摘 要:采用SimufactWelding軟件建立電弧增材制造 GH4169鎳基高溫合金的有限元模型, 對該模型進行了試驗驗證,模擬分析了不同沉積路徑(單向沉積、往復沉積)和不同層間冷卻時間 (0,60,120s)下多層單道成形過程中的熱力場及變形量。結(jié)果表明:模擬得到電弧增材制造過程 中的熱循環(huán)曲線和殘余應力與試驗結(jié)果相吻合,相對誤差分別小于9%和3%,驗證了該模型的準 確性;與單向沉積路徑相比,往復沉積路徑可以改善成形件熱分布和應力場分布的均勻性,應力場 和熱積累的影響范圍較小,溫度和殘余應力較低,變形對稱性較好;隨著層間冷卻時間的延長,熱積 累、殘余應力和變形量均降低,但降低幅度逐漸減小。采用往復沉積路徑且層間冷卻60s時,電弧 增材制造 GH4169鎳基高溫合金的成形質(zhì)量較好。

關鍵詞:電弧增材制造;數(shù)值模擬;鎳基合金;殘余應力;變形 

中圖分類號:TG444                                         文獻標志碼:A                                     文章編號:1000-3738(2022)09-0089-07

0 引 言 

電弧增材制造技術基于傳統(tǒng)焊接技術發(fā)展而 來,具有成本低、生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點,且制備得到的成形件成分均勻,致密度高,廣泛應用 于航空航天、國防軍工等領域[1-2] ;同時該技術的開 放環(huán)境對成形件尺寸無限制,便于成形大型復雜結(jié) 構(gòu)件,成形速率可達10kg·h -1,具有其他增材制造 技術不可比擬的生產(chǎn)效率和成本優(yōu)勢[3-5]。

在電弧增材制造過程中,熱源作用時間較長,沉 積方式多樣,溫度場分布不均勻,成形件內(nèi)部會產(chǎn)生 較大的熱應力,導致出現(xiàn)微裂紋、變形等缺陷,成形 質(zhì)量難以控制[6-8]。DING 等[9-10]利用瞬態(tài)熱力學有 限元模型研究了電弧增材制造過程中溫度場與應力 場的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)成形件的殘余應力與成形過程 中的熔池最高溫度呈線性關系,并基于此改進了電 弧增材制造熱力場的計算模型,可明顯提高計算效 率。KAMBLE等[11]通過研究多層單道電弧增材制 造成形件的熱力場,發(fā)現(xiàn)堆焊層區(qū)域的熱積累最嚴 重,當設置層間冷卻后,在堆焊層與基體交界處產(chǎn)生 應力集中。XIONG 等[12]研究發(fā)現(xiàn),電弧增材制造 過程中道間等待時間對散熱的效果會受成形件內(nèi)部 的熱積累效應影響。FILIPPO 等[13]引入基于撞擊 空氣射流的成形件冷卻系統(tǒng)來改善電弧增材制造過 程的散熱能力,并建立有限元分析熱模型進行溫度 場仿真,發(fā)現(xiàn)該冷卻系統(tǒng)可有效穩(wěn)定熔池尺寸和層 間溫度。王桂蘭等[14]在研究基板厚度對電弧增材 制造熱力場演變過程的影響時發(fā)現(xiàn),基板厚度的增 加有利于減小殘余應力的影響范圍和成形件的翹曲 變形。目前,國內(nèi)外有關電弧增材制造過程中不同 工況條件下的溫度場、應力場和熱變形的定量研究 較少,而探索工況對增材制造過程溫度場和應力場 的影響機制,進而優(yōu)化電弧增材制造工藝參數(shù)以實 現(xiàn)高精度成形十分重要。為此,作者采用 Simufact Welding有限元分析軟件,建立了多層單道電弧增 材制造 GH4169鎳基高溫合金的有限元模型,并對 其進行了試驗驗證;對不同沉積路徑(單向沉積,往 復沉積)和不同層間冷卻時間(0,60,120s)條件下 的電弧增材成形高溫合金的熱力場和變形量進行了 模擬。 

