不同工艺下GH4169镍基高温合金电弧增材制造热力场数值模拟

来源 ：材料与测试网

导读:采用SimufactWelding软件建立电弧增材制造 GH4169镍基高温合金的有限元模型, 对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同沉积路径(单向沉积、往复沉积)和不同层间冷却时间 (0,60,120s)下多层单道成形过程中的热力场及变形量。结果表明:模拟得到电弧增材制造过程 中的热循环曲线和残余应力与试验结果相吻合,相对误差分别小于9%和3%,验证了该模型的准 确性;与单向沉积路径相比,往复沉积路径可以改善成形件热分布和应力场分布的均匀性,应力场 和热积累的影响范围较小,温度和残余应力较低,变形对称性较好;随着层间冷却时间的延长,热积 累、残余应力和变形量均降低,但降低幅度逐渐减小。采用往复沉积路径且层间冷却60s时,电弧 增材制造 GH4169镍基高温合金的成形质量较好。

电弧增材制造技术基于传统焊接技术发展而 来,具有成本低、生产效率高、材料利用率高等优点,且制备得到的成形件成分均匀,致密度高,广泛应用 于航空航天、国防军工等领域[1-2] ;同时该技术的开 放环境对成形件尺寸无限制,便于成形大型复杂结 构件,成形速率可达10kg·h -1,具有其他增材制造 技术不可比拟的生产效率和成本优势[3-5]。

在电弧增材制造过程中,热源作用时间较长,沉 积方式多样,温度场分布不均匀,成形件内部会产生 较大的热应力,导致出现微裂纹、变形等缺陷,成形 质量难以控制[6-8]。DING 等[9-10]利用瞬态热力学有 限元模型研究了电弧增材制造过程中温度场与应力 场的变化规律,发现成形件的残余应力与成形过程 中的熔池最高温度呈线性关系,并基于此改进了电 弧增材制造热力场的计算模型,可明显提高计算效 率。KAMBLE等[11]通过研究多层单道电弧增材制 造成形件的热力场,发现堆焊层区域的热积累最严 重,当设置层间冷却后,在堆焊层与基体交界处产生 应力集中。XIONG 等[12]研究发现,电弧增材制造 过程中道间等待时间对散热的效果会受成形件内部 的热积累效应影响。FILIPPO 等[13]引入基于撞击 空气射流的成形件冷却系统来改善电弧增材制造过 程的散热能力,并建立有限元分析热模型进行温度 场仿真,发现该冷却系统可有效稳定熔池尺寸和层 间温度。王桂兰等[14]在研究基板厚度对电弧增材 制造热力场演变过程的影响时发现,基板厚度的增 加有利于减小残余应力的影响范围和成形件的翘曲 变形。目前,国内外有关电弧增材制造过程中不同 工况条件下的温度场、应力场和热变形的定量研究 较少,而探索工况对增材制造过程温度场和应力场 的影响机制,进而优化电弧增材制造工艺参数以实 现高精度成形十分重要。为此,作者采用 Simufact Welding有限元分析软件,建立了多层单道电弧增 材制造 GH4169镍基高温合金的有限元模型,并对 其进行了试验验证;对不同沉积路径(单向沉积,往 复沉积)和不同层间冷却时间(0,60,120s)条件下 的电弧增材成形高温合金的热力场和变形量进行了 模拟。

1 试样制备与试验方法
试验材料选用直径为1.6mm 的 GH4169镍基 高温合金焊丝,由北京亿达昆泰科技有限公司提供, 化学成分见表1;基板材料为45钢,化学成分见表 2,其尺寸为210mm×110mm×10mm,试验前用 丙酮擦拭基板上表面以去除油污。增材制造试验平 台由松下 YC-315TC 型钨极氩弧焊电源、WF007A型送 丝 机、VMC600 型 加 工 中 心、FANUC LR Mate200iD 型机器人构成,增材制造工艺参数为电 流180 A,焊 接 速 度 150 mm·min -1,送 丝 速 度 750mm·min -1,往复沉积路径,层间冷却时间60s。 在基板上堆焊出单道10层长150mm 的成形件,成 形件的几何模型见图1,用压板将基板固定在试验 台上。

在电弧增材制造过程中,采用 Fluke-Ti400型 红外热成像仪对成形件的温度进行记录,测试位置 位于成形件中垂线上距成形件中心20mm 的基板 处,并用SmartView 软件进行数据处理。增材制造 结束后,将应变花粘贴在位于成形件中垂线的基板 上,采用JHMK-10型应力检测系统应用盲孔法测 成形件的残余应力分布,盲孔孔径为2mm。

