316L不銹鋼電弧增材制造工藝研究

朱強，姚屏，許斯帆，許可昱

316L不銹鋼電弧增材制造工藝研究

朱強1，姚屏2*，許斯帆1，許可昱1

（1.廣東開放大學(xué)，廣州 510091；2.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣州 510630）

研究電弧增材制造過程中焊接速度和層間冷卻時間對成形件精度和力學(xué)性能的影響。使用316L不銹鋼焊絲在鋼板上進行20層往復(fù)式堆積試驗，設(shè)置了不同的焊槍運行速度和層間冷卻時間，完成了4個金屬薄壁墻體的制備，對沉積樣品的形貌外觀、顯微組織、硬度和拉伸性能進行了研究。4組試樣的制備過程都比較穩(wěn)定，表面成形良好，層與層結(jié)合較為平滑，層間分明，無裂紋、塌陷等缺陷出現(xiàn)。當(dāng)層間冷卻時間達到一定值時，熔池凝固，樣品的成形精度和高度較為穩(wěn)定。單位時間內(nèi)加入熔池的金屬質(zhì)量和熱輸入均隨著焊接速度的增大而減小，不同焊接速度下沉積樣品的層高和層寬不同。由于焊接速度增大、熱輸入減小，試樣的硬度略微增大，拉伸性能增強。沿薄壁件的構(gòu)建方向，4組試樣的維氏硬度曲線呈波浪形，從每個熔合層的底部到頂部逐漸降低。增材制造工藝參數(shù)對產(chǎn)品的成形質(zhì)量、顯微組織和力學(xué)性能都有影響，在保證成形過程穩(wěn)定的前提下，提高焊槍堆積速度能提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。

電弧增材制造；316不銹鋼；成形質(zhì)量；顯微組織；力學(xué)性能

電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）技術(shù)是一種以電弧為熱源，同步添加金屬絲材并在程序的控制下打印出金屬零件的技術(shù)[1-2]。與激光增材（Laser Additive Manufacturing，LAM）和電子束增材（Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM）技術(shù)相比，WAAM技術(shù)具有成本低、原材料利用率高、成形效率高等優(yōu)點，更適合生產(chǎn)大尺寸零件[3-7]。

許多科研工作者對WAAM技術(shù)進行了深入的研究[8-11]。為了減小零件的表面粗糙度，提高成品精度，Geng等[12]設(shè)計了機器人增材制造的切線重疊模型，該模型通過采用嚴格的中心距概念實現(xiàn)了穩(wěn)定的多層增材堆積。Li等[13]研究表明，對于大型復(fù)雜構(gòu)件，與常規(guī)制造相比，電弧增材制造技術(shù)的材料損耗更低和周期時間更短，但是高精度的電弧增材制造產(chǎn)品需要更長的周期時間來校正尺寸誤差，而通過機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化工藝參數(shù)、根據(jù)傳感器的過程反饋調(diào)整參數(shù)、控制制造過程中的熱輸入是提高產(chǎn)品精度的發(fā)展方向。黃強等[14]建立了電弧線能量、送絲速度、基體預(yù)熱溫度與高熔覆層尺寸的二階回歸模型，與傳統(tǒng)電弧增材制造相比，采用熱源解耦策略制造的薄壁件表面更光滑平整。制造過程中的熱輸入對試件冷卻速率和層間溫度有一定影響，Xing等[15]通過控制熱輸入打印出了薄壁貝氏體鋼墻體，并測試了顯微硬度和拉伸性能，研究表明，從微觀上看，墻體試件沒有裂縫，且每一層都與前一層形成了良好的結(jié)合。張?zhí)燹鹊萚16]采用旁路耦合三絲方法進行了Q345低碳鋼增材制造，試驗結(jié)果顯示，該方法的熔敷效率高、熱量輸入低，同時能改善增材試樣的顯微組織，提高試樣的平均硬度。保護氣體CO2和Ar氣成分的不同會影響增材試件的微觀組織和力學(xué)性能[17]。當(dāng)電弧模式不同時，增材制造過程中的穩(wěn)定性、成品外貌、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能也會有一定區(qū)別[18]，通過工藝試驗可以找到適合的電弧模式。姜淑馨等[19]詳細研究了層間溫度變化對增材制造產(chǎn)品的影響，在H13鋼基板上的試驗結(jié)果表明，當(dāng)每個堆積層間溫度為150～200 ℃時，能夠得到外觀形貌好、成形質(zhì)量優(yōu)良的成形件。為了提高成品力學(xué)性能，超聲振動、熱處理等方法都被應(yīng)用于電弧增材制造中[20-21]，有些研究人員對增材成品的腐蝕性能也進行了系統(tǒng)測試[22]。通過電弧增材方式，不同材料、不同類型的零部件被制造出來[23-26]，可以看出，這種制造方法未來有著廣闊的應(yīng)用空間。