1 試樣制備與試驗方法 

試驗材料選用直徑為1.6mm 的 GH4169鎳基 高溫合金焊絲,由北京億達昆泰科技有限公司提供, 化學成分見表1;基板材料為45鋼,化學成分見表 2,其尺寸為210mm×110mm×10mm,試驗前用 丙酮擦拭基板上表面以去除油污。增材制造試驗平 臺由松下 YC-315TC 型鎢極氬弧焊電源、WF007A型送 絲 機、VMC600 型 加 工 中 心、FANUC LR Mate200iD 型機器人構(gòu)成,增材制造工藝參數(shù)為電 流180 A,焊 接 速 度 150 mm·min -1,送 絲 速 度 750mm·min -1,往復沉積路徑,層間冷卻時間60s。 在基板上堆焊出單道10層長150mm 的成形件,成 形件的幾何模型見圖1,用壓板將基板固定在試驗 臺上。

在電弧增材制造過程中,采用 Fluke-Ti400型 紅外熱成像儀對成形件的溫度進行記錄,測試位置 位于成形件中垂線上距成形件中心20mm 的基板 處,并用SmartView 軟件進行數(shù)據(jù)處理。增材制造 結(jié)束后,將應變花粘貼在位于成形件中垂線的基板 上,采用JHMK-10型應力檢測系統(tǒng)應用盲孔法測 成形件的殘余應力分布,盲孔孔徑為2mm。

2 有限元模擬 

2.1 有限元模型 

利用 Simufact Welding焊接模擬軟件對電弧 增材制造過程進行熱彈塑性分析,有限元模擬的工 藝參數(shù)與試驗參數(shù)一致。采用 Hypermesh軟件劃 分網(wǎng)格,單元類型為八節(jié)點六面體單元,為保證計算 的精度以及效率,基板處引入過渡網(wǎng)格,采用1∶2與 1∶3過渡,在堆焊的第1層通過內(nèi)插法均勻布置節(jié)點 種子從而建立圓弧模型,第2層至10層的網(wǎng)格利用 第1層焊道上邊緣的節(jié)點依次向上保持形狀一致, 整體呈現(xiàn)“瓦片狀”的堆疊結(jié)構(gòu)。模型的網(wǎng)格總數(shù)為 41428,節(jié)點 總 數(shù) 為 62071,具 體 網(wǎng) 格 劃 分 如 圖 2 所示。

2.2 材料熱物理性能參數(shù) 

材料的熱物理性能隨著溫度變化呈典型非線性 變化,尤其難以得到在金屬固/液界面較高溫度下的 性能參數(shù)。為確保仿真的準確性,借助專業(yè)材料性 能模擬軟件JMatPro來得到材料的熱物理性能參 數(shù)。將試驗材料的化學成分輸入JMatPro軟件中 計算出不同溫度下45鋼和 GH4169鎳基高溫合金 的熱物理性能參數(shù),并與已有的材料熱物理性能參 數(shù)進行對比來修正,最終計算結(jié)果見圖3。

2.3 熱源模型及邊界條件 

雙橢球熱源模型充分考慮了電弧熱流沿板厚方 向的分布以及電弧對熔池的攪拌作用,因此采用雙 橢球熱源模型對 GH4169 鎳基高溫合金的電弧增 材制造過程進行數(shù)值模擬。前、后半部分橢球的熱 流密度分布表達式如下: 

式中:qf,qb 分別為前、后半部分橢球的熱流密度分 布函數(shù);a 為熔池寬度;b 為熔池深度;cf 為前半軸 長度;cb 為后半軸長度;Q 為熱輸入有效功率;ff, fb 分別為前、后半部分橢球的熱流密度分配系數(shù), ff+fb=2。 雙橢球熱源模型參數(shù)如表3所示。 

有限元模擬過程中的邊界條件主要包括熱分析 中的對流及輻射換熱條件和力分析中的位移邊界條 件,成形件主要通過與空氣進行熱輻射、對流以及與 基板接觸進行熱傳導來實現(xiàn)散熱。設置初始溫度為 20 ℃,與空氣的對流傳熱系數(shù)為50 W·m -2·K -1, 輻射換熱系數(shù)為0.6;由于金屬基板的散熱條件良 好,設置傳熱系數(shù)為500W·m -2·K -1。為防止電弧 增材制造過程中發(fā)生由熱積累過大導致的基板變形,在基板四周通過向壓板施加載荷來限制基板z 軸方向的變形,設置螺栓剛度為1×10 6 N·m -1,壓 板載荷經(jīng)多次試驗對比最終設置為150N。

