30CrMnSiA金屬粉芯型藥芯焊絲熔滴過渡分析與電弧增材研究

趙慧慧 高旭 王貫盈 劉英 梁志敏

摘 要：為探究金屬粉芯型藥芯焊絲電弧增材加工的可行性，采用30CrMnSiA高強(qiáng)鋼粉芯型藥芯焊絲，結(jié)合高速攝像與電信號(hào)同步采集系統(tǒng)，分析焊絲在脈沖熔化極氣體保護(hù)焊工藝下的熔滴過渡特點(diǎn)和電弧穩(wěn)定性，在確定的工藝參數(shù)下，探討脈沖工藝WAAM對(duì)高強(qiáng)鋼藥芯焊絲沉積件成形性、組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，高強(qiáng)鋼藥芯焊絲熔滴過渡類型為多脈一滴的非軸向小滴短路過渡;沉積件橫向和縱向力學(xué)性能存在差異，橫向強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于縱向;沉積件橫向和縱向斷口存在大量韌窩，均呈現(xiàn)微孔聚集型韌性斷裂，且縱向斷口韌窩尺寸明顯大于橫向。因此，將金屬粉芯型藥芯焊絲應(yīng)用于增材加工領(lǐng)域，其性能滿足使用要求，可獲得組織和力學(xué)性能優(yōu)異的沉積件。研究結(jié)果可為提高金屬粉芯型藥芯焊絲的增材加工效率、改善增材加工性能提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：金屬材料;金屬粉芯型藥芯焊絲;高強(qiáng)鋼;電弧熔絲增材制造;熔滴過渡;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG455?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx05009

收稿日期：2021-07-07;修回日期：2021-08-15;責(zé)任編輯：張士瑩

基金項(xiàng)目：上海市人才發(fā)展資金項(xiàng)目（2020038）;國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2017205A002）;河北省自然科學(xué)基金（E2021208005）;河北省省級(jí)科技計(jì)劃資助（20351801D）

第一作者簡(jiǎn)介：趙慧慧（1984—），女，遼寧丹東人，高級(jí)工程師，博士，主要從事攪拌摩擦焊、增材制造數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化和組織性能等方面的研究。

通訊作者：劉 英博士。E-mail：371468939@qq.com

Research on droplet transfer and wire arc additive manufacturing of 30CrMnSiA metal powder-cored welding wire

ZHAO Huihui1，GAO Xu2，WANG Guanying2，LIU Ying2，3，LIANG Zhimin2，3

（1.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Company Limited，Shanghai 200245，China;2.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;3.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to explore the feasibility of arc additive processing of metal powder-cored welding wire，30CrMnSiA high-strength steel powder-cored wire was adopted，combined with high-speed camera and electric signal synchronous acquisition system，to analyze the droplet transfer characteristics and arc stability of the wire under pulse melting and gas shielded welding process.Under certain process parameters，the influence of pulse process WAAM on formability，microstructure and mechanical properties of deposited parts of high-strength steel powder-cored wire was discussed.The experimental results show that the droplet transfer type of high-strength steel powder-cored welding wire is a short circuit transition with non-axial droplet and multiple pulses one drop;the transverse and longitudinal mechanical properties of the deposited part are different;both the strength and toughness along with transverse are better than that of longitudinal direction;there are a large number of dimples on the transverse and longitudinal fractures of the deposited parts，which suggest that the fracture modes are both micropore aggregation plastic fracture，and the size of dimples on the longitudinal fracture is significantly larger than that in the transverse fracture.Therefore，when the metal powder-cored wire is applied to the field of additive processing，its performance meets the application requirements，and the deposited parts with excellent microstructure and mechanical properties can be obtained.The research results provide reference for improving the additive processing efficiency and performance of the metal powder-cored wire.

Keywords：

metallic materials;metal powder-cored welding wire;high strength steel;wire and arc additive manufacturing;droplet transfer;mechanical property

高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、石油管道、海洋平臺(tái)、航空航天等領(lǐng)域，焊接結(jié)構(gòu)（零件）生產(chǎn)中開發(fā)相匹配的等強(qiáng)韌焊接材料具有重要意義[1]。金屬粉芯型藥芯焊絲由薄鋼帶包裹金屬粉劑組成，焊絲成分易調(diào)節(jié)，焊接過程中電流主要在焊絲表面流過，相比實(shí)心焊絲，金屬粉芯型藥芯焊絲熔敷效率高、熔渣少、焊縫成形美觀，尤其適用于高強(qiáng)鋼的焊接[2]。電弧熔絲增材制造技術(shù)（WAAM）作為一種效率高、材料利用率高、設(shè)備成本低的快速成形技術(shù)，廣泛用于鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼等金屬零件的制造[3-5]。吳成成等[6]針對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊絲采用GMAW工藝開展了熱輸入對(duì)增材組織及力學(xué)性能的影響，得出組織和力學(xué)性能隨熱輸入的變化規(guī)律。郭純等[7]針對(duì)船用高強(qiáng)鋼焊絲采用CMT工藝開展了電弧增材制造工藝制備船用結(jié)構(gòu)件的可行性研究，成形、組織及性能均滿足使用要求。

