基于Workbench的316L不銹鋼增材制造溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

劉昊程 呂彥明 黃強(qiáng) 俞家豪

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122）

電弧增材制造（wire are additive manufacturing,WAAM）技術(shù)是金屬增材制造的一種，其根據(jù)離散-堆積制造的成形思路，利用電弧將焊絲熔化，由線-面-體逐層堆積成形[1-2]。針對(duì)電弧增材成形過(guò)程劇烈和迅速的溫度演變的研究，主要集中在成形路徑[3]、工藝參數(shù)[4-5]等對(duì)成形件組織性能的影響[6-7]與成形形貌調(diào)控[8-9]方面。由于電弧的高溫會(huì)給成形件帶來(lái)熱應(yīng)力及成形缺陷[10]，為減少缺陷生成，提高成形質(zhì)量，僅通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究效率低下，因此越來(lái)越多的學(xué)者選擇數(shù)值模擬的方法對(duì)增材成形的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究[11-13]。包括Y309L不銹鋼[14]、ER308不銹鋼[15]在內(nèi)，以往都有學(xué)者利用有限元分析軟件對(duì)其增材過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，但對(duì)于316L不銹鋼的多層累積成形過(guò)程溫度場(chǎng)的研究較少，且成形熱積累效應(yīng)的緩解方法較為有限。

本文利用Ansys Workbench軟件模擬316L不銹鋼增材過(guò)程溫度場(chǎng)，得到固定熱輸入與變輸入條件下的成形過(guò)程溫度場(chǎng)結(jié)果。通過(guò)Apdl命令流實(shí)現(xiàn)模擬熱源的移動(dòng)加載與焊道生成，實(shí)現(xiàn)了增材制造過(guò)程溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真，為優(yōu)化電弧增材制造成形策略奠定了基礎(chǔ)。

1 電弧增材制造溫度特性理論

增材制造熱過(guò)程的熱量分布高度集中，且高能熱源時(shí)刻都在移動(dòng)，增材后的部分隨即冷卻，因此增材過(guò)程溫度具有瞬時(shí)性、高度集中性和溫度梯度大的特點(diǎn)。電弧增材過(guò)程中電弧帶來(lái)的高溫是主要熱源，熱量傳播貫穿于 TIG 增材制造的整個(gè)階段，熱量既在熔覆層之間以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳播，又在表面和端部以對(duì)流和輻射的方式與成形環(huán)境自發(fā)進(jìn)行。

2 建立有限元模型

2.1 模型建立與材料賦予

實(shí)驗(yàn)采用非熔化極惰性氣體保護(hù)焊——TIG電弧增材制造技術(shù)，基于松下YC-315TC氬弧焊機(jī)、FANUC LR Mate200iD機(jī)器人、VMC600加工中心、WF007A 送絲機(jī)和保護(hù)器裝置等設(shè)備搭建增材系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)組成如圖1所示。實(shí)驗(yàn)基板尺寸為150 mm×100 mm×12 mm，成形件尺寸為100 mm×8.6 mm×18.2 mm，累積成形10層。首層層高為2 mm，2～9層平均層高為1.8 mm。工藝參數(shù)為焊接電壓12 V、焊接電流120 A、焊接速度14 cm/min、送絲速度91 cm/min。層間等待時(shí)間10 s。幾何模型與增材成形件如圖2、圖3所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖

圖2 幾何模型示意圖

圖3 增材成形圖

增材材料和基板材料均選用316L不銹鋼，熔點(diǎn)1 400 ℃，焊絲化學(xué)成分如表1。由于不銹鋼的熱物理性能會(huì)隨著溫度的變化而取不同的數(shù)值，因此需考慮到這些參數(shù)隨溫度的變化，以得到更準(zhǔn)確地分析模型。利用Jmatpro軟件模擬計(jì)算出的熱物理參數(shù)與實(shí)際較為接近。通過(guò)定義材料隨溫度變化的焓來(lái)考慮相變潛熱，利用此材料模擬軟件計(jì)算焓值。由此，各熱物性能參數(shù)隨溫度變化的取值如圖4。

