电流波形对 2209 双相不锈钢双丝增材制造的影响论文

 

　　关键词：电流波形,电弧双丝增材制造,2209双相不锈钢,力学性能,微观组织

 

 

　　电弧增材制造技术（WAAM）是以焊接电弧为热源，焊丝为熔覆材料，采用逐层堆焊的方式进行加工制造[1-3]。为了进一步提高增材制造速度和效率，近年来，研究人员尝试采用双丝电弧增材制造工艺（Double-WAAM）。蒋旗等[4]使用CMT-P研究了4043铝合金增材制造试验，结果表明CMT-P增材制制作试样得到拉伸性能优于CMT增材制造试样；Li和Wang等[5]通过改变每层双线速度研究了308 L不锈钢和Inconel 625梯度功能材料电弧增材制造试验，结果表明随着Inconel 625的改变能影响其奥氏体枝晶晶粒尺寸和力学性能的变化；勾健等[6]通过CMT-P方法进行TC4增材制造试验，结果得出其试样拉伸性能最高可达1 124 MPa；张文明等[7]采用CMT技术研究了319铝合金电弧增材制造成型和显微组织，得出增材工艺参数是直接影响成型质量与组织性能的决定性因素。双电弧的相互影响使得电弧增材制造状况十分复杂，在Al-Zn-Mg-Cu铝合金电弧增材中，林三宝等[8]研究多个工艺参数对电弧增材制造成型的影响，得出匹配变极性频率和送丝速度是稳定双丝间的电弧，减小气孔率缺陷的关键。因此，在合理匹配两个及以上工增材制造艺参数来控制增材制造的稳定成型和机械性能是一个重要且关键的课题[9-14]。

 

　　双相不锈钢具有良好的力学性能与耐蚀性能，在造纸、石油化工、海洋工程等众多领域得到广泛的应用[15]。国内对于双相不锈钢的研究主要集中在力学性能、热加工变形性能及组织等方面[16-17]。胡玉[18]研究了CMT焊接参数（焊接电流、送丝速度和焊接速度）对S32101双相不锈钢焊缝成形特性。结果表明，熔宽、熔深和余高均受着多种焊接参数的影响；杨景卫和李涛等[19]研究激光焊接速度对2205双相不锈钢熔池凝固速率和冷却速率变化趋势，分析了熔池凝固过程对焊缝组织的影响，结果表明焊接速度能够直接影响焊缝熔深熔宽及焊缝晶粒尺寸；张志强等[20]探究激光功率对UNS S32750超级双相不锈钢焊接头点蚀和组织的影响，结果得出提高激光功率对超级双相不锈钢的奥氏体相有积极帮助，抑制其他相析出；李科等[21]探究了热输入对超级双相不锈钢增材制造微观组织及性能的影响，结果表明热输入影响奥氏体和铁素体含量的比例，对超级双相不锈钢的机械性能有着直接的影响。不仅如此，JT Pacheco等[22]还使用PTA-DED和L-DED方法探讨热循环与后处理对双相不锈钢增材制造试样微观结构的影响。

 

　　综上所述，关于在电流波形对双相不锈钢电弧增材制造影响机制方面的研究相对较少。因此，本文在CMT-P和DC-P两种电流波形模式下进行2209双相不锈钢的双丝电弧增材制造，并对比研究试件微观组织和力学性能，为电流波形对双相不锈钢在增材制造领域提供一定理论和实践依据。

 

 

　　增材制造不同电流波形如图1所示。基板选用材料为2205双相不锈钢平板，尺寸为250 mm×180 mm×10 mm。基板在加工前进行表面预处理，先用砂纸对基板表面进行有效打磨，以去除表面附着氧化膜，再用丙酮清洗基板表面的油污和灰尘。焊接材料选用两根焊丝采用直径1.2 mm的ER2209焊丝。ER2209焊丝和2205双相不锈钢基材的化学成分如表1所示。CMT-P和DC-P电弧增材制造的送丝速度都为3.6 m/min，使得两者具有相同的熔覆速率，其他主要工艺参数如表2所示。

 

　　双丝增材制造试验装置如图2所示，电弧双丝增材制造层数为60层，并切取测试试样（图3）进行显微组织和力学性能分析。使用维氏硬度计进行硬度测试；用伺服控制万能材料试验机对试样进行拉伸测试，检测准为GB/T228.1-2010。为了保证测量结果的准确性和可靠性，计算3次测试结果的平均值以减小测量误差。在金相分析前，金相试样先经打磨和抛光处理后，再使用王水侵蚀20 s后通过用显微镜观察组织。拉伸断面试样使用扫描电子显微镜（SEM）对断口形貌进行观察分析。