316L不銹鋼材料具有良好的耐高溫、耐腐蝕性，在醫(yī)學(xué)、食品、化工和海洋工程等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用空間，是制造手術(shù)器械、壓力容器和其他復(fù)雜形狀構(gòu)件的理想材料。316L不銹鋼電弧增材制造的成形外貌和微觀組織受多種制造工藝參數(shù)的影響，為了進一步探索制造過程中工藝參數(shù)對成品外觀、微觀組織和力學(xué)性能的影響，采用316不銹鋼絲材設(shè)計4組20層往復(fù)式薄壁墻體堆積試驗，通過對比堆積速度和層間冷卻時間差異對沉積樣的影響，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供思路。

1 試驗

1.1 材料

試驗基板采用尺寸為250 mm×100 mm×5 mm的316L不銹鋼板，焊絲選用直徑為1.2 mm的316L不銹鋼焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 方法

試驗平臺采用GMAW機器人電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LORCH公司的S5-RoboMIG焊機、RF-06送絲機及FANUC M-10iA機器人組成。在增材制造過程中，由于堆積件的熱量不斷增多，導(dǎo)致母材容易變形，需要利用夾具固定基板兩端，以防止基板變形對后續(xù)生產(chǎn)過程產(chǎn)生影響。采用不同堆積速度和層間冷卻時間設(shè)計了4組不同的試驗，制備長度為160 mm、層數(shù)為20的沉積樣，工藝參數(shù)如表2所示。

表1 ER316L焊絲的化學(xué)成分

表2 增材成形工藝參數(shù)

試驗采用往復(fù)堆積的形式進行，第一層堆積導(dǎo)電嘴與基板的距離為15 mm，在堆積過程中焊槍始終與鋼板保持垂直，每堆積完一層，焊槍往上提升2 mm，直至20層堆積結(jié)束為止。焊接電源的參數(shù)設(shè)置如下：焊接電流為80 A，焊接電壓為20 V，占空比為50%，電流差為50%，低頻頻率為1.5 Hz。保護氣成分為Ar+CO2（體積分數(shù)分別為98%和2%），氣體流量為20 L/min。

待20層薄壁墻體堆積完成后，用研磨機清除掉表面的氧化物，使用線切割機在墻體兩側(cè)水平方向的對稱位置提取拉伸件試樣，并在中間取樣觀察金相結(jié)構(gòu)和硬度。取樣位置如圖1所示，提取拉伸試樣后用水冷方式將試樣研磨至2 mm厚度，其尺寸如圖2所示。

對金相樣品進行電解拋光。電解質(zhì)由冰醋酸和高氯酸按10︰1的體積比例構(gòu)成，電解池中的電壓為22 V，電流密度為0.1 A/cm2，溫度保持在20 ℃，樣品拋光時間為120 s，然后用清水和酒精沖洗并干燥。之后用Leica DMI3000M光學(xué)顯微鏡分析金相組織。

在室溫下采用具有50 kN測力傳感器的AG-IC萬能試驗機進行拉伸試驗，應(yīng)變速率為2 mm/min，最大載荷為100 kN。采用Shimadzu HMV-2T硬度測試儀沿垂直堆積方向進行硬度試驗，從試樣底部以1 mm為間隔進行測量。在測試硬度時，對所有測試點施加0.5 kg的載荷，并維持10 s。

