316L不銹鋼TIG焊增材電弧物理特性分析

尹玉祥，肖 笑，邱然鋒，張柯柯

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；2.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南洛陽(yáng)471023）

0 前言

電弧增材制造具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)[1]。TIG焊電弧穩(wěn)定性好、電流可調(diào)節(jié)范圍大、焊縫成形美觀等，TIG焊電弧增材近年來受到了廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼TIG焊電弧增材制造的成形性能進(jìn)行了研究。謝菲爾德大學(xué)的T．Skiba[2]對(duì)沉積態(tài)308L不銹鋼進(jìn)行研究，認(rèn)為不銹鋼構(gòu)件的力學(xué)性能接近常規(guī)制造方法。大連理工大學(xué)的劉黎明[3]等人研究了316不銹鋼TIG電弧增材制造的成形規(guī)律，分析焊接參數(shù)與焊縫成形形貌及組織形態(tài)的相關(guān)性。電弧增材制造過程中會(huì)常采用單道多層或多道搭接堆積，在堆積過程中產(chǎn)生大量的熱，從而影響了原電弧的熱物理性能。目前，已有學(xué)者對(duì)TIG焊電弧的物理特性進(jìn)行了研究，Hadad[4]等人測(cè)量了TIG焊電弧溫度，馬稅良[5]等利用光譜法測(cè)量了TIG焊電弧的溫度分布，并實(shí)現(xiàn)了電弧物理性能的動(dòng)態(tài)測(cè)量。TIG增材雖然與TIG焊熱源相同，但由于增加了焊絲的填充，電弧的溫度、譜線分布均發(fā)生了變化，因此，有必要對(duì)TIG增材過程的電弧物理性能進(jìn)行研究。

本文采用TIG增材制造方法制造316L不銹鋼墻體，并對(duì)不銹鋼增材構(gòu)件的成形形貌、電弧形態(tài)、電弧溫度等特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用TIG增材制造系統(tǒng)由TIG焊機(jī)、送絲機(jī)、試驗(yàn)平臺(tái)及光學(xué)采集系統(tǒng)組成，如圖l所示。焊接電源為松下公司的YC-300WX4型TIG電源，送絲機(jī)為WF-007A氬弧焊自動(dòng)送絲機(jī)，利用焊槍支架夾持并固定TIG焊槍和送絲裝置，試驗(yàn)平臺(tái)為二自由度滑臺(tái)，使用迪卡DK-100T型數(shù)控系統(tǒng)編寫行走程序。試驗(yàn)用基板為150 mm×50 mm×4 mm的304奧氏體不銹鋼板，焊前用砂輪打磨掉不銹鋼板表面的氧化膜。試驗(yàn)材料為ER316L不銹鋼焊絲，焊絲直徑1 mm，其主要化學(xué)成分如表1所示。

圖1 不銹鋼TIG增材光學(xué)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Optical acquisition experiment system of stainless steel TIG additive

光學(xué)采集系統(tǒng)包括光譜儀系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)，高速攝影系統(tǒng)主要包括CMOS圖像傳感器、定焦攝影鏡頭和光學(xué)元件（中性濾光片、干涉濾光片）。CMOS圖像傳感器采用Photonfocus公司的MVD1024-TrackCAM，圖像曝光時(shí)間為0.2 ms，拍攝速度為795幀/s。光譜儀系統(tǒng)包括光譜儀、凸透鏡、孔徑光闌及成像屏，光譜儀為PG2000型的光纖光譜儀，增材電弧放大2倍后在成像屏上被光纖傳輸至光譜儀。

表1 316L不銹鋼焊絲的主要成分Table 1 Main components of 316L stainless steel welding wire %

試驗(yàn)過程中采用往復(fù)沉積形式進(jìn)行墻體堆積，利用行走平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“之”字形路徑，焊接電流110 A，送絲速度100 cm/min，鎢極垂直于試樣基板，焊絲干伸長(zhǎng)20mm，送絲角度15°，弧長(zhǎng)5mm，保護(hù)氣體為純氬，氣體流量15 L/min，各層冷卻時(shí)間保持3 min不變，焊縫層數(shù)為10層。為保證良好的墻體成形，各層的焊接速度設(shè)為變量，增材構(gòu)件焊接工藝參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)主要研究了各層電弧的形態(tài)、溫度及焊縫成形尺寸。