2 有限元模拟
2.1 有限元模型
利用 Simufact Welding焊接模拟软件对电弧 增材制造过程进行热弹塑性分析,有限元模拟的工 艺参数与试验参数一致。采用 Hypermesh软件划 分网格,单元类型为八节点六面体单元,为保证计算 的精度以及效率,基板处引入过渡网格,采用1∶2与 1∶3过渡,在堆焊的第1层通过内插法均匀布置节点 种子从而建立圆弧模型,第2层至10层的网格利用 第1层焊道上边缘的节点依次向上保持形状一致, 整体呈现“瓦片状”的堆叠结构。模型的网格总数为 41428,节点 总 数 为 62071,具 体 网 格 划 分 如 图 2 所示。

2.2 材料热物理性能参数

材料的热物理性能随着温度变化呈典型非线性 变化,尤其难以得到在金属固/液界面较高温度下的 性能参数。为确保仿真的准确性,借助专业材料性 能模拟软件JMatPro来得到材料的热物理性能参 数。将试验材料的化学成分输入JMatPro软件中 计算出不同温度下45钢和 GH4169镍基高温合金 的热物理性能参数,并与已有的材料热物理性能参 数进行对比来修正,最终计算结果见图3。

2.3 热源模型及边界条件
双椭球热源模型充分考虑了电弧热流沿板厚方 向的分布以及电弧对熔池的搅拌作用,因此采用双 椭球热源模型对 GH4169 镍基高温合金的电弧增 材制造过程进行数值模拟。前、后半部分椭球的热 流密度分布表达式如下:

式中:qf,qb 分别为前、后半部分椭球的热流密度分 布函数;a 为熔池宽度;b 为熔池深度;cf 为前半轴 长度;cb 为后半轴长度;Q 为热输入有效功率;ff, fb 分别为前、后半部分椭球的热流密度分配系数, ff+fb=2。 双椭球热源模型参数如表3所示。

有限元模拟过程中的边界条件主要包括热分析 中的对流及辐射换热条件和力分析中的位移边界条 件,成形件主要通过与空气进行热辐射、对流以及与 基板接触进行热传导来实现散热。设置初始温度为 20 ℃,与空气的对流传热系数为50 W·m -2·K -1, 辐射换热系数为0.6;由于金属基板的散热条件良 好,设置传热系数为500W·m -2·K -1。为防止电弧 增材制造过程中发生由热积累过大导致的基板变形,在基板四周通过向压板施加载荷来限制基板z 轴方向的变形,设置螺栓刚度为1×10 6 N·m -1,压 板载荷经多次试验对比最终设置为150N。

3 模型的试验验证

将基板上距成形件中心20mm 处温度的模拟结 果与试验结果进行对比。由图4可知,模拟得到电弧 增材制造过程中测试点的热循环曲线与试验结果相 吻合,相对误差小于9%,验证了有限元模型的准确性。电弧增材制造过程中测试点温度经历了10次波 动,表明发生了10次温度骤增与骤降的过程。

将基板上垂直于成形件中垂线上的残余应力 的模拟结果与试验结果进行对比。由图5可以看 出:电弧增材 制 造 成 形 件 试 样 的 残 余 应 力 分 布 模 拟结果与试验结果吻合较好,相对误差小于3%, 证明了有限 元 模 型 的 准 确 性;成 形 件 试 样 的 残 余 应力均为拉应力,且在堆焊层区域的拉应力较高, 这主要是由 于 堆 焊 层 经 历 多 次 热 循 环 过 程,温 度 变化较大所致。

4 不同工艺下的热力场与变形量模拟结果

4.1 不同沉积路径下的温度场
电弧增材制造的沉积路径决定热源移动方式, 从而影响成形件的热力场。由图6可以看出:电弧 增材制造结束后,成形件的热量由熄弧端向起弧端 传递,成形件和基板上的温度以成形件中垂线为中 心呈对称分布;与往复沉积路径相比,单向沉积路径 下成形件的散热能力较弱,成形件熄弧端产生的热 积累较严重,且热积累分布区域较大。可知,往复沉 积路径可以改善成形件整体的温度分布均匀性,对 提高成形质量具有重要作用。

由图7可知,单向与往复沉积路径下成形件中 点的最高温度与堆焊层数呈正相关。2种路径下第 1堆焊层中点的最高温度相同,随着堆焊层数的增 加,散热条件变差,最高温度升高。单向沉积路径下 每层中点的最高温度均高于往复沉积路径下,并且 最高温度的差值随着堆焊层数的增加而增大。原因 在于单向沉积路径下成形件散热条件较差,热积累 逐渐增加,使温度升高较大,而往复沉积路径下,热 源呈S形运动,此过程中成形件的散热条件较好, 热积累较少,因此最高温度较低。

4.2 不同沉积路径下的应力场及变形量

由图8可知:单向与往复沉积路径下成形件的 整体残余应力基本以成形件中垂线为中心呈对称分 布,最大应力位于成形件与基板接触处;往复沉积路 径下成形件的应力场比单向沉积路径下更均匀,影 响范围较小,单向沉积路径下熄弧端成形件与基板 接触处的应力较大,这是由于往复沉积路径下,焊接 热源呈 S形运动,起熄弧交替变化,成形件整体热 量分布较均匀,温度梯度较小,而在单向沉积路径下,热源移动方向不变导致熄弧端的温度梯度较大 所致。