圖1 金相和拉伸件取樣位置

圖2 拉伸件尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 增材墻體外觀形貌

4組增材成形件的堆積墻體外觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，4組試驗形成的墻體表面均成形良好，層與層結(jié)合得較為平滑，且層間分明，無裂紋、塌陷等缺陷出現(xiàn)。

由于堆積速度不同，單位時間的金屬熔覆量也不同，在堆積長度相同的情況下，堆積速度慢的試驗所消耗的焊絲也多一些。經(jīng)測量，1#～4#試驗墻體的平均高度分別為27.60、27.35、24.66、24.66 mm，可以看出，1#和2#墻體明顯比3#和4#的墻體高。

圖3 增材制造墻體外觀形貌

Fig.3 Surface morphology of deposited walls

2.2 顯微組織

1#試驗增材墻體的金相組織如圖4所示。圖4a為墻體中間部分的宏觀圖像，可以明顯看到各堆積層的分界線，在圖像顯示范圍內(nèi)一共有3個堆疊層，層與層之間熔合良好，熔合區(qū)清晰可見，顯示區(qū)域內(nèi)沒有明顯的裂紋、氣孔或其他宏觀缺陷。從圖4b可以看到，母材和增材部分區(qū)別明顯，在遠離第一層熔合線的沉積方向上可以看到向上生長的柱狀晶體。母材晶粒和增材晶粒大小結(jié)構(gòu)明顯不同，增材的晶粒更細。圖4c為圖4a的2層結(jié)合處放大圖，可以看出，層與層熔合區(qū)附近的柱狀晶體生長得稍顯雜亂，沿垂直于堆積方向慢慢生長為較細的柱狀晶，觀察其他層可以發(fā)現(xiàn)，晶粒以相同的方式生長，每層都是由粗到細，循環(huán)變化。從圖4d可以看到，有白色的奧氏體以及少量的灰色鐵素體。

垂直于墻體堆積方向的EBSD方位圖如圖5所示。其中，不同顏色對應(yīng)晶粒相對于晶格的不同取向，每種顏色代表一種獨特的歐拉角組合。由圖5a可以看到，幾乎整個圖都是同一種顏色，表明大多數(shù)晶粒都沿著垂直方向(001)生長。由圖5b可以看到，晶粒內(nèi)部的應(yīng)變變形并不均勻。

圖4 1#試驗增材墻體金相組織

圖5 1#試驗樣品的EBSD圖

2.3 拉伸及硬度

2#和4#試驗樣品在第一層和中間層附近區(qū)域的硬度如圖6所示?？梢钥闯?，母材附近硬度值較高，主要分布在185HV～210HV，上部增材樣品的硬度值稍微低一些，主要分布在175HV～185HV，在每層內(nèi)部，沿垂直堆積方向上的硬度值也呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。分析認為，當(dāng)產(chǎn)生第一層堆積層時，母材溫度還比較低，第一層焊縫過冷度較高，熔池中的液體以較快的速度冷卻，生核率大大增大，形成了均勻細小的等軸晶，硬度較高。4組試驗樣品的硬度平均值如圖7所示，4組試樣的平均硬度值分別為182.4HV、182.8HV、187.6HV、186.5HV?？梢钥闯?，堆積速度相同、層間冷卻時間不同的2組試樣的平均硬度值差別不大，這是因為當(dāng)冷卻時間為30 s時，熔池已經(jīng)凝固，晶粒成長基本完成，更多的冷卻時間對微觀金相影響不大。堆積速度不同的樣品的平均硬度不同，速度快的試樣（3#和4#）的平均硬度值更高，3#的平均硬度比1#的提高了2.85%。這是因為堆積速度快導(dǎo)致熱量的累積輸入更小，熔池冷卻更快，晶粒更小，更容易凝結(jié)。