表1 不銹鋼316L化學(xué)成分含量 wt%

圖4 材料熱物參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)綜合考慮增材過(guò)程熱量集中加載在焊道上，因此將焊道的網(wǎng)格尺寸加密為1.8 mm。在遠(yuǎn)離熔覆區(qū)域，由于此處的溫度變化平緩，故而為了保證計(jì)算的效率及收斂性，此處的網(wǎng)格劃分尺寸為7.2 mm。在焊道區(qū)域與遠(yuǎn)離熔覆區(qū)域引入過(guò)渡網(wǎng)格，采用 1:2 過(guò)渡。共計(jì)74 142個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 115個(gè)單元，劃分網(wǎng)格效果如圖5。劃分網(wǎng)格后對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)、雅可比系數(shù)和縱橫比等參數(shù)進(jìn)行檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

2.3 雙橢球熱源與生死單元

本文采用雙橢球熱源模型（double ellipsoidal heat source model，DEHSM）來(lái)模擬電弧熱量，雙橢球熱源模型如圖6。

圖6 雙橢球熱源模型示意圖

前半部分1/ 4橢球的熱流密度分布為

后半部分1/ 4橢球的熱流密度分布為

式中：c1為前半軸長(zhǎng)度；c2為后半軸長(zhǎng)度；a為半熔寬；b為熔深；Q為熱輸入有效功率；f1、f2為前后橢球能量分配系數(shù)，f1+f2=2，本模型中分別取值0.6、1.4。

實(shí)際增材過(guò)程中，受傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等熱傳導(dǎo)因素和增材條件等的影響，電弧的熱量并不能完全用來(lái)熔融焊縫金屬，總會(huì)有所損失，有效熱輸入

其中：η為熱源效率，電弧增材的熱源效率推薦取值范圍0.65～0.87，本模型中取0.75；U為焊接電壓，I為焊接電流。本模型中各參數(shù)取值如表2。

表2 雙橢球熱源參數(shù)

在進(jìn)行電弧增材的熱過(guò)程分析時(shí)，將能量以熱流密度的形式施加到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，增材過(guò)程中，連續(xù)移動(dòng)的熱源可以看成無(wú)數(shù)個(gè)瞬態(tài)熱源的疊加。因此，在APDL程序設(shè)計(jì)時(shí)，利用HGEN 函數(shù)完成對(duì)節(jié)點(diǎn)的熱流密度的加載，通過(guò)循環(huán)控制語(yǔ)句*DO、*ENDDO實(shí)現(xiàn)熱源沿增材方向的運(yùn)動(dòng)。每次加載一個(gè)時(shí)間步，依次在各點(diǎn)加載可模擬增材制造瞬態(tài)溫度場(chǎng)，算法流程見(jiàn)圖7所示。

圖7 APDL中熱源移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

在電弧增材溫度場(chǎng)模型研究與分析中，材料添加前后的熱傳遞情況是不同的，因此要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)逐步添加熔覆層材料的過(guò)程，需利用生死單元技術(shù)。采用Ansys自帶的Apdl命令流實(shí)現(xiàn)生死單元與移動(dòng)熱源加載。在求解模塊中定義瞬態(tài)熱分析并殺死所有焊道單元。定義載荷步，逐個(gè)激活熱源所到之處的焊道單元，對(duì)激活的單元施加先前定義的熱源載荷進(jìn)行計(jì)算。

2.4 邊界條件與求解設(shè)置

整個(gè)增材過(guò)程中，將環(huán)境初始溫度設(shè)置為22 ℃，邊界條件有焊件與基板表面的對(duì)流換熱與輻射散熱。調(diào)用Ansys Workbench中隨溫度變化的空氣自然對(duì)流換熱的表格。模型表面的散熱用輻射換熱系數(shù)來(lái)表征，經(jīng)800 ℃以上氧化的不銹鋼光滑表面的輻射系數(shù)ε取0.85。整個(gè)求解過(guò)程分加熱和冷卻兩個(gè)部分，求解設(shè)置時(shí)將最大時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.2 s，在冷卻過(guò)程中適當(dāng)增大時(shí)間步長(zhǎng)，并打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)熱循環(huán)曲線驗(yàn)證

