電弧增材制造中鋁合金的應(yīng)力與變形的模擬

杜澤林

摘要：鋁合金在航天工業(yè)中有著重要地位，其強(qiáng)度適中，塑性好，密度低，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，且抗裂紋能力好。但在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和由其引起的焊接變形對材料的成形質(zhì)量有很大的影響，為了克服這一問題，本文通過有限元模擬的方式不同工藝參數(shù)的電弧增材制造過程進(jìn)行了計(jì)算并繪制成曲線圖進(jìn)行分析討論。研究了焊接殘余應(yīng)力及焊后變形受工藝參數(shù)影響的規(guī)律，認(rèn)為通過調(diào)整焊接熱輸入可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對殘余應(yīng)力及變形的控制。

關(guān)鍵詞：鋁合金;電弧增材制造;有限元模擬;應(yīng)力與變形

0 ?引言

航天設(shè)備的發(fā)展與高強(qiáng)度合金利用技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)。鋁合金作為強(qiáng)度高，成形效果好，耐腐蝕，成本低的優(yōu)秀合金，被大量應(yīng)用在航天科技領(lǐng)域之中。隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，其對合金材料的要求也越來越高，對構(gòu)件的成形質(zhì)量和工藝也有很高的要求。傳統(tǒng)的加工方法生產(chǎn)周期長，成本高，不易加工等諸多缺點(diǎn)限制了航空航天業(yè)的發(fā)展，對嶄新工藝的要求日益增多。近些年來，俗稱3D打印的堆積成形工藝方式增材制造（Additive Manufacture，AM）開始被應(yīng)用于各項(xiàng)科技工業(yè)領(lǐng)域，其成本低廉，節(jié)省加工材料，生產(chǎn)周期短，操作方法簡單易懂，成形過程穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)使其備受關(guān)注。增材制造技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)工藝的許多限制，可以簡便又有效率地制作造型復(fù)雜的構(gòu)件。金屬材料的增材制造包含電弧增材制造、激光增材制造和電子束増材制造三大類[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，大部分國內(nèi)外研究主要是針對激光和電子束的金屬粉基增材制造。這兩種增材制造方式雖然在多種金屬構(gòu)件的制造中取得了許多成功，但其本身卻存在著一些缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)是由其本身的工藝特點(diǎn)導(dǎo)致的。比如激光增材制造的成形很慢，生產(chǎn)效率低，且不適合生產(chǎn)部分種類的金屬材料;電子束增材制造要求真空狀態(tài)下進(jìn)行，嚴(yán)重限制了制造構(gòu)件的尺寸，且這兩種方法都使用粉基金屬原材料，其成本較高，容易受到外界污染，實(shí)際的利用率較低[2]。以上這些缺點(diǎn)和不利條件大大限制了激光和電子束增材制造的廣泛應(yīng)用。為了彌補(bǔ)上述增材制造工藝的不足，國內(nèi)外學(xué)者在焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術(shù)。這種技術(shù)沒有嚴(yán)格的外界條件要求，適用于各種成形環(huán)境和各種金屬材料，成形效率高，成形過程中需要的絲材價(jià)格低廉，便于制備，彌補(bǔ)了另外兩種增材制造工藝的不足之處[3]。近年來，這種工藝開始被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，存在大量的探索空間。