表2 不銹鋼TIG增材構(gòu)件工藝參數(shù)Table 2 Parameters of stainless steel TIG additive components

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 增材成形形貌分析

堆積10層的墻體整體形貌如圖2所示，墻體寬度9 mm、高度15 mm、長(zhǎng)度110 mm。各層成形形貌如圖3所示，對(duì)應(yīng)的熔寬、余高關(guān)系如圖4所示。

圖2 墻體整體成形形貌Fig.2 Overall shape of wall

圖3 墻體各層成形形貌Fig.3 Shape of each layer of wall

圖4 墻體各層熔寬-余高Fig.4 Fusion width and reinforcement of each layer of wall

由圖4可知，第一層焊縫熔寬較寬（9 mm），第二層焊縫熔寬為7 mm，較第一層明顯降低，第三層熔寬約為8 mm，此后焊縫熔寬無明顯變化。究其原因，與焊縫成形的熱平衡有關(guān)。在焊接第一層時(shí)，焊縫的主要散熱途徑為基板的熱傳導(dǎo)以及與空氣的傳導(dǎo)與對(duì)流，由于金屬基板的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣，因此第一層焊縫的主要散熱方向沿著基板進(jìn)行。隨著焊接層數(shù)的增加，焊縫直接只與前一層焊縫發(fā)生冶金結(jié)合，與金屬的接觸面積明顯降低，且通過空氣散熱較慢，因此其散熱速度明顯降低，從而導(dǎo)致焊縫的成形形貌發(fā)生變化。直至第五層電弧對(duì)母材的加熱與焊縫的散熱達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，焊縫熔寬及余高基本趨于穩(wěn)定。

2.2 增材成形電弧形態(tài)分析

墻體各層電弧長(zhǎng)度分布如圖5所示，對(duì)應(yīng)的電弧形態(tài)如圖6所示。

圖5 墻體各層電弧長(zhǎng)度分布Fig.5 Arc length distribution of each layer of wall

在焊接過程中，保證鎢極下方距離工件為5mm，受試驗(yàn)系統(tǒng)限制，單數(shù)層采用后送絲方式，偶數(shù)層采用前送絲方式。由圖6可知，各單數(shù)層電弧形態(tài)與不填絲狀態(tài)的電弧較為相似，而各偶數(shù)層的電弧形態(tài)變化較大。雖然在焊接前已設(shè)置弧長(zhǎng)為4 mm，但在實(shí)際焊接過程中弧長(zhǎng)出現(xiàn)了一定的變化，第一層電弧長(zhǎng)度為3.3mm，第二層電弧長(zhǎng)度縮短為1.6mm，且奇數(shù)層電弧長(zhǎng)度逐漸降低，偶數(shù)層電弧長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，自第五層開始弧長(zhǎng)變化較小。

圖6 墻體各層電弧形態(tài)Fig.6 Arc shape of each layer of wall

這一方面與焊絲的送進(jìn)方向有關(guān)，另一方面與增材過程的熱累積有關(guān)。奇數(shù)層采用前送絲，熔化的焊絲通過熔池前端流入熔池，較易于向熔池后端流動(dòng)，電弧長(zhǎng)度較長(zhǎng)。而偶數(shù)層采用后送絲，熔化的焊絲通過熔池后端流入熔池，熔池流動(dòng)速度較前送絲減慢，流動(dòng)性降低，使得電弧弧長(zhǎng)變短。在焊接第一層時(shí)，電弧對(duì)基板加熱，使基板熔化形成熔池，熔池的動(dòng)態(tài)流動(dòng)會(huì)使電弧長(zhǎng)度發(fā)生一定變化，因此，電弧長(zhǎng)度由實(shí)驗(yàn)設(shè)定的4 mm變?yōu)?.3 mm。隨著焊接層數(shù)的增加，受到前一層熔寬的限制，熔池寬度受到影響，從而降低了熔池的流動(dòng)性，對(duì)于前送絲而言，這意味著熔化的焊絲不易流到熔池后方而堆積在熔池上方，電弧高度降低；對(duì)于后送絲而言，流動(dòng)性降低意味著焊絲不易流向熔池前部，使得電弧長(zhǎng)度增加。