通過(guò)多層累積電弧增材實(shí)驗(yàn)對(duì)所建立的增材制造溫度場(chǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用紅外熱成像儀Fluke Ti400對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行拍攝和記錄，完成后導(dǎo)入配套軟件SmartView進(jìn)行采集標(biāo)記點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)并整理為熱循環(huán)曲線的形式，與模擬得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由于成形過(guò)程中焊道上的熱量較為集中，需取基板上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。增材實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前在焊道中點(diǎn)距離焊道6.3 mm處做標(biāo)記，在SmartView進(jìn)行后處理時(shí)取此點(diǎn)為標(biāo)記點(diǎn)，獲取標(biāo)記點(diǎn)在增材制造全程的溫度數(shù)據(jù)，測(cè)量點(diǎn)位置如圖8所示。實(shí)際溫度與仿真溫度循環(huán)曲線如圖9所示。

圖8 測(cè)溫點(diǎn)位置示意圖

圖9 測(cè)量點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

如圖9顯示，紅外熱像儀記錄的峰值溫度為1 021 ℃，利用所建立的溫度場(chǎng)模型計(jì)算得到的峰值溫度為1 041 ℃，誤差為2 %，且模擬得到的與實(shí)際測(cè)量的熱循環(huán)曲線趨勢(shì)基本一致。誤差產(chǎn)生的來(lái)源是仿真建模過(guò)程中的一些假設(shè)，且此誤差在允許范圍內(nèi)，因此，所建立的增材制造溫度場(chǎng)模型是可靠的。

3.2 增材過(guò)程溫度場(chǎng)結(jié)果

利用建立的溫度場(chǎng)模型，控制層間溫度在600 ℃以內(nèi)，改變逐層冷卻時(shí)間進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)性模擬，得到逐層冷卻時(shí)間為：13 s、33 s、56 s、70 s、80 s、90 s、100 s、110 s、120 s、130 s，最終得到第1、5、9層增材過(guò)程溫度場(chǎng)如圖10，由圖中可見(jiàn)，隨著成形層數(shù)的增加，熱影響區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，同樣熱輸入功率的熱源作用在每一層上的作用效果不盡相同。在熱輸入功率均為1 080 J時(shí)，隨著層數(shù)增高，增材溫度場(chǎng)最高溫度由2 354.9 ℃升至2 888.8 ℃。在保證超過(guò)焊絲熔點(diǎn)的情況下，相較熔點(diǎn)超出了1 488.8 ℃，存在能量多余損耗的現(xiàn)象。

圖10 固定輸入增材過(guò)程溫度場(chǎng)示意圖

第1、5、9層冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)如圖11，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)性模擬，確保層間溫度低于600 ℃。首層增材后冷卻過(guò)程散熱是最快的，經(jīng)過(guò)13 s的時(shí)間溫度下降至462.9 ℃；第5層和第9層焊后分別經(jīng)80 s、120 s冷卻后的溫度依次為591.8 ℃、575.5 ℃。由此可見(jiàn)，層數(shù)越高，所需冷卻時(shí)間越長(zhǎng)。

圖11 冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)示意圖

3.3 變輸入的增材溫度場(chǎng)模擬

由上述結(jié)果可知當(dāng)在多層成形過(guò)程中采用相同的熱源輸入?yún)?shù)時(shí)，在增材第1、5、9層溫度場(chǎng)最高溫度為2 354.9 ℃、2 850.5 ℃和2 888.8 ℃，最高溫度呈逐層遞增的趨勢(shì)，且在最后一層升高至接近3 000 ℃。未展出的增材至第10層焊道中點(diǎn)時(shí)最高溫度為2 879.7 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊絲熔點(diǎn)，造成了一定程度的熱量積累。基于相同熱輸入下逐層溫度場(chǎng)模型的溫度分布特點(diǎn)，優(yōu)化熱輸入?yún)?shù)。由于層數(shù)越高，其成形過(guò)程散熱條件越差，因此通過(guò)改變逐層熱輸入以優(yōu)化增材過(guò)程溫度場(chǎng)。