WAAM理論基礎(chǔ)最早提出是在20世紀(jì)20年代的美國，在以堆焊為基礎(chǔ)的專利上提出，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，僅僅停留在了理論階段[4]。20世紀(jì)60年代，德國的鋼鐵制造公司Kruup Thyssen采用SAW（埋弧焊）工藝，成功使用焊縫金屬制造出了大型壓力容器，該容器強(qiáng)度和韌性都滿足要求，對WAAM工藝技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推進(jìn)作用。20世紀(jì)80年代末，美國的Babcock&Wilcox公司基于PAW（等離子弧焊）與MIG混合焊方法開發(fā)出了“成形熔化”（Shape Melting）技術(shù)，并成功應(yīng)用該技術(shù)成形了不銹鋼和Ni基合金的大型構(gòu)件[5-6]。之后英國Rolls-Royce公司研究出了“三維焊接”（3D Welding）技術(shù)，成功應(yīng)用于航空工業(yè)零件的制造，在不影響構(gòu)件使用性能的前提下節(jié)省了制造航空構(gòu)件時(shí)產(chǎn)生的昂貴材料的浪費(fèi)[7]。美國南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)Kovacevic團(tuán)隊(duì)基于焊接的工藝方法完成了對金屬構(gòu)件直接成形技術(shù)的開發(fā)，Ouyang等人[8]采用變極性GTAW（鎢極氣體保護(hù)電弧焊）工藝成功堆積成形了5356鋁合金構(gòu)件。英國諾丁漢大學(xué)Spencer等人[9]搭建了由六軸龍門機(jī)器人和GMAW（熔化極氣體保護(hù)電弧焊）焊接設(shè)備組成的電弧增材制造系統(tǒng)，并成功制造了零部件。該系統(tǒng)可以控制成形溫度，可以提高成形質(zhì)量，但會(huì)降低生產(chǎn)效率。

我國在電弧增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，但國家十分重視該領(lǐng)域研究的發(fā)展。華中科技大學(xué)的張海鷗、王桂蘭等人通過建立三維數(shù)值模型的方式進(jìn)行了研究，模擬了熔覆層表面的成形質(zhì)量對電弧各項(xiàng)數(shù)值的影響[10]。大連理工大學(xué)王鵬[11]采用WAAM方法成形了鋁合金的框架類結(jié)構(gòu)試樣，通過對工藝參數(shù)的控制研究了該結(jié)構(gòu)表面的成形形貌和力學(xué)性能并分析了其影響。2015年，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提出“中國制造2025”，把增材制造技術(shù)納入制造業(yè)創(chuàng)新建設(shè)工程，可見國家對該技術(shù)領(lǐng)域的重視程度[12]。

目前該領(lǐng)域中對成形構(gòu)件中溫度場和應(yīng)力場的相關(guān)研究數(shù)量較少，而構(gòu)件的殘余應(yīng)力大小對其在工業(yè)科技領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用用重要影響，該方面的分析和研究顯得日益重要。

1 ?實(shí)驗(yàn)方法

本次電弧增材實(shí)驗(yàn)采用福尼斯（Fronius）公司生產(chǎn)的冷金屬過渡（Cold metal transfer，CMT）焊機(jī)，CMT技術(shù)具有無飛濺、熱輸入低、成形好等特點(diǎn)。焊絲采用航天用5B06鋁合金焊絲，焊絲直徑1.2mm，焊絲成分如表1所示。

基板尺寸為200mm×200mm×4.5mm，材料型號為5A06，其成分如表2所示。

焊槍的運(yùn)動(dòng)距離（即沉積層長度）為130mm，焊槍的移動(dòng)速度即焊接速度為400m/min，成形電流80A，保護(hù)氣體選用純氬氣（Ar，純度99%），氣體流量20L/min，焊槍與平臺之間的夾角為90°，層間停留時(shí)間80s，焊槍每層提升高度2mm，采用往復(fù)堆積的方式，堆積10層。

開始實(shí)驗(yàn)之前，先要對基板和焊絲進(jìn)行烘干處理，如果有殘留水分，很可能會(huì)使鋁合金構(gòu)件產(chǎn)生氣孔，還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的層間氧化現(xiàn)象?；暹€要使用砂紙打磨，去掉表面的氧化層，再用夾具把基板固定在實(shí)驗(yàn)平臺上。電弧模式選擇普通CMT，根據(jù)選定的焊接參數(shù)進(jìn)行單道多層成形實(shí)驗(yàn)。增材實(shí)驗(yàn)得到的薄壁試樣的宏觀形貌和切面形狀如圖1所示。

