双丝堆焊成形工艺研究_王霄腾.pdf

2023年 第4期 热加工105增 材 制 造Additive Manufacturing双丝堆焊成形工艺研究王霄腾1，吴宏2，蒲英钊11.中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 4100002.中南大学 湖南长沙 410000摘要：堆焊增材制造技术作为零件制造与修复的一种经济而快速的工艺方法，广泛应用于航空航天、医疗器械及工程机械等行业。实际应用中，采用双丝焊接工艺，通过调整焊接参数，在保证堆焊成形尺寸的同时，确保成形质量，提升熔覆效率。通过组织及力学性能检测，得到的双丝堆焊试样微观组织均匀致密，与母材结合良好，硬度、磨损量和摩擦因数满足生产需求。研究结果对双丝堆焊工艺的推广和应用具有参考价值。关键词：堆焊增材制造；双丝焊；组织性能1 序言堆焊工艺成形效率高、设备成本低1，广泛应用于零件的制造修复、材料表面改性，以及金属构件的中小批量柔性化制造2。在地下工程装备实际使用中，设备受力复杂，工作环境恶劣。例如，盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，盾构机在地下使用过程中，刀盘及附属零部件如刀座保护块、切刀座、边缘刮刀座等不可避免地出现磨损，堆焊工艺既应用在刀盘磨损零部件的再制造修复中，也应用于零件的耐磨层和耐磨网的增材制备，以便增加零件的耐磨性。在实际生产中，为了提高生产效率，往往希望采用较大的焊接电流，但由于堆焊质量的限制，当电流过大时，稀释率会增大，易造成堆焊层合金成分偏析和堆焊过程中液态金属流失等缺陷；反之，当堆焊应用中焊接电流较小时，会导致生产效率较低。双丝焊作为一种高效率的焊接方法越来越被人们关注。双丝焊可实现高熔敷率焊接，同时利用双丝焊的温度场及热循环，改善焊缝成分和结晶状况，提升堆焊层组织和性能3。因此，探索双丝焊在堆焊中的应用，兼顾堆焊成形和质量，提升实际的生产效率，对堆焊的实际技术应用有重要的意义。2 堆焊增材制造系统试验中采用的焊接电源为CLOOS的QINEO PULSE 600。采用QINEO焊机进行小电流脉冲焊的增加，因此导致其检测时长也比普通相控阵成像延迟更明显，技术壁垒和价格导致相控阵全聚焦技术发展受限，但其优越的聚焦成像效果是未来相控阵发展的必然趋势。参考文献：1 钟志民，梅德松超声相控阵技术的发展及应用J无损检测，2002，24（2）：69-71.2 王永兵，侯静，李志国超声相控阵检测技术研究进展J中国化工装备，2012，14（6）：15-18.3 周正干，李洋，周文彬相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展J机械工程学报，2016，52（6）：1-11.4 美国无损检测学会美国无损检测手册（超声卷）M美国无损检测手册译审委员会，译.上海：世界图书出版公司，1992：430-431.5 靳世久，杨晓霞，陈世利，等超声相控阵检测技术的发展及应用J电子测量与仪器学报，2014，28（9）：925-934.202301162023年 第4期 热加工106增 材 制 造Additive Manufacturing接时飞溅小、成形美观，在此基础上开发的双丝焊工艺，兼顾焊缝质量的同时，可以大幅度提升焊接熔覆效率。双丝焊接设备采用双丝共枪结构，前后两丝在同一个熔池中不断熔化，前丝为后丝提供预热，后丝为前丝进行再热，使堆焊层组织和性能得到改善3，同时由于两条焊丝彼此绝缘，因此可进行十分灵活多样的搭配。这样不仅可以独立调节两条焊丝的参数，还能根据具体的应用需求选用两种不同直径、不同材料的焊丝，从而覆盖了十分广泛的应用范围。共熔池双丝焊工作原理如图1所示4。要化学成分见表2，焊丝直径为1.2mm；保护气为80%Ar20%CO2。表1母材化学成分（质量分数）（%）CSiMnS p0.220.350.140.0450.045 表2焊丝化学成分（质量分数）（%）CSiMnCrMo0.572.560.548.960.01传统的单丝堆焊焊接参数见表3。表3堆焊焊接参数焊接电流/A电弧电压/V焊接速速/（cm/min）干伸长/mm气体流量/（L/min）摆焊参数164 19.8181518无焊接效果如图3所示，焊道宽度为10.64mm，焊道高度为3.43mm，熔深1.13mm。图1共熔池双丝焊工作原理a）机器人设备 b）焊机图2堆焊系统及硬件图3单丝堆焊效果作为对比试验的单丝焊，通过双丝焊接系统进行单双丝的自由切换获得，其他焊接方式、保护气等条件保持不变。