关键词： 电弧增材成形   残余应力   有限元模拟   成形路径   基板形状  

摘要： 基于ANSYS建立了三维有限元模型,采用APDL函数控制单元沿设定轨迹的生死,研究了3种环形路径和2种基板对残余应力的影响,比较分析了不同条件下残余应力及其分布规律。结果表明:同向路径的应力水平最低,加槽基板能够有效地降低残余应力,底部第一主应力平均减少29.86%。基板变形试验与模拟结果吻合,证明了模型的正确性。

关键词： 电弧增材制造   不锈钢   组织力学性能   数值仿真   温度场  

摘要： 电弧增材制造是一种利用多层，多道堆叠原理，由若干层熔敷金属片层层累积叠加直接成型高致密度、高性能的三维构件的快速制造方法，它是一种新兴的制造技术，可以大大提高材料利用率和生产效率。　　本文基于CMT研究以316不锈钢零件为基板的增材制造技术，选定直壁零件作为增材制造过程中的研究对象。首先利用数值仿真研究了温度场、应力场，然后分析了增材制造工艺和成形件的力学性能和微观结构。具体研究内容如下：　　首先，研究了316不锈钢CMT-3D打印过程中的温度场和应力场。使用SYSweld软件规划有限元模型，分析比较连续增材制造和往返连续增材制造路径下温度场与应力场的特征，数值仿真分析得知，在堆叠到一定层数后，熔敷层的温度低于奥氏体不锈钢敏化温度区域以下，且处在较为平稳的状态;同时可以控制层之间的温度以获得较小且稳定温度值，说明以316不锈钢作为基板基于CMT连续焊接过程中热量的累积并不显著。以奥氏体不锈钢为基板的增材制造工艺后的残余应力大于屈服强度;在焊接方向为同向连续增材制造时会伴随着较大的残余应力。相较而言，当使用往返连续增材制造路径时，残余应力的分布相对分散，具体在于：在控制层间温度时，较小区域的应力分布较为集中，较大区域的应力分布比较分散，且都呈现对称分布。增材制造过程中的再加热效果等同于回火热处理，这降低了熔敷层中的残余应力。　　然后研究了堆叠速度、弧焊电压和电流对工艺的影响，并确定了最合适的工艺参数。在稳定的堆叠速度下，熔体高度的变化基本上呈线性增加;随着堆积电压的增加，层压板的熔体宽度变大，每层的层高度略有下降，但效果较弱;当需要确保堆叠效率时，最好将堆叠电流保持在140A左右;电压稳定在16V至22V之间;电流不应太小，电流太小，不能形成不连续焊接，大颗粒飞溅显着增加。　　最后，研究了成形直壁构件的微观结构和力学性能。取决于所经历的热循环过程，成形直壁构件中的微观结构主要分为6个区域，其中I区域是底部区域，它含有一部分树枝状铁素体，II区是含有少量奥氏体柱状晶体的区域，这些晶体是通过熔覆层之间的熔合形成的。IV区是中心稳定形成区，铁素体较少，V区是顶区，铁素体含量最多。所形成的直壁构件的拉伸强度在316冷轧后达到退火不锈钢基板的75％，并且均高于铸态和热轧状态，并且硬度等于基板;横向和纵向之间的拉伸强度和延展性没有显着差异;控制层之间的温度对由316不锈钢形成的直壁部件的机械性能几乎没有影响。　　综上所述，本文通过对CMT电弧增材制造工艺研究、成型件的组织与力学性能的分析，表明电弧增材制造工艺适用于316不锈钢件，且最佳打印路径为往返式连续打印。