2.3 增材成形電弧溫度計(jì)算

在墻體成形過程中，熱量不斷累積，利用光譜儀系統(tǒng)測(cè)量的各層電弧光譜分布如圖7所示。電弧中出現(xiàn)大量的氬譜線及金屬譜線，且各層強(qiáng)度分布出現(xiàn)變化，強(qiáng)度在第五層趨于穩(wěn)定。電弧強(qiáng)度與電弧溫度及電子數(shù)密度密切相關(guān)。根據(jù)雙線法計(jì)算出的電弧溫度分布如圖8所示。

圖7 墻體各層電弧光譜強(qiáng)度分布Fig.7 Distribution of arc spectrum intensity in each layer of wall

由圖8可知，奇數(shù)層電弧溫度逐漸降低，偶數(shù)層電弧溫度先降低后增加，且奇數(shù)層與偶數(shù)層電弧溫度逐漸趨于一致，這主要與焊縫熱量的累積有關(guān)。隨著焊縫高度的增加，其散熱條件變差，熔池溫度升高，在焊接電弧中更有利于金屬蒸汽的產(chǎn)生，而金屬蒸汽相對(duì)于氬氣更易于使電弧等離子體導(dǎo)電，因此需要維持電弧燃燒的溫度降低，而電弧與焊縫之間的熱平衡在第5層趨于穩(wěn)定，使得偶數(shù)層電弧溫度在第6層開始增加，直至與奇數(shù)層趨于一致。

圖8 溫度分布Fig.8 Temperature distribution

2.4 增材成形電弧物理特性與成形形貌關(guān)系

在316L不銹鋼增材成形過程中，焊縫每層的形貌都出現(xiàn)一定的變化，總體來講，前四層焊縫的熔寬和余高較不穩(wěn)定，在第五層后成形基本穩(wěn)定。分析電弧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，電弧至第五層后弧長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，電弧溫度較前四層的波動(dòng)減小。以上分析表明，在增材制造的成形過程中有一個(gè)達(dá)到穩(wěn)定的過程，這與增材過程中的熱累積有很大關(guān)系，在增材成形過程中，隨著堆積層數(shù)的增加，熱量不斷增加，特別是在前四層，熱量的傳導(dǎo)由主要通過基板傳導(dǎo)變化為通過下一層焊縫傳導(dǎo)，使整個(gè)熱量發(fā)生較大變化，而熱量的傳輸具有一定的慣性，因此，集中表現(xiàn)在第五層時(shí)成形比較穩(wěn)定。同時(shí)，從電弧形態(tài)及電弧溫度的分布也可知，隨著增材堆積層數(shù)的增加，電弧形態(tài)有所縮小，電弧溫度有所降低，這個(gè)過程均為熱量分布趨于穩(wěn)定的過程。

3 結(jié)論

本文分析了316L不銹鋼TIG焊增材成形的電弧物理特性，利用高速攝影獲取了增材電弧的形態(tài)，利用光譜儀獲得了增材電弧的譜線強(qiáng)度分布得出以下結(jié)論：

（1）316L不銹鋼TIG焊增材制造過程中，其墻體成形、電弧形態(tài)、電弧溫度等特征均在第五層趨于穩(wěn)定；（2）316L TIG焊增材各層的電弧形態(tài)有所差異，電弧形態(tài)呈現(xiàn)先減小再增大最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；（3）增材電弧的溫度也呈現(xiàn)先降低再趨于一致的趨勢(shì)。