试验中采用CLOOS的QINEO PULSE 600焊机为焊接电源，用以熔化堆焊焊丝；采用CLOOS机器人搭载双丝焊焊枪，保证焊接时焊枪移动的精度，控制焊接速度，其中部分堆焊系统及硬件如图2所示。3 试验方法与工艺试验采用的母材为Q235钢，主要化学成分见表1，厚度为12mm；采用UTP AF ROBOTIC 600耐磨焊丝，型号为DIN 8555：MSG 6-GF-60-GP，主对于双丝堆焊试验，焊接方式、保护气等条件与单丝堆焊保持一致，试验中干伸长为20mm，采用正交试验方法，通过调整前丝电流、后丝电流和焊接速度，进行三因素四水平正交试验。通过焊道成形观察与测量，统计焊道宽度和焊道高度数据，部分焊接参数和焊道尺寸见表4。通过统计双丝焊的焊接电流、焊道宽度和焊道高度数据，可知当焊接电流和焊接速度发生变化时，考虑焊道前后成形尺寸波动和测量误差，焊道高度变化不明显，焊道宽度变化较为明显。当焊接速度保持不变，分别为35cm/min、40cm/min和45cm/min时，分别对焊道宽度与前丝、后丝电流的关系进行曲面方程拟合，建立曲面方程模型函数为ya0a1x1a2x2a3 x1x2a4 x12a5 x22 （1）式中 y焊道宽度（mm）；x1前丝电流（A）；x2后丝电流（A）；a0，a1，a2，a3，a4，a5系数。当焊接速度分别为35cm/min、40cm/min和45cm/min时，方程中的系数a3、a4和a5近似于0，当2023年 第4期 热加工107增 材 制 造Additive Manufacturing由式（2）可知，焊道宽度与前丝电流和后丝电流正相关，近似呈线性关系，同时后丝电流对焊道宽度的影响更大。在实际焊接过程中，前丝对后丝有预热作用，后丝对熔池作用明显，熔池受后丝电弧力的作用和持续热量的影响，会增加熔池中金属液流淌的趋势，最终导致焊道宽度增加。当双丝堆焊的焊接电流分别为140A和120A、焊接速度为30cm/min时，焊道宽度为10.73mm、高度为3.23mm、熔深为0.82mm，焊道成形良好，堆焊效果如图5所示。此时双丝焊堆焊尺寸与单丝堆焊近似，同时双丝堆焊熔深变浅，热影响区减小，在堆焊过程中，与母材反应程度降低，稀释率降低，有利于提升堆焊质量；焊接速度比传统的单丝堆焊提升了50%以上，生产效率大幅度提升。图4焊道宽度与双丝焊焊接电流关系图5双丝焊堆焊效果速度为35cm/min时，曲面拟合方程为y25.70.068x10.350 x20.000 x1x20.000 x120.001 x22 （2）由此可知，拟合方程中x1x2、x12和x22项的大小对y值影响较小。用拟合公式对速度为40cm/min和45cm/min时的试验数据进行检测，带入前丝电流和后丝电流求取y值，计算的y值与实际焊道宽度的误差较均匀。由式（2）得出焊道宽度与双丝焊焊接电流的关系如图4所示。表4双丝焊焊接参数前丝焊接电流/A前丝电弧电压/V后丝焊接电流/A后丝电弧电压/V焊接速速/（cm/min）焊道宽度/mm焊道高度/mm12020.410020.9308.922.7514021.310020.9358.932.8316022.210020.9409.013.0218023.010020.9459.023.4512020.412021.23012.033.0514021.312021.23511.123.2516022.212021.24011.233.0818023.012021.24512.243.5212020.414022.43011.843.0614021.314022.43512.263.0716022.214022.44012.883.1318023.014022.44513.023.2112020.416023.33512.722.8614021.316023.34013.232.8816022.216023.34513.903.0218023.016023.35013.923.014 组织检测及分析对于双丝堆焊和单丝堆焊样件，经切割获得20mm10mm10mm堆焊试样，对其进行性能测试分析，其中焊接参数见表5。表5试样主要焊接参数项目焊接电流/A电弧电压/V焊接速速/（cm/min）双丝焊试1120（前）100（后）20.4（前）20.9（后）30双丝焊试2120（前）120（后）20.4（前）21.2（后）30双丝焊试3140（前）120（后）21.3（前）21.2（后）30单丝焊试样164 19.8184.1 显微硬度检测采用中国莱州华银试验仪器有限公司600HVS-1000AVT型图像显微硬度计对样品进行显微硬度检测，压头为四棱锥状的Vickers压头，载荷为300g（2.94N）和100g（0.98N），保载时间为15s。