為達(dá)到高效快速增材成形的目的，獲得組織和力學(xué)性能優(yōu)異的沉積件，本文采用脈沖MIG工藝對(duì)30CrMnSiA金屬粉芯型藥芯焊絲進(jìn)行電弧增材試驗(yàn)，由于熔滴過渡行為能精確反映焊接過程中的穩(wěn)定性，因此先進(jìn)行單道單層堆焊試驗(yàn)，通過高速攝像與電信號(hào)同步采集系統(tǒng)，分析藥芯高強(qiáng)鋼焊絲的熔滴過渡行為。采用確定的工藝參數(shù)進(jìn)行單道多層單壁墻電弧增材試驗(yàn)，對(duì)增材沉積件進(jìn)行金相組織觀察試驗(yàn)和顯微硬度分析，測(cè)試沉積層橫向和縱向的力學(xué)性能，結(jié)合掃描電子顯微鏡，分析拉伸斷口的形貌特征。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用的電弧增材系統(tǒng)由FANUC機(jī)器人和Fronius CMT Advanced 4000R型焊機(jī)組成。試驗(yàn)基板選用30CrMnSiA高強(qiáng)鋼板材，幾何尺寸為300 mm×150 mm×5 mm，焊絲選用直徑為1.2 mm的30CrMnSiA金屬粉芯高強(qiáng)鋼焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，流量為20 L/min。電弧增材工藝采用脈沖熔化極氣體保護(hù)焊，焊槍角度垂直于焊縫，焊絲干伸長(zhǎng)10 mm，焊接速度為8 mm/s，焊槍每層抬高高度為1.5 mm，層間等待時(shí)間為60 s。增材成形后將試件與基板分離，采用銑床加工試件表面，然后進(jìn)行硬度、拉伸和微觀組織取樣分析。增材過程中焊接工藝參數(shù)如表2所示。在單道單層沉積試驗(yàn)中，采用同步采集系統(tǒng)記錄焊接過程中的熔滴過渡和電流電壓，圖1為高速攝像和電信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖，設(shè)定高速攝像的拍攝速度為2 000幀/s。

單道單層沉積試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)堆焊過程熔滴過渡行為進(jìn)行分析。根據(jù)熔滴過渡穩(wěn)定性，選定較好的工藝參數(shù)后再進(jìn)行單道多層電弧增材試驗(yàn)，成形件尺寸約為200 mm×120 mm×7 mm。將增材后的成形件與基板分離，采用銑床對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)加工。使用線切割沿垂直方向切割試樣獲得金相試樣，再經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后對(duì)沉積層顯微組織進(jìn)行分析，采用顯微硬度儀進(jìn)行硬度測(cè)定。由于成形件為薄壁結(jié)構(gòu)，

因此根據(jù)ASTM E8/E8M-21[8]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)拉伸試樣尺寸，拉伸試樣形貌和尺寸如圖2所示。本次試驗(yàn)中，金相試樣和拉伸試樣取樣方案如圖3所示，其中拉伸試樣分別沿平行和垂直于增材方向取樣。拉伸斷口采用TESCAN VEGA3掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 熔滴過渡穩(wěn)定性

圖4為在脈沖熔化極氣體保護(hù)焊所選定工藝參數(shù)下進(jìn)行單道單層試驗(yàn)過程中的熔滴過渡圖像與對(duì)應(yīng)的電流電壓波形圖，圖中為完成一次完整的熔滴過渡過程。

其中：圖4 b時(shí)刻在焊絲端部開始形成熔滴;圖4 d時(shí)刻，隨著脈沖峰值電流的到來，電弧呈現(xiàn)“鐘罩狀”，由于粉芯藥芯焊絲熔融金屬黏度較大，因而熔滴表面張力大[9]，在脈沖峰值電流下熔滴并未脫落，而是在峰值電流的加熱作用下，熔滴體積增大，尺寸略大于焊絲直徑;

