本站小編為你精心準備了旁路耦合等離子電弧增材制造熱過程參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：針對旁路耦合微束等離子弧焊電弧增材制造中的熱物理過程，利用K型熱電偶測量堆垛過程中不同焊接速度、不同旁路電流和不同堆垛順序下的熱循環曲線，分析研究堆垛成型時各參數對熱過程的影響。結果表明:隨著焊接速度的增大，母材熱輸入減小;在合適的旁路電流區間內，增加旁路電流，母材熱輸入減少;且同向堆垛散熱性要優于往復堆垛。精確控制旁路電流、合理規劃堆垛路徑可較好地控制旁路耦合微束等離子弧焊電弧增材制造的熱過程。

關鍵詞：電弧增材制造；旁路耦合微束等離子弧焊；熱過程

引言

電弧增材制造(Wirearcadditivemanufacture，WAAM)技術是一種利用電弧將焊絲熔積成型的新型制造方法，基本原理是“分層制造，逐層堆積”。該技術首先建立零件模型，接著將其分層處理，設置好每一層的焊接路徑，最后使用電弧焊接方法，沿著設定路徑將焊絲熔積成型［1］。WAAM成型件致密度高、生產效率高、成本低，特別是在制備低精度的大型件時其具有不可比擬的優勢，但堆垛過程中的反復熱循環造成較大的殘余應力與變形，影響了制備零件的成型精度。因此，WAAM熱過程成為當前學術界研究的熱點。Mughal等［2-5］采用有限元模擬的方法研究了以電弧為熱源的單層沉積制造中熱應力分布及其變形，并進一步分析比較了氣體保護焊(Gasmetalarcwelding，GMAW)成型時間隔冷卻和連續沉積的熱量積累和變形情況。張廣軍等［6-7］對GMAW堆積時的溫度場和應力場分布進行了有限元模擬，研究了堆積長度、道間間隔時間、不同堆積順序等過程參數對堆積過程的影響規律，分析了不同堆積方向下的熱循環特點。這些研究更注重于數值分析方面，對于試驗研究，特別是使用何種電弧方法來進行增材制造討論較少，因此有必要對電弧增材制造的熱過程進行更進一步的試驗研究。本實驗在張裕明教授所發明的旁路耦合電弧焊(Double-electrodegasmetalarcwelding，DE-GMAW)［8-9］的基礎上，提出了旁路耦合微束等離子弧焊(Double-electrodemicro-plasmaarcwelding，DE-MPAW)方法來進行電弧增材制造的研究［10］。在利用K型熱電偶測量DE-MPAW熱特性的基礎上，針對電弧增材制造過程中的單道多層的堆垛順序，即同向堆垛和往復堆垛的熱特性進行了試驗測量，分析了堆垛順序、旁路電流對增材制造熱過程的影響，獲得了DE-MPAW在增材制造過程中的熱物理特性。

1實驗

1．1DE-MPAW原理圖1為旁路耦合微束等離子弧焊方法示意圖，其中Im為母材電流，Ip為旁路電流，I為總電流，其關系為I=Im+Ip，即總電流為母材電流與旁路電流之和。在焊接過程中，微束等離子焊槍與工件間產生主路電弧，旁路焊絲與焊槍間產生旁路電弧。這樣電流從焊機工件正極流出后，一部分流入母材，另一部分經過電流分配器通過旁路焊絲分流。通過調節電流分配器，來改變旁路電流Ip，在總電流不變的情況下，實現母材電流Im可調，從而有效控制母材熱輸入。試驗中，焊機采用LHM-50等離子弧焊機，旁路送絲機選用WF-007A送絲機，電流分配器選用AMR-300型變阻器。

1．2DE-MPAW的增材制造過程在旁路耦合微束等離子弧焊的試驗基礎上，利用其來進行電弧增材制造的研究，開展如圖2所示的DE-MPAW堆垛過程分析，其堆垛過程為:利用微束等離子弧熔化填充焊絲，使其沿著設定路徑逐層堆積，最終得到所需試樣，在堆垛過程中，每層會經歷復雜的熱循環作用，測量堆垛成型時溫度的變化，研究其熱物理過程。試驗中利用高速攝像拍攝了焊接過程的電弧形態和熔滴過渡圖像，并進行分幀處理，如圖3所示。從圖3可以看出，電弧呈“柱狀”，且能量集中;熔滴過渡屬于自由過渡，熔滴在各種力的綜合作用下，沿著順時針方向過渡到熔池中。