4組試樣的水平應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。可以看到，所有試樣在斷裂前都經(jīng)歷了彈性和塑性變形。4組試樣的抗拉強度和屈服強度如表3所示?？梢钥吹剑?#和4#試樣的拉伸性能比1#和2#的強，這與圖7中硬度測試結(jié)果相吻合。從微觀分析可知，增材件內(nèi)部的柱狀晶粒沿垂直于堆積方向向上生長，橫向和縱向拉伸數(shù)據(jù)結(jié)果存在各向異性[27]。橫向拉伸主要抵抗晶界力，而縱向拉伸主要抵抗晶粒內(nèi)部的力和層間結(jié)合力，由于壁高度的限制，試樣在橫向拉伸時拉伸值會小一些。

圖6 增材樣品維氏硬度變化分布圖對比

圖7 4組樣品平均硬度

圖8 增材試樣拉伸曲線對比

表3 4組樣品的抗拉強度和屈服強度

1#和3#拉伸件斷裂形態(tài)的斷口形貌如圖9所示。在圖9a和圖9b上都能觀察到分布相對均勻的韌窩，這證明斷裂模式為韌性斷裂。整體對比來看，2組韌窩的尺寸和深度無差異，2組試樣都具有良好的韌性。

圖9 拉伸件斷口形貌

3 結(jié)論

1）利用優(yōu)化的電弧增材制造工藝參數(shù)可以生產(chǎn)出力學(xué)性能良好的316不銹鋼零部件，堆積速度對最終部件的形狀有一定影響。

2）當(dāng)層間冷卻時間達到一定值時，熔池完全凝固，進一步延長冷卻時間對成品零件的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)影響較小。

3）4組試樣的底部硬度均略高于上部硬度。在增材制造過程中，晶粒呈柱狀生長。各層熔合區(qū)附近硬度較高，沿熔合線向上逐漸降低，在每個堆疊層，晶粒生長方式都類似。

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Wire and Arc Additive Manufacturing Technology of 316L Stainless Steel

ZHU Qiang1, YAO Ping2*, XU Si-fan1, XU Ke-yu1

(1. Guangdong Open University, Guangzhou 510091, China; 2. Guangdong Technical Normal University, Guangzhou 510630, China)

The work aims to study the effects of welding speed and interlayer cooling time during wire and arc additive manufacturing (WAAM) on the accuracy and mechanical properties of formed parts. Here, deposition speed and cooling time between layers were examined and arc welding was used to conduct 20-layer reciprocating deposition experiments on 316L stainless steel. Four thin-walled metal walls were prepared. The morphology, microstructure, and hardness and tensile property of the deposited specimens were researched. The results showed that the preparation process of the 4 groups of specimens were relatively stable, the surface forming was good, the bonding between layers was smooth with clear stratification and without cracks, collapse and other defects. When the cooling time between layers reached a certain value, the molten pool would solidify, the forming width and height stability of the specimens were stable and the amount of molten metal per unit time added to the molten pool decreased as the deposition speed increased. The layer height and layer width of deposited specimens varied at different welding speeds. The hardness and tensile properties of the specimens increased slightly due to the increase of welding speed and the decrease of heat input. The Vickers hardness value curves of four groups of specimens exhibited a wave shape, gradually decreasing from the bottom to the top of each fused layer. Additive manufacturing process parameters have an effect on the forming quality, microstructure and mechanical properties of the product. Under the premise of ensuring the stability of the forming process, increasing the welding torch stacking speed can improve the mechanical properties of the product.

wire and arcadditive manufacturing; 316 stainless steel; forming quality; metallographic structure; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.019

TG444+.72

A

1674-6457(2023)11-0164-07

2023-05-16

2023-05-16

國家自然科學(xué)基金（51805099）；廣東省普通高?？蒲许椖浚?022ZDZX3046）；廣州市科技計劃（202201011747）；廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金（pdjh2022b0844）

The National Natural Science Foundation of China (51805099); Scientific Research Projects of Colleges and Universities in Guangdong Province (2022ZDZX3046); Science and Technology Projects in Guangzhou (202201011747); Special Funds for Cultivating Scientific and Technological Innovation of Guangdong College Students (pdjh2022b0844)

朱強, 姚屏, 許斯帆, 等. 316L不銹鋼電弧增材制造工藝研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 164-170.

ZHU Qiang, YAO Ping, XU Si-fan, et al. Wire and Arc Additive Manufacturing Technology of 316L Stainless Steel[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 164-170.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