将双丝焊试样和单丝焊试样沿熔合线垂直方向以焊缝表面为起始测量点，间隔1mm进行打点测量，每个测量位置测量多次取平均值，得到截面平均显微硬度分布曲线（见图6）。由图6可知，在焊2023年 第4期 热加工108增 材 制 造Additive Manufacturing缝表面位置，双丝焊与单丝焊试样硬度值接近；从焊道表面至距离焊道表面3mm处，双丝焊试样硬度值基本保持不变，其中双丝焊试样2的硬度值略有提升，单丝焊试样硬度值平缓下降；在距离焊道表面35mm处，双丝焊与单丝焊试样硬度值急剧下降，直到趋近于基体硬度（140HV0.2）。由显微硬度检测可知，双丝焊试样堆焊层表面硬度达到700HV0.2以上，满足实际堆焊应用的硬度要求。在单丝堆焊和双丝堆焊过程中，堆焊层合金元素向母材基体扩散，堆焊层距离母材位置越近，硬度下降越明显。由硬度分布曲线可知，单丝堆焊过程中，元素扩散过程比较稳定，硬度值受距离影响明显，随着堆焊层接近母材，硬度值平稳下降；在双丝堆焊过程中，利用双丝焊的温度场及热循环，元素扩散过程得到改善，堆焊层的组织和性能得到优化，在距离堆焊层表面一定范围内，硬度值基本保持不变。4.2 摩擦磨损性能测试将双丝堆焊试样与单丝堆焊试样，在相同环境条件（温度：2830，湿度：60%）下，在球对盘HT 1000机上进行干滑动磨损试验。试验选用直径为4mm的Si3N4球，载荷为10N，滑动速度固定在59mm/s，磨损时间持续30min。磨损量采用FA2104精密天平测量。观察试验过程，发现在较小的载荷和较低的速度下，双丝焊试样2在经历较短时间的磨粒磨损和塑性变形混合的轻微磨损阶段，约1min后趋于稳定，摩擦系数曲线变化趋势与单丝焊试样相仿。双丝焊试样1的摩擦系数波动较大，双丝焊试样3经历较长a）瞬时摩擦系数b）摩擦过程中的质量损失图7试样摩擦磨损性能测试结果时间后进入摩擦稳定阶段。其中单丝焊试样的摩擦系数最小，在0.4左右波动，双丝焊的摩擦系数为0.60.8。由于试样温度较低，故试样均未出现熔融磨损。试样摩擦磨损性能测试结果如图7所示。由图7b可知，双丝焊试样摩擦损失质量极小，单丝焊试样摩擦损失质量测得约为1.5g。摩擦磨损性能测试结果说明双丝堆焊试样与单丝堆焊相比，摩擦系数增大，磨损量降低。图6样品纵截面纵向显微硬度4.3 磨损表面组织性能测试材料磨损是一个复杂过程，为了确认磨损量的损失原因，使用ZeissSigma扫描电子显微镜（SEM）、Smartedx能谱仪（EDS）对双丝堆焊试样和单丝堆焊试样经摩擦测试后的磨损表面进行形貌和成分分析。双丝堆焊试样和单丝堆焊试样经摩擦测试后磨损表面的SEM和EDS图像如图8所示。由图8可知，双丝焊试样1表面以浅而细的犁沟为主，带有少量的黏着痕迹，此时磨损主要是磨粒磨损；单丝焊试样2023年 第4期 热加工109增 材 制 造Additive Manufacturinga）双丝焊试样1b）单丝焊试样图8磨损表面的SEM和EDS图像表面黏性区域变大，同时有大量的白色颗粒物，经EDS对比和分析，白色颗粒物主要是含Si元素的化合物，该硅化物主要是在干摩擦磨损过程中，因对磨副的硬度高，磨损掉的颗粒物附着在试样表面，此时磨损主要是磨粒磨损和黏着磨损。推断在单丝堆焊时，形成硅化物的金属晶体抗黏着性能较差，使摩擦磨损过程中黏着磨损增加，磨损量增加；双丝堆焊时，硅化物的成分和结晶状况得到改善，降低了磨损量。5 结束语在堆焊作业中，采用双丝堆焊工艺方法，通过调整焊接参数，控制堆焊层成形尺寸，同时利用双丝焊的温度场和热循环特性，改善焊缝成分和结晶状况，降低稀释率，使堆焊层组织性能和耐磨性有一定提升，堆焊效率大幅度提升。本文的研究结果，对地下工程装备的堆焊应用，以及双丝焊在堆焊领域、电弧增材等方面的应用具有参考价值。参考文献：1 李沿江GMA增材制造堆积尺寸视觉传感与解耦控制D成都：西南交通大学，2020.2 张海鸥，王超，胡帮友，等金属零件直接快速制造技术及发展趋势J航空制造技术，2010（8）：43-46.3 从保强，欧阳瑞洁，乔柳平不同CMT工艺2014-T6焊缝成形及气孔分析J焊接学报，2015，36（5）：37-40.4 曹梅青，邹增大，张顺善，等双丝电弧焊研究现状及进展J山东科技大学学报（自然科学版），2008，27（2）：88-91.5 熊俊，薛永刚，陈辉，等电弧增材制造成形控制技术的研究现状与展望J电焊机，2015，45（9）：45-50.20230118