1．3電弧增材制造中熱過程測試圖4為旁路耦合微束等離子弧焊試驗系統，利用該試驗系統來進行單道試樣及單道多層試樣的堆焊。該系統是利用傳感器將焊接中電流、電壓信號傳輸到采集卡上，再由采集卡將數據傳到電腦上;視頻采集則是由CCD攝像機、采集卡和視頻采集軟件共同完成;而熱信號的采集系統由熱電偶、溫度采集模塊、采集卡及相應的采集軟件共同構成。計算機用于控制工作臺的移動、調節焊接中工藝參數，同時收集并記錄堆垛過程中的熱循環數據。圖5為熱過程測試實物圖，測量熱循環曲線時，在母材上選擇合適的測溫特征點，采用焊偶儀將K型熱電偶焊接在特征點處，焊接開始后，利用測溫軟件Adam．netUtility采集溫度數值并保存。圖6為堆垛成型時測溫特征點的位置示意圖，其中，A、B、C三點距焊縫中心線分別為10mm、20mm、30mm。試驗中，選擇離子氣流量1L/min，保護氣流量10L/min，其他工藝參數根據不同試驗目的作出相應改變。旁路耦合微束等離子弧焊試驗所用基板為304不銹鋼，尺寸為200mm×100mm×3mm。試驗前，用砂紙將基板表面打磨光亮，并用丙酮清洗。試樣是以直徑為0．8mm的ER304L不銹鋼焊絲為成形材料，其成分如表1所示。

2結果與分析

2．1DE-MPAW的熱特性為分析不同旁路電流、焊接速度對焊接熱輸入的影響，在母材上進行單道試樣的堆焊，同時測量其熱循環曲線。表2為確定的焊接工藝參數，分別采用80mm/min、100mm/min、120mm/min的焊接速度進行試驗。圖7為焊接速度為120mm/min時各測溫點的熱循環曲線，可以看出，單道堆焊的熱循環曲線呈現單個波峰分布，當熱源接近測溫點時溫度快速上升，當到達與測溫點平齊時溫度升到最高，隨后慢慢降低;同時，測溫點距熱源越遠，其熱循環曲線越低。圖8為不同焊接速度下各測溫點的峰值溫度變化曲線。從圖8中可以看出，隨著焊接速度的提高，測溫點峰值溫度逐漸降低。這是由于焊速越快，熱源對母材作用時間越短，母材熱輸入也相應減小;同時，圖8中A點的降幅最大，B點次之，C點最小，說明距離焊縫越遠，焊接速度對其熱輸入的影響在逐漸減弱。為分析旁路電流對焊接熱輸入的影響，采用旁路電流分別為0A、4A、9A、13A、15A進行單道堆焊，其余工藝參數如表3所示。圖9為所測得的不同旁路電流下各特征點的峰值溫度變化曲線。從圖9中可以看出，在總電流保持不變時，增大旁路電流，各點的峰值溫度先是在小區間升高，隨后降低，即母材熱輸入減小。從整體趨勢中可以看出，母材熱輸入隨著旁路電流增大而減小，這是由于旁路的分流作用，使得流經母材電流減小，降低了母材電阻熱，說明電阻熱和耦合電弧熱對母材熱輸入減小的程度大于熔滴增加母材熱輸入的程度。