由图9可知:单向和往复沉积路径下成形件距 基板距离较近处的残余应力较大,随着距基板距离 的增加,残余应力先略微增大后大幅减小;往复沉积 路径下成形件沿高度方向的整体残余应力比单向沉 积路径下小,其中单向与往复沉积路径下成形件的 最大残余应力分别为829.6,825.1MPa。

由图10可以看出:单向和往复沉积路径下成形 件均发生弯曲变形,且成形件边缘变形量最大;2种沉积路径下成形件的最大变形量相差较小,但在单 向沉积路径下,后几道堆焊层变形的不对称程度较 高。随着堆焊层数的增加,成形件的散热能力逐渐 降低,在往复沉积路径的成形过程中,成形件经历的 温度梯度较小,因此成形件的变形对称性较好。

4.3 不同层间冷却时间下的温度场

电弧增材制造成形件在起弧端由于热源停留作 用易形成熔滴积累,而熄弧端易形成凹坑,导致两端 的温度变化较复杂,因此仅对往复沉积路径下不同 层间冷却时间时成形件各堆焊层起弧端和熄弧端的 温度差进行分析。由图11可知:往复沉积路径下起 弧端与熄弧端轮流交替,导致二者的温度差正负交 替,但是当层间冷却时间为0时,第2层的起弧端为 第1层的熄弧端,中途未经历冷却过程,热积累严 重,因此第1层和第2层起弧端与熄弧端的温度差 未出现正负交替的现象;随着层间冷却时间的延长, 成形件两端的温度差有减小的趋势,可知延长层间冷 却时间有利于减小成形件起弧端与熄弧端的温度差。

层间冷却能够保证成形过程处于稳定的热环 境,随着层间冷却时间的延长,成形件内部的热量传 导更加充分,且传递到环境的热量也更多,使得成形 过程中成形件的热量分布更加均匀,有利于降低温 度。由图12可知:当焊接热源接近成形件堆焊层中 心位置时,熔池温度迅速升高,随着焊接热源的远 离,该位置进入冷却阶段,温度逐渐降低;与未设置 层间冷却(层间冷却时间为0)时相比,设置层间冷 却的堆焊层中点温度较低,且60,120s层间冷却时 间下的温度下降速率极为接近。层间冷却后成形件 的散热时间较长,内部热量积累较少,温度较低,但 当层间冷却时间达到一定值后,层间冷却工艺对成 形件的冷却作用减弱,因此从增材制造成形效率方 面考虑,成形过程中设置的层间冷却时间不宜过长。

4.4 不同层间冷却时间下的应力场及变形量
由图13可以看出:不同层间冷却时间下,随距 起弧端距离的增加,第5堆焊层中心线处的残余应 力基本沿成形件长度方向呈对称分布,先迅速增大,距起弧端约20mm 后趋于稳定,距熄弧端约20mm 处迅速减小;0,60,120s层间冷却时间下稳定区域 的残余应力分别约为965,880,862 MPa,无层间冷 却时堆焊层的整体残余应力大于有层间冷却;随着 层间冷却时间延长,堆焊层残余应力降低,且下降幅 度明显减小。未设置层间冷却时,堆焊层热量不能 及时传递,热积累较严重,且热影响范围较大,致使 堆焊层内部残余应力较大。

由图14可知,堆焊层两端变形量较大,0,60, 120s层间冷却时间下的最大变形量分别为1.47, 1.32,1.23 mm,变形量随层间冷却时 间 延 长 而 减 小,因此可适当延长层间冷却时间以保证成形件的 尺寸精度。

5 结 论
(1)采用SimufactWelding有限元分析软件模 拟得到的多层单道电弧增材制造过程中的热循环曲 线和残余应力与试验结果相吻合,相对误差分别小 于9%和3%,说明该模型可以较准确地模拟不同工 况下 GH4169镍基高温合金电弧增材制造过程中 的热力场。

(2)模拟结果显示在多层单道堆焊过程中,与 单向沉积路径相比,往复沉积路径下成形件的热积 累较小,影响范围较小,最高温度较低,往复沉积路 径可以改善成形件整体的热分布均匀性;往复沉积 路径下成形件的应力场较均匀,影响范围较小,熄弧 端靠近基板处的残余应力较低,沿高度方向的整体 残余应力较低,成形件的变形对称性较好。

(3)随着层间冷却时间的延长,成形件堆焊层 起弧端与熄弧端的温度差降低,中点温度降低,但当 层间冷却时间大于60s时,层间冷却工艺对堆焊层的冷却作用减弱;随距起弧端距离的增加,成形件堆 焊层的残余应力先迅速增大,再趋于稳定,然后迅速 降低,随着层间冷却时间延长,残余应力和变形量均 降低,但下降幅度明显减小。

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