2 ?有限元模型的建立

有限元法，是指利用數(shù)學(xué)中近似的方法去解決物理上的問題，用簡單的問題代替復(fù)雜的問題，用有限代替無限，從而實(shí)現(xiàn)對原本不可解的問題進(jìn)行求解。有限元法主要分為對象的離散化、計(jì)算求解和處理計(jì)算結(jié)果三個(gè)步驟，離散時(shí)分割的單元數(shù)越多，單元越小，則計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，更接近實(shí)際情況。

在進(jìn)行有限元模擬之前，先根據(jù)增材實(shí)驗(yàn)得到的薄壁試樣尺寸來建立三維模型。薄壁試樣長130mm，寬度6mm，高25mm，熔覆10層，每層平均2.5mm。在劃分網(wǎng)格時(shí)，為了在不影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，把薄壁試樣及其附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分得較多而小，離薄壁試樣較遠(yuǎn)的區(qū)域的網(wǎng)格較大，如圖2所示。設(shè)置完成后共有三維單元總數(shù)為26720個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為43875個(gè)。

在本次模擬方案中，首先設(shè)置成形電流I為變量，保持其他工藝參數(shù)及成形環(huán)境不變，通過對三組不同電流情況下的增材制造過程模擬來討論工藝參數(shù)對薄壁構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形的影響。在保持其他參數(shù)不變的情況下，成形電流分別選擇70A、80A、90A組成三組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。然后保持成形電流不變，選取400mm/min、450mm/min、500m/min三個(gè)焊接速度組成共五組參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，從多維度分析工藝參數(shù)和變形及應(yīng)力間的關(guān)系。跟蹤點(diǎn)設(shè)置在最后一層熔覆層的中點(diǎn)處。

3 ?模擬的結(jié)果與分析

焊接熱力性能的分析是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，要推斷出構(gòu)件在焊接過程中的溫度分布和焊接力學(xué)行為十分困難。焊接過程中焊縫上的某一點(diǎn)會(huì)隨著熱源的移動(dòng)而急速的升溫和降溫，在這種快速的溫度變化下，溫度場的分布將會(huì)很不均勻，而分布不均勻的溫度場正是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力及變形的重要因素之一。因此，在研究應(yīng)力與變形之前，對溫度場的研究有著重要的意義。

3.1 溫度場的研究

如圖3為第一層、第五層和第九層熔覆層上表面中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。從圖3中可以看出，每層熔覆層都經(jīng)歷了多次熱循環(huán)，每層經(jīng)歷第一次熱循環(huán)時(shí)的溫度最高，隨著堆積層增高，熱源距離該層越來越遠(yuǎn)，該層的溫度峰值不斷下降。各層第一次熱循環(huán)的峰值溫度隨著層數(shù)的升高而不斷升高，主要是因?yàn)槿鄹采弦粚又鬁囟葲]有完全冷卻，形成熱累積，而對比第一層到第五層和第五層到第九層的溫度峰值差距可以發(fā)現(xiàn)這一趨勢隨著堆積的進(jìn)行而趨于平緩。

如圖4為增材制造過程中熔覆第五層時(shí)的溫度場云圖。圖4表示，在焊接起弧端，由于焊接熱源的加載，焊接焊件溫度由常溫開始快速升溫，基于焊接熱源的不斷輸入，焊件溫度將持續(xù)升高，當(dāng)焊接溫度達(dá)到一定程度時(shí)，焊接熱與焊接熱力保持平衡，所堆積薄壁構(gòu)件的焊接溫度保持穩(wěn)定。剛?cè)鄹膊糠忠约盁嵩催\(yùn)動(dòng)方向前方部分的等溫色帶分布最密集，表示此時(shí)的溫度梯度最大，熱源移動(dòng)方向相反方向的區(qū)域正在冷卻中，其等溫色帶分布較為稀疏，隨著與熱源中心距離的不斷增加，熱源后方區(qū)域的溫度急劇下降。如此不均勻的溫度場分布將會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力及應(yīng)變的產(chǎn)生。