2．2電弧增材制造堆垛過程的熱分析針對電弧增材制造過程，特別是DE-MPAW方法中的單道多層堆垛的熱過程，在母材上進行單道多層試樣的堆垛，并測量其熱循環曲線。圖10所示為典型堆垛試樣。表4所示為確定的工藝參數，變化的參數為旁路電流，分別為4A、8A、19A。圖11為旁路電流為4A時A、B兩點的熱循環曲線。從圖11中可以看出，A、B兩點的熱循環曲線均由多個波峰和波谷組成，且波谷的溫度不斷升高，表明在堆垛過程中，前一層對后一層預熱，后一層對前一層后熱，波谷溫度的升高說明了預熱溫度在不斷升高。同時B點的熱循環曲線低于A點，這是由于A點距熱源近的緣故。假設t100為測溫點在每次熱循環中從最高溫度下降100℃所需的冷卻時間，根據圖11的熱循環曲線，得到圖12所示的A點在每次熱循環中的冷卻時間t100隨堆垛層的變化情況。隨著堆積層數增高，冷卻時間t100整體趨勢逐漸延長，冷卻速率反而降低，這是由于堆垛得越高，熱積累越嚴重，冷卻速率則越低。圖13為旁路電流分別為8A、19A時A點的熱循環曲線。從圖13中可以看出，旁路電流為8A的熱循環曲線要高于19A的。這表明在堆垛過程中，隨著旁路電流的增大，母材熱輸入反而減小。這是由于后一層對前一層的后熱作用，熱量不斷傳遞到母材上，但熱輸入的減小仍說明母材電阻熱和耦合電弧熱對其熱作用減小的程度大于熔滴增加熱輸入的程度。據圖13所示的不同旁路電流的熱循環曲線，得到測溫點A在不同旁路電流的冷卻時間t100的變化情況，如圖14所示。從圖14可以看到，旁路電流為19A的曲線要高于8A的，即19A的冷卻時間大于8A的，則19A的冷卻速率要小于8A，說明當旁路電流從8A升到19A時，測溫點的冷卻速率反而降低。在母材上進行同向式和往復式兩種堆垛方式，選用工藝參數如表4所示，旁路電流均為4A。圖15為同向堆垛和往復堆垛時A點的熱循環曲線，可以看出同向堆垛的熱循環曲線要低于往復堆垛的，表明同向堆垛的散熱性優于往復堆垛。這是由于同向堆垛時，每次起弧是從溫度較低側開始的，因此散熱較好，而往復堆垛時，熱量不斷積累，造成散熱性變差。根據圖15所示的不同堆垛順序下的熱循環曲線，得到測溫點A在不同堆垛順序時的冷卻時間t100的變化曲線，如圖16所示。從圖16可以看出，同向堆垛時的冷卻時間曲線高于往復堆垛，即同向堆垛時的冷卻時間長于往復堆垛的，那么同向堆垛時的冷卻速率要低于往復堆垛的。這表明不同的堆垛方式下，其測溫點在每次熱循環下的冷卻速率也不同。圖17為同向堆垛和往復堆垛時A點的峰值溫度變化曲線，可以看出不管是同向式堆垛，還是往復式堆垛，隨著堆垛層數的增加，各測溫點的峰值溫度先是迅速升高，隨后緩慢升高，最后達到一個較為穩定的狀態，并有緩慢降低的趨勢。這是由于焊接剛開始時，母材溫度較低，熱源與母材之間的溫差較大，導熱速率大，所以母材升溫較快。隨著母材溫度的升高，熱源與母材之間的溫差減小，導熱速率減小。同時由于母材溫度的升高，增大了其與周圍環境的溫差，散熱作用增強，所以溫度升高較為緩慢;并且，隨著堆垛層數增加，熱阻增大，熱源對母材加熱作用進一步減弱，當散熱量超過熱輸入量時，母材的峰值溫度就會降低。在電弧增材制造單道多層堆垛過程中，合適的旁路電流可有效減少熱輸入，堆垛順序也可影響堆垛的熱過程。因此在零件制造中，要較精確地控制旁路電流和合理規劃行走路徑。

3結論

(1)在旁路耦合微束等離子弧焊增材制造時，當提高焊接速度，母材熱輸入減小，且距離堆焊中心越遠，焊接速度對熱輸入的影響逐漸減弱。(2)在總電流保持不變時，增大旁路電流，各點的峰值溫度先是在小區間升高，隨后降低，即母材熱輸入減小。從整體趨勢看，母材熱輸入隨著旁路電流增大而減小。且不同的旁路電流使得母材的冷卻速率也不同，同時隨著堆積層數增加，母材冷卻速率降低，說明該方法較適合電弧增材制造。(3)同向堆垛、往復堆垛等堆垛順序可影響堆垛的熱過程，不管是同向堆垛，還是往復堆垛，隨著堆垛層數的增加，各測溫點的峰值溫度先是迅速升高，隨后緩慢升高，最后達到一個較為穩定的狀態，并有緩慢降低的趨勢。一般情況下，同向堆垛的散熱性要優于往復堆垛，但同向堆垛時，測溫點冷卻速率低于往復堆垛。(4)在旁路耦合微束等離子弧焊增材制造中，選擇合適的旁路電流、規劃合理的堆垛路徑都可有效控制熱輸入，提高堆垛質量。

作者：余淑榮 程能弟 黃健康 李楠 樊丁 單位：蘭州理工大學機電工程學院