垛路径都可有效控制热输入，提高堆垛质量。

作者：余淑荣 程能弟 黄健康 李楠 樊丁 单位：兰州理工大学机电工程学院