圖4 e—圖4 g時(shí)刻，熔滴逐漸長(zhǎng)大，電弧轉(zhuǎn)移至熔滴下方，在電弧力作用下熔滴偏離焊絲軸向;圖4 h—圖4 i時(shí)刻，隨著新一輪脈沖峰值電流的到來，在峰值電流加熱作用下，熔融金屬流動(dòng)性增加，電弧上爬值熔滴上方包裹住熔滴，熔滴產(chǎn)生縮頸;圖4 j時(shí)刻電壓迅速降低，熔滴脫離電弧包裹向熔池過渡;圖4 k時(shí)刻，熔滴與熔池發(fā)生短路接觸，電流因短路過渡呈現(xiàn)明顯增大，熔滴脫離焊絲端部，過渡到熔池，完成一個(gè)完整的熔滴過渡過程。隨著2次脈沖電壓的到來，整個(gè)過程電弧體積呈現(xiàn)周期性變化。在第1個(gè)脈沖峰值電流作用下，電弧包裹熔滴，熔滴長(zhǎng)大，而后電弧轉(zhuǎn)移至熔滴下方，熔滴偏離焊絲軸向;在第2次脈沖峰值電流作用下，熔滴流動(dòng)性增加，加速向熔池過渡，與熔池接觸后發(fā)生短路過渡，形成一次完整的熔滴過渡。從圖4可以看出，整個(gè)過程熔滴過渡穩(wěn)定性較好，經(jīng)過2次脈沖形成一次熔滴過渡。該工藝下，熔滴過渡模式為多脈一滴的非軸向小滴短路過渡。另外，焊接過程中伴隨有少量煙塵和飛濺[9-11]，應(yīng)采取相應(yīng)措施，做好防護(hù)。

2.2 單道多層沉積件成形形貌

增材過程示意圖如圖5所示。由圖5可知，增材過程中電弧連續(xù)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，沉積層未出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。增材后單道多層成形件形貌如圖6 a）所示，從試樣圖片可以看出，采用WAAM脈沖工藝沉積形成的試樣整體成形良好，沉積層表面粗糙度較小，僅出現(xiàn)少量瘤狀凸起現(xiàn)象，這與焊槍行走速度較快、熔池下方支撐變薄有關(guān)。在電弧熱作用下沉積層被重熔，造成熔池增大，液態(tài)金屬在表面張力作用下發(fā)生收縮，冷卻凝固后形成瘤狀凸起[12-14] 。采用銑床雙面加工后單道多層成形件如圖6 b）所示。

2.3 單道多層沉積件微觀組織

對(duì)電弧增材成形件不同區(qū)域進(jìn)行微觀組織分析，圖7為沉積層不同區(qū)域金相微觀組織圖像。

從圖7可以看出，沉積層組織致密，冶金結(jié)合良好。不同區(qū)域金相組織主要由粒狀貝氏體（GB）、針狀鐵素體（AF）和M-A組元組成。焊絲粉芯中含有鉻、錳、硅、鎳等元素，可以抑制共析鐵素體的形成，促進(jìn)針狀鐵素體的形成和細(xì)化[15-16] 。隨著沉積層數(shù)的增加，在電弧高溫作用下，沉積層受焊接熱循環(huán)的影響，底部區(qū)域溫度被加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度之上。由于底部沉積區(qū)與基板連接，冷卻速度較快，因而冷卻后形成粒狀貝氏體，并伴隨M-A組元的產(chǎn)生。

同時(shí)，底部區(qū)域受基板影響，散熱較快，晶胞外延生長(zhǎng)造成硅元素在晶間的偏析，還會(huì)促進(jìn)無碳化物貝氏體（CFB）的形成[15-16]。

如圖7所示，沉積層頂部區(qū)域由粒狀貝氏體、針狀鐵素體和M-A組元組成，中部區(qū)域由粒狀貝氏體、針狀鐵素體和M-A組元組成，底部區(qū)域由粒狀貝氏體、針狀鐵素體、無碳化物貝氏體（CFB）和M-A組元組成。沉積層不同區(qū)域顯微組織的差異造成了試樣不同區(qū)域力學(xué)性能的差異。從高倍金相顯微組織（見圖7 d）和圖7 e））可以看出，沉積層中存在少量氣孔和夾雜等缺陷。

2.4 單道多層沉積件硬度

圖8為沉積層不同區(qū)域硬度測(cè)試結(jié)果。由圖8可知，底部區(qū)域硬度最高，硬度平均值為297.8 HV;中部區(qū)域硬度次之，硬度平均值為275.7HV;頂部區(qū)域硬度最小，平均值為256.2 HV。底部區(qū)域和頂部區(qū)域硬度值相差較大，底部較頂部硬度值高。這是由于，底部區(qū)域受上層沉積過程中熱循環(huán)的影響，溫度達(dá)到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，且底部區(qū)域與基板連接，受基板影響散熱較快，導(dǎo)致冷卻速度較快，發(fā)生相變過程中形成的貝氏體數(shù)量增多[17-19]。此外，冷卻較快，使得底部區(qū)域晶粒尺寸較小，造成底部區(qū)域硬度值較大。隨著沉積過程的進(jìn)行，熱輸入逐漸積累，越靠近沉積層上部，熱積累越大，冷卻速度越慢，形成的貝氏體數(shù)量越少，硬度也隨之減小。