3.2 Z軸方向上的變形情況

完成以上五組參數(shù)的模擬計(jì)算后，獲得了大量相關(guān)數(shù)據(jù)，為了更加簡明扼要地反映出變形和應(yīng)力的情況，已知電弧增材制造薄壁構(gòu)件變形的主要方向?yàn)樨Q直方向即Z軸方向，殘余應(yīng)力的主要方向?yàn)榭v向即X軸方向的殘余應(yīng)力，所以本次模擬分別考慮這兩個(gè)方向上的變形和應(yīng)力狀況。

成形過程中的構(gòu)件變形過程是十分復(fù)雜的，討論成形過程中的變形量十分困難且意義不大，所以在討論變形量時(shí)只討論成形完成并冷卻一段時(shí)間后已經(jīng)穩(wěn)定的變形量。如圖5為完成堆積后以成形電流為變量的三組參數(shù)下跟蹤點(diǎn)在Z軸方向上的位移情況對比圖，跟蹤點(diǎn)的位移可以反映出該點(diǎn)處的變形情況。由圖5中可以看出，在本次模擬選取的參數(shù)范圍內(nèi)，其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著成形電流的增大，其變形量也隨之增大。

如圖6為以焊接速度為變量的三組參數(shù)下跟蹤點(diǎn)在Z軸方向上的變形量對比圖。從圖中可以看出，在本次模擬選取的參數(shù)范圍內(nèi)，保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，焊接速度增大，變形量也隨著增大。但通過對比圖5和圖6的縱坐標(biāo)可以看出，相對于成形電流對變形量的影響，焊接速度對變形量的影響非常小，雖然表現(xiàn)出上升趨勢，但最大一組的數(shù)值和最小一組的數(shù)值相差只有0.01mm。分析認(rèn)為焊接速度的大小可能并不是影響構(gòu)件豎直方向上變形的主要因素之一，考慮到本次模擬選取的參數(shù)組數(shù)并不多，得到的規(guī)律不一定具有普遍性。

3.3 X軸方向上的殘余應(yīng)力

與變形量一樣，在成形過程中應(yīng)力的變化過程十分復(fù)雜且意義不大，所以本次模擬只討論跟蹤點(diǎn)處殘余應(yīng)力的情況，堆積完成后使構(gòu)件充分冷卻1000s之后溫度回到室溫且應(yīng)力曲線平穩(wěn)，可以認(rèn)為此時(shí)的該點(diǎn)的縱向應(yīng)力即為薄壁試樣上的縱向殘余應(yīng)力。

如圖7為電流為變量的三組參數(shù)下跟蹤點(diǎn)處在X軸方向上的殘余應(yīng)力對比圖。從圖中可以看出，在本次模擬選取的參數(shù)范圍內(nèi)，保持其他參數(shù)不變的情況下，X方向的殘余應(yīng)力大小并沒有和成形電流的變化成正比或反比，當(dāng)電流為70A時(shí)殘余應(yīng)力最大，電流為80A時(shí)殘余應(yīng)力最小，而當(dāng)電流繼續(xù)提高至90A時(shí)殘余應(yīng)力反而增大?？紤]成形電流會(huì)對殘余應(yīng)力的大小產(chǎn)生影響，但至少在本次模擬選取的參數(shù)范圍內(nèi)不能發(fā)現(xiàn)其影響規(guī)律，認(rèn)為電流的大小可能并不是決定縱向殘余應(yīng)力大小的決定性因素。