3 模型的試驗驗證 

將基板上距成形件中心20mm 處溫度的模擬結(jié) 果與試驗結(jié)果進行對比。由圖4可知,模擬得到電弧 增材制造過程中測試點的熱循環(huán)曲線與試驗結(jié)果相 吻合,相對誤差小于9%,驗證了有限元模型的準確性。電弧增材制造過程中測試點溫度經(jīng)歷了10次波 動,表明發(fā)生了10次溫度驟增與驟降的過程。

將基板上垂直于成形件中垂線上的殘余應力 的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比。由圖5可以看 出:電弧增材 制 造 成 形 件 試 樣 的 殘 余 應 力 分 布 模 擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,相對誤差小于3%, 證明了有限 元 模 型 的 準 確 性;成 形 件 試 樣 的 殘 余 應力均為拉應力,且在堆焊層區(qū)域的拉應力較高, 這主要是由 于 堆 焊 層 經(jīng) 歷 多 次 熱 循 環(huán) 過 程,溫 度 變化較大所致。

4 不同工藝下的熱力場與變形量模擬結(jié)果 

4.1 不同沉積路徑下的溫度場 

電弧增材制造的沉積路徑?jīng)Q定熱源移動方式, 從而影響成形件的熱力場。由圖6可以看出:電弧 增材制造結(jié)束后,成形件的熱量由熄弧端向起弧端 傳遞,成形件和基板上的溫度以成形件中垂線為中 心呈對稱分布;與往復沉積路徑相比,單向沉積路徑 下成形件的散熱能力較弱,成形件熄弧端產(chǎn)生的熱 積累較嚴重,且熱積累分布區(qū)域較大?？芍?往復沉 積路徑可以改善成形件整體的溫度分布均勻性,對 提高成形質(zhì)量具有重要作用。

由圖7可知,單向與往復沉積路徑下成形件中 點的最高溫度與堆焊層數(shù)呈正相關。2種路徑下第 1堆焊層中點的最高溫度相同,隨著堆焊層數(shù)的增 加,散熱條件變差,最高溫度升高。單向沉積路徑下 每層中點的最高溫度均高于往復沉積路徑下,并且 最高溫度的差值隨著堆焊層數(shù)的增加而增大。原因 在于單向沉積路徑下成形件散熱條件較差,熱積累 逐漸增加,使溫度升高較大,而往復沉積路徑下,熱 源呈S形運動,此過程中成形件的散熱條件較好, 熱積累較少,因此最高溫度較低。 

4.2 不同沉積路徑下的應力場及變形量 

由圖8可知:單向與往復沉積路徑下成形件的 整體殘余應力基本以成形件中垂線為中心呈對稱分 布,最大應力位于成形件與基板接觸處;往復沉積路 徑下成形件的應力場比單向沉積路徑下更均勻,影 響范圍較小,單向沉積路徑下熄弧端成形件與基板 接觸處的應力較大,這是由于往復沉積路徑下,焊接 熱源呈 S形運動,起熄弧交替變化,成形件整體熱 量分布較均勻,溫度梯度較小,而在單向沉積路徑下,熱源移動方向不變導致熄弧端的溫度梯度較大 所致。 

由圖9可知:單向和往復沉積路徑下成形件距 基板距離較近處的殘余應力較大,隨著距基板距離 的增加,殘余應力先略微增大后大幅減小;往復沉積 路徑下成形件沿高度方向的整體殘余應力比單向沉 積路徑下小,其中單向與往復沉積路徑下成形件的 最大殘余應力分別為829.6,825.1MPa。

由圖10可以看出:單向和往復沉積路徑下成形 件均發(fā)生彎曲變形,且成形件邊緣變形量最大;2種沉積路徑下成形件的最大變形量相差較小,但在單 向沉積路徑下,后幾道堆焊層變形的不對稱程度較 高。隨著堆焊層數(shù)的增加,成形件的散熱能力逐漸 降低,在往復沉積路徑的成形過程中,成形件經(jīng)歷的 溫度梯度較小,因此成形件的變形對稱性較好。

