关键词：
高层建筑多向钢节点
电弧熔丝增材制造
金属丝材
空间曲面堆积工艺
锆合金化
组织与性能
摘要：
高层建筑多向钢节点为建筑钢结构中的关键部件,其一般由多个不同朝向、不同尺寸的圆管件或箱型件组成,管管之间以空间相贯的方式连接,结构复杂。多向钢节点一般用于承受钢结构不同方向的力的作用,长期处于复杂载荷状态,高层建筑多向钢节点必须具备高的强度和良好的韧性。目前,高层建筑多向钢节点的制造方法主要为焊接和铸造,然而,受限于多向钢节点结构特点和性能要求,焊接、铸造都难以多向钢节点的高质量、高性能制造。电弧熔丝增材制造利用电弧热熔化金属丝材,通过层层堆积实现金属构件的制造。电弧熔丝增材制造技术是制造高层建筑多向钢节点的有效方法。本文采用电弧熔丝增材制造技术制造强度级别为460MPa的高层建筑多向钢节点,并分别从丝材研制、曲面成形工艺参数、组织转变规律、Zr合金化与9向钢节点增材制造五个方面进行了系统性的研究,取得的主要研究成果如下:以Q460钢的化学成分和力学性能为目标,结合电弧熔丝增材制造的工艺特点,研制出了适用于电弧熔丝增材制造高层建筑多向钢节点的金属丝材。研制的丝材采用镁粉作为稳弧剂,在电流为140～220 A,电压为16～20 V的条件下,电弧燃烧与熔滴过渡稳定,飞溅率低（≤2%）,堆积金属成形优良。堆积金属的抗拉强度为659.7MPa,常温冲击韧性为141.7J,力学性能满足460MPa级低合金高强钢的力学性能要求。基于“单摆理论”和空间曲面结构数学模型,将空间曲面中的曲线分解为X-Y平面的回转体线和X-Z平面或Y-Z平面的类三角函数曲线,并对平面与曲面堆积时熔池受力模型进行分析。结合理论分析和试验验证计算得到:曲面堆积成形过程中,当枪体偏移角度2与堆积金属位置（倾斜角度1）之间满足sin（2-1）=0.06sin1关系时,曲面堆积成形质量良好,并研究了不同堆积工艺参数对曲面堆积成形精度的影响规律。电弧熔丝增材制造成形构件的组织从上到下,依次为凝固区、完全奥氏体化区、部分奥氏体化区和回火区,成形构件每一部分都会经历凝固区、完全奥氏体化区、部分奥氏体化区、回火区四个阶段。凝固区由液态金属凝固转变而来,具有典型的柱状晶特征;完全奥氏体化区是由凝固区加热到1100℃以上转变而来,完全奥氏体化的柱状晶特征明显减弱;部分奥氏体化区是由完全奥氏体化区加热至Ac1至1100℃之间转变而来,部分奥氏体化的柱状晶特征基本消失;部分奥氏体化区经历多次峰值温度为600℃左右的热循环而转变为回火区,回火区基本上完全由等轴晶组成。由于夹杂物（Zr O2·Al2O3·Mn O·Si O2·Mn S）和铁素体核的析出,从凝固区到回火区,先共析铁素体（PF）、侧板条铁素体（FSP）和针状铁素体（AF）减少,而细晶粒铁素体（FGF）增加,平均晶粒尺寸从75μm减小到20μm。在电弧熔丝增材制造过程中,复合夹杂物既能够阻碍原奥氏体晶粒的长大,又能够诱导AF形核,其中诱导AF形核的机制主要包含三种形式:夹杂物诱导形核,残留晶核诱导和感生形核。三种诱导机制会使得堆积金属中形成大量的AF,大量AF的形成会细化成形构件的晶粒尺寸,提高成形构件的力学性能。当Zr的含量为0.015 wt.%时,堆积金属晶粒的平均尺寸最小为12.3μm,AF的含量最大达到62%。与未添加Zr的堆积金属相比,当Zr的含量为0.015 wt.%时,构件的拉伸强度提高了36%,常温冲击韧性提高了27%,构件横纵力学性能的差值在±5%以内。基于管管相贯的结构特点,提出了基于曲面分层的切片方式,并针对不同形状的成形路径进行不同的路径规划。对于马鞍形曲面,采用“回”字形路径填充;对于带拐点的相贯曲面,采用“弓”字形路径填充。堆积成形构件的尺寸误差不超过±0.5 mm,相贯角度误差值不超过±0.4°（24′）。相对于铸造件,电弧熔丝增材制造的高层建筑九向钢节点的拉伸强度值提高了13.8%,常温冲击韧性提高了100%以上。电弧熔丝增材制造的高层建筑九向钢节点的力学性能优良。
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