延用前文的逐層層間冷卻時(shí)間的情況下，優(yōu)化后基板上測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線與定輸入時(shí)溫度曲線的對(duì)比如圖12，模擬1表示焊接電流固定為120 A時(shí)，增材10層的溫度曲線圖，模擬2表示按照120 A、118 A和116 A遞減的焊接電流時(shí)，增材10層的溫度曲線圖。由圖可見(jiàn)，在整個(gè)成形過(guò)程中，測(cè)溫點(diǎn)處最高溫度在焊至第2層時(shí)出現(xiàn)，定輸入與變輸入的最高溫度分別為850.3 ℃和842.1 ℃。第5～10層溫度下降更為明顯，焊至第8層時(shí)測(cè)溫點(diǎn)處的最高溫度由680.8 ℃下降至640.2 ℃，溫度下降了6 %；焊至第10層時(shí)測(cè)溫點(diǎn)處的最高溫度由633.3 ℃下降至584.9 ℃，溫度下降了7.6 %，說(shuō)明后續(xù)累積成形過(guò)程對(duì)基板的熱量傳遞減少，即一定程度上避免了增材過(guò)程熱量輸入的浪費(fèi)，減小了熱量損耗。

圖12 固定輸入與變輸入條件溫度曲線

優(yōu)化輸入后第5、9層增材過(guò)程溫度場(chǎng)如圖13，當(dāng)熱源行至焊道中點(diǎn)時(shí)，隨著層數(shù)的增加溫度有所升高，但低于固定輸入時(shí)的溫度。由圖中可見(jiàn)，第5層焊至焊道中點(diǎn)時(shí)刻最高溫度為2 704.5 ℃；第9層焊至焊道中點(diǎn)時(shí)刻最高溫度為2 590.9 ℃。平均相較定輸入下降了10 %。由此可見(jiàn)，逐層減小熱輸入可以很大程度上達(dá)到減小熱量損耗的目的。

圖13 變輸入下增材過(guò)程溫度場(chǎng)示意圖

通過(guò)模擬增材10層的制造過(guò)程溫度場(chǎng)，從模擬得到的溫度結(jié)果數(shù)據(jù)中提取焊道中點(diǎn)的溫度，分別得到第1、5、9層中點(diǎn)處的溫度在整個(gè)增材制造過(guò)程中的熱循環(huán)曲線，如圖14。每一層中點(diǎn)的溫度極大值逐漸降低，逐層增加的冷卻時(shí)間也使溫度極小值穩(wěn)定在500～600 ℃。縱觀定輸入與變輸入的熱循環(huán)曲線，變輸入條件下每層溫度極大值均有所降低。第1層中點(diǎn)經(jīng)歷9個(gè)熱循環(huán)，其溫度極大值下降幅度在26.5～80.73 ℃；第5層中點(diǎn)經(jīng)歷5個(gè)熱循環(huán)，溫度極大值下降幅度在134.1～174.3 ℃；第9層中點(diǎn)經(jīng)歷1個(gè)熱循環(huán)，其溫度極大值下降了297.8 ℃。由此可見(jiàn)，減小熱輸入對(duì)降低逐層熱量積累的作用隨著層數(shù)增高，其效果越明顯。

圖14 成形層中點(diǎn)熱循環(huán)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用建立的增材過(guò)程溫度場(chǎng)模型，模擬得到了固定輸入條件下增材成形過(guò)程溫度場(chǎng)與冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)。相同熱輸入下，增材第1層至第10層，增材過(guò)程最高溫度由2 354.9 ℃升高到2 879.7 ℃。

（2）熱輸入相同時(shí)，通過(guò)控制層間冷卻時(shí)間使得層間溫度低于600 ℃，與固定冷卻時(shí)間10 s相比，測(cè)溫點(diǎn)處最高溫度由1 041 ℃下降到850.3 ℃。

（3）在增材過(guò)程中存在逐層的熱積累效應(yīng)，通過(guò)逐層改變輸入?yún)?shù)可有效緩解熱積累效應(yīng)。保持焊接速度不變，減小焊接電流，成形件頂層增材過(guò)程最高溫度下降超過(guò)10 %。