4.3 不同層間冷卻時間下的溫度場  

電弧增材制造成形件在起弧端由于熱源停留作 用易形成熔滴積累,而熄弧端易形成凹坑,導致兩端 的溫度變化較復雜,因此僅對往復沉積路徑下不同 層間冷卻時間時成形件各堆焊層起弧端和熄弧端的 溫度差進行分析。由圖11可知:往復沉積路徑下起 弧端與熄弧端輪流交替,導致二者的溫度差正負交 替,但是當層間冷卻時間為0時,第2層的起弧端為 第1層的熄弧端,中途未經(jīng)歷冷卻過程,熱積累嚴 重,因此第1層和第2層起弧端與熄弧端的溫度差 未出現(xiàn)正負交替的現(xiàn)象;隨著層間冷卻時間的延長, 成形件兩端的溫度差有減小的趨勢,可知延長層間冷 卻時間有利于減小成形件起弧端與熄弧端的溫度差。

層間冷卻能夠保證成形過程處于穩(wěn)定的熱環(huán) 境,隨著層間冷卻時間的延長,成形件內(nèi)部的熱量傳 導更加充分,且傳遞到環(huán)境的熱量也更多,使得成形 過程中成形件的熱量分布更加均勻,有利于降低溫 度。由圖12可知:當焊接熱源接近成形件堆焊層中 心位置時,熔池溫度迅速升高,隨著焊接熱源的遠 離,該位置進入冷卻階段,溫度逐漸降低;與未設置 層間冷卻(層間冷卻時間為0)時相比,設置層間冷 卻的堆焊層中點溫度較低,且60,120s層間冷卻時 間下的溫度下降速率極為接近。層間冷卻后成形件 的散熱時間較長,內(nèi)部熱量積累較少,溫度較低,但 當層間冷卻時間達到一定值后,層間冷卻工藝對成 形件的冷卻作用減弱,因此從增材制造成形效率方 面考慮,成形過程中設置的層間冷卻時間不宜過長。

4.4 不同層間冷卻時間下的應力場及變形量

由圖13可以看出:不同層間冷卻時間下,隨距 起弧端距離的增加,第5堆焊層中心線處的殘余應 力基本沿成形件長度方向呈對稱分布,先迅速增大,距起弧端約20mm 后趨于穩(wěn)定,距熄弧端約20mm 處迅速減小;0,60,120s層間冷卻時間下穩(wěn)定區(qū)域 的殘余應力分別約為965,880,862 MPa,無層間冷 卻時堆焊層的整體殘余應力大于有層間冷卻;隨著 層間冷卻時間延長,堆焊層殘余應力降低,且下降幅 度明顯減小。未設置層間冷卻時,堆焊層熱量不能 及時傳遞,熱積累較嚴重,且熱影響范圍較大,致使 堆焊層內(nèi)部殘余應力較大。

由圖14可知,堆焊層兩端變形量較大,0,60, 120s層間冷卻時間下的最大變形量分別為1.47, 1.32,1.23 mm,變形量隨層間冷卻時 間 延 長 而 減 小,因此可適當延長層間冷卻時間以保證成形件的 尺寸精度。

5 結(jié) 論 

(1)采用SimufactWelding有限元分析軟件模 擬得到的多層單道電弧增材制造過程中的熱循環(huán)曲 線和殘余應力與試驗結(jié)果相吻合,相對誤差分別小 于9%和3%,說明該模型可以較準確地模擬不同工 況下 GH4169鎳基高溫合金電弧增材制造過程中 的熱力場。 

(2)模擬結(jié)果顯示在多層單道堆焊過程中,與 單向沉積路徑相比,往復沉積路徑下成形件的熱積 累較小,影響范圍較小,最高溫度較低,往復沉積路 徑可以改善成形件整體的熱分布均勻性;往復沉積 路徑下成形件的應力場較均勻,影響范圍較小,熄弧 端靠近基板處的殘余應力較低,沿高度方向的整體 殘余應力較低,成形件的變形對稱性較好。 

(3)隨著層間冷卻時間的延長,成形件堆焊層 起弧端與熄弧端的溫度差降低,中點溫度降低,但當 層間冷卻時間大于60s時,層間冷卻工藝對堆焊層的冷卻作用減弱;隨距起弧端距離的增加,成形件堆 焊層的殘余應力先迅速增大,再趨于穩(wěn)定,然后迅速 降低,隨著層間冷卻時間延長,殘余應力和變形量均 降低,但下降幅度明顯減小。 

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<文章來源  >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 機械工程材料 > 46卷 > 9期 (pp:89-95)>