以焊接速度為唯一變量的縱向殘余應(yīng)力對比如圖8所示。從圖中可以看出，在本次模擬選取的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著焊接速度的增大，該點(diǎn)處的殘余應(yīng)力逐漸減小，呈下降趨勢。焊接速度為400mm/min時(shí)殘余應(yīng)力最大，約為139.1MPa，焊接速度上升至450mm/min時(shí)殘余應(yīng)力下降至138.7MPa，焊接速度上升到500m/min時(shí)，殘余應(yīng)力下降至約137.9MPa。分析認(rèn)為，焊接速度可能是影響薄壁成形試樣內(nèi)部縱向殘余應(yīng)力的因素之一，提高焊接速度有助于減小焊后的縱向殘余應(yīng)力，但對比圖7發(fā)現(xiàn)調(diào)整焊接速度對殘余應(yīng)力的影響不大，在焊接速度提高了100mm/min的情況下，殘余應(yīng)力也只是下降了1-2MPa左右，說明雖然焊接速度確實(shí)能在一定程度上完成對殘余應(yīng)力的控制，但其控制力度是十分有限的。

3.4 綜合分析

通過對比圖5-圖8，分析認(rèn)為對于Z軸方向的焊后變形量來說，成形電流為其主要影響因素之一，電流越大，其變形量越大。而對于X軸方向的殘余應(yīng)力大小來說，焊接速度是其影響因素之一，表現(xiàn)為焊接速度提高時(shí)，殘余應(yīng)力下降。綜合考慮以上因素發(fā)現(xiàn)，為了控制焊后變形量及殘余應(yīng)力的大小，應(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)降低成形電流，提高焊接速度，雖然根據(jù)圖4來看，提高焊接速度可能會(huì)導(dǎo)致變形量增大，但其影響數(shù)值十分微小，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，要根據(jù)生產(chǎn)構(gòu)件的使用要求，權(quán)衡尺寸精度和內(nèi)部殘余應(yīng)力的重要性，綜合多方面因素考慮，設(shè)計(jì)合理的工藝參數(shù)。而無論是降低電流還是提高焊接速度都會(huì)導(dǎo)致熱輸入下降，所以概括起來認(rèn)為適當(dāng)?shù)亟档蜔彷斎肓靠梢栽谝欢ǔ潭壬线_(dá)到控制和減小殘余應(yīng)力與變形的目的。

4 ?結(jié)論

首先使用冷金屬過渡技術(shù)進(jìn)行了5B06鋁合金的電弧增材實(shí)驗(yàn)，得到了成形效果較好的薄壁構(gòu)件，測量構(gòu)件的各項(xiàng)尺寸后，按照實(shí)際尺寸建立了構(gòu)件的3D有限元模型并劃分了網(wǎng)格。然后分別以成形電流和焊接速度為唯一變量設(shè)計(jì)了5組工藝參數(shù)，以這5組參數(shù)分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出后繪制成線圖進(jìn)行對比分析，得到結(jié)論如下：

①在本次模擬所選參數(shù)范圍內(nèi)，保持其他參數(shù)不變的情況下，增大成形電流，跟蹤點(diǎn)部分的構(gòu)件在Z軸方向上的變形也增大，且X軸方向上的縱向殘余應(yīng)力不和電流呈函數(shù)關(guān)系。所以如果想要減小焊后的豎直方向變形量，應(yīng)選取較小的成形電流。

②保持其他參數(shù)不變，提高焊接速度，則跟蹤點(diǎn)位置的構(gòu)件在Z軸上的變形有些許增大，且X軸方向上的縱向殘余應(yīng)力呈下降趨勢，但下降也不明顯，綜合考慮，焊接速度雖然對豎直方向變形和構(gòu)件縱向應(yīng)力都有影響，且其影響都不是很大。

③綜合以上結(jié)果考慮，由于減小電流和提高焊接速度都是降低熱輸入的方式，且可以一定程度上減小焊后變形量和縱向殘余應(yīng)力的大小，所以分析認(rèn)為熱輸入可能是影響鋁合金增材制造的應(yīng)力與變形的關(guān)鍵因素之一。

本次模擬選擇的參數(shù)組數(shù)有限，只能在一定范圍內(nèi)觀察分析應(yīng)力與變形變化的規(guī)律，該領(lǐng)域的應(yīng)力與變形方面的問題在本次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上仍然有很多的探索空間。

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