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)是近年來發(fā)展起來的新型制造技術(shù)，能夠大大提高制造過程的柔性，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[3，4]，成為近年來國內(nèi)外學者的研究熱點之一[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渡模式，實現(xiàn)對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]，同時也避免了熔化極焊接電弧熱源增材時電流與送絲速度匹配無法獨立調(diào)節(jié)的問題[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)可以獨立調(diào)節(jié)、可控性好、成型精度高等優(yōu)點。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。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)，將促進我國裝備維修領(lǐng)域先進制造技術(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 鋼板為基體進行電弧增材制造，并對該過程的溫度分布特性進行研究，包括主路電流、旁路電流、增材速度以及層間溫度等對旁路分流等離子電弧增材溫度場的影響。

2 旁路分流電弧熱源增材制造過程測溫實驗方法

旁路分流電弧熱源增材制造修復系統(tǒng)主要由焊接機器人、工作臺、全數(shù)字化脈沖等離子弧焊機、旁路分流模塊及控制系統(tǒng)、等離子弧焊槍、送絲機、保護氣等部分組成。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)進行旁路分流等離子電弧增材試驗，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，保護氣流量13.5L/min，等離子保護氣體流量為0.3L/min。為了對旁路分流等離子電弧熱源增材制造修復過程溫度分布特性開展研究，采用FLIR SC660 型紅外熱像儀記錄增材過程的溫度場。紅外熱像儀與焊件成45°于斜上方拍攝。紅外熱像所測溫度場圖像和曲線都采用同一輻射率0.6 設置。

表1 焊絲化學成分 ( 質(zhì)量分數(shù)，%)

3 增材工藝參數(shù)對工件溫度分布的影響

3.1 等離子增材過程溫度分布特性分析

圖1 熔覆層正面溫度場圖像

圖1所示為旁路分流電弧熱源增材制造修復過程實測熔覆層及工件溫度場分布，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，在等離子電弧周圍溫度分布非常高，等離子電弧溫度局部甚至能達到16000℃以上，受限于紅外攝像儀設備的測溫范圍限制，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)后端受保護氣體冷卻，溫度梯度最大。B 區(qū)為受冷卻保護氣體影響，溫度急劇下降，在B 區(qū)達到局部最低，由于保護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越遠，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)呈近對稱分布特征。

3.2 主路電流對工件溫度分布的影響

研究主路電流變化對焊接溫度場的影響。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分布

3.3 旁路電流對工件溫度分布的影響

研究旁路電流變化對焊接溫度場的影響。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分布

3.4 增材速度對工件溫度分布的影響

研究增材速度變化對焊接溫度場的影響。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 層間溫度對工件溫度分布的影響

研究層間溫度變化對焊接溫度場的影響。從母材往上堆三層，將母材預熱至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，當層間溫度為100℃時，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，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，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，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?？梢钥闯?，不同層間溫度時，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，熔池冷卻時間增長，晶粒二次長大較為明顯，晶粒相對粗大，同時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

a.旁路分流等離子弧增材制造過程中，熔覆層電弧熔池處溫度最高，后方由于保護氣的降溫作用，后方溫度先降后升；熔覆層兩側(cè)溫度分布呈近對稱形態(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，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，熔池冷卻時間增長，晶粒二次長大較為明顯，晶粒相對粗大，同時珠光體含量隨之減小。