2.5 單道多層沉積件拉伸結(jié)果

圖9為橫向和縱向試樣拉伸斷裂后斷口和試樣的宏觀形貌，電弧增材沉積試樣拉伸性能測(cè)試結(jié)果見圖10。

從圖9可以看出，2組試樣拉伸斷口與拉伸方向均呈45°夾角，且斷口處呈現(xiàn)明顯的頸縮，表明試樣塑性較好。由圖10可知，試樣橫向平均抗拉強(qiáng)度為786.7 MPa，屈服強(qiáng)度為591.3 MPa，斷口延伸率為25.3%;試樣縱向平均抗拉強(qiáng)度為669.0 MPa，屈服強(qiáng)度為477.7 MPa，斷口延伸率為10.3%。從拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，橫向和縱向試樣的力學(xué)性能相差較大，橫向試樣強(qiáng)度和韌性明顯好于縱向。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，試樣縱向拉伸力學(xué)性能均一性較好，說明各沉積層之間冶金結(jié)合良好，而橫向試樣力學(xué)性能波動(dòng)較大。結(jié)合金相組織和硬度測(cè)試結(jié)果表明，各沉積層間微觀組織不均勻，

說明電弧增材沉積過程中的熱循環(huán)造成沉積層沿高度方向呈現(xiàn)組織和性能的不均一[20-23]。

圖11為電弧增材試樣拉伸斷口SEM微觀組織圖像。由圖11 a-1）和圖11 b-1）可以看出，高強(qiáng)鋼電弧增材沉積試樣拉伸斷口均呈明顯的韌窩特征，韌窩大小和尺寸分布均勻，說明在該工藝參數(shù)下沉積件橫向和縱向斷裂均為微孔聚集型韌性斷裂。從斷口放大圖（見圖11 a-2）和圖11 b-2） ）可以看出，縱向斷口韌窩尺寸略大于橫向斷口，說明高強(qiáng)鋼電弧增材沉積試樣沿縱向力學(xué)性能稍差。圖11 c）為縱向試樣拉伸斷口缺陷處的形貌組織，可以看出，該斷面上存在氣孔，尺寸約為10 mm，且在韌窩處存在尺寸較大的第二相粒子。

第二相粒子的尺寸與所處韌窩的大小有關(guān)，圖中第二相粒子的尺寸多為微米級(jí)，在拉伸時(shí)，尺寸較大的第二相粒子會(huì)與基體發(fā)生分離，產(chǎn)生空穴，破壞材料的連續(xù)性，使得抗拉強(qiáng)度和塑性減小，同時(shí)氣孔的存在降低了沉積件的力學(xué)性能。因此，高強(qiáng)鋼電弧增材試樣縱向力學(xué)性能明顯低于橫向[6，16，22-23]。

3 結(jié) 論

與實(shí)芯焊絲相比，金屬粉芯型藥芯高強(qiáng)鋼焊絲熔敷率高，成分調(diào)控簡(jiǎn)單，合金元素過渡系數(shù)高，非常適合低合金高強(qiáng)鋼的焊接。本文采用高速攝像與電信號(hào)同步采集分析系統(tǒng)，分析了金屬粉芯型藥芯高強(qiáng)鋼焊絲在脈沖熔化極氣體保護(hù)焊工藝下的熔滴過渡特點(diǎn)，并對(duì)其電弧增材沉積件的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1）在一定的脈沖工藝條件下，30CrMnSiA金屬粉芯焊絲熔滴直徑較小，熔滴過渡模式為多脈一滴的非軸向小滴短路過渡，熔滴過渡過程穩(wěn)定，伴隨少量煙塵和飛濺。

2）30CrMnSiA金屬粉芯焊絲電弧增材單道多層沉積件成形較好，各區(qū)域微觀組織致密，主要由粒狀貝氏體和針狀鐵素體組成，底部區(qū)域粒狀貝氏體數(shù)量較多，硬度較大。

3）30CrMnSiA電弧增材沉積件拉伸斷口均呈現(xiàn)韌窩聚集型塑性斷裂，且橫向試樣拉伸性能明顯優(yōu)于縱向。 根據(jù)金屬粉芯型藥芯高強(qiáng)鋼電弧增材沉積試驗(yàn)及拉伸斷口試驗(yàn)結(jié)果可知，降低藥芯高強(qiáng)鋼電弧增材過程中的氣孔和夾雜，優(yōu)化沉積層組織以獲得沿高度方向性能均一的沉積件，將是下一步藥芯高強(qiáng)鋼電弧增材研究的重要方向。

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