电弧增材制造中铝合金的应力与变形的模拟

杜泽林

摘要：铝合金在航天工业中有着重要地位，其强度适中，塑性好，密度低，具有较强的抗腐蚀性，且抗裂纹能力好。但在焊接过程中产生的残余应力和由其引起的焊接变形对材料的成形质量有很大的影响，为了克服这一问题，本文通过有限元模拟的方式不同工艺参数的电弧增材制造过程进行了计算并绘制成曲线图进行分析讨论。研究了焊接残余应力及焊后变形受工艺参数影响的规律，认为通过调整焊接热输入可以在一定程度上实现对残余应力及变形的控制。

关键词：铝合金;电弧增材制造;有限元模拟;应力与变形

0  引言

航天设备的发展与高强度合金利用技术的进步息息相关。铝合金作为强度高，成形效果好，耐腐蚀，成本低的优秀合金，被大量应用在航天科技领域之中。随着航空航天工业的快速发展，其对合金材料的要求也越来越高，对构件的成形质量和工艺也有很高的要求。传统的加工方法生產周期长，成本高，不易加工等诸多缺点限制了航空航天业的发展，对崭新工艺的要求日益增多。近些年来，俗称3D打印的堆积成形工艺方式增材制造（Additive Manufacture，AM）开始被应用于各项科技工业领域，其成本低廉，节省加工材料，生产周期短，操作方法简单易懂，成形过程稳定等诸多优点使其备受关注。增材制造技术摆脱了传统工艺的许多限制，可以简便又有效率地制作造型复杂的构件。金属材料的增材制造包含电弧增材制造、激光增材制造和电子束増材制造三大类[1]。进入21世纪以来，大部分国内外研究主要是针对激光和电子束的金属粉基增材制造。这两种增材制造方式虽然在多种金属构件的制造中取得了许多成功，但其本身却存在着一些缺点，这些缺点是由其本身的工艺特点导致的。比如激光增材制造的成形很慢，生产效率低，且不适合生产部分种类的金属材料;电子束增材制造要求真空状态下进行，严重限制了制造构件的尺寸，且这两种方法都使用粉基金属原材料，其成本较高，容易受到外界污染，实际的利用率较低[2]。以上这些缺点和不利条件大大限制了激光和电子束增材制造的广泛应用。为了弥补上述增材制造工艺的不足，国内外学者在焊接技术的基础上，开发出了电弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）技术。这种技术没有严格的外界条件要求，适用于各种成形环境和各种金属材料，成形效率高，成形过程中需要的丝材价格低廉，便于制备，弥补了另外两种增材制造工艺的不足之处[3]。近年来，这种工艺开始被应用于航空航天领域，存在大量的探索空间。

WAAM理论基础最早提出是在20世纪20年代的美国，在以堆焊为基础的专利上提出，但受限于当时的技术水平，仅仅停留在了理论阶段[4]。20世纪60年代，德国的钢铁制造公司Kruup Thyssen采用SAW（埋弧焊）工艺，成功使用焊缝金属制造出了大型压力容器，该容器强度和韧性都满足要求，对WAAM工艺技术的发展起到了巨大的推进作用。20世纪80年代末，美国的Babcock&Wilcox公司基于PAW（等离子弧焊）与MIG混合焊方法开发出了“成形熔化”（Shape Melting）技术，并成功应用该技术成形了不锈钢和Ni基合金的大型构件[5-6]。之后英国Rolls-Royce公司研究出了“三维焊接”（3D Welding）技术，成功应用于航空工业零件的制造，在不影响构件使用性能的前提下节省了制造航空构件时产生的昂贵材料的浪费[7]。美国南卫理公会大学Kovacevic团队基于焊接的工艺方法完成了对金属构件直接成形技术的开发，Ouyang等人[8]采用变极性GTAW（钨极气体保护电弧焊）工艺成功堆积成形了5356铝合金构件。英国诺丁汉大学Spencer等人[9]搭建了由六轴龙门机器人和GMAW（熔化极气体保护电弧焊）焊接设备组成的电弧增材制造系统，并成功制造了零部件。该系统可以控制成形温度，可以提高成形质量，但会降低生产效率。

我国在电弧增材制造技术领域的研究起步较晚，但国家十分重视该领域研究的发展。华中科技大学的张海鸥、王桂兰等人通过建立三维数值模型的方式进行了研究，模拟了熔覆层表面的成形质量对电弧各项数值的影响[10]。大连理工大学王鹏[11]采用WAAM方法成形了铝合金的框架类结构试样，通过对工艺参数的控制研究了该结构表面的成形形貌和力学性能并分析了其影响。2015年，李克强总理在政府工作报告中提出“中国制造2025”，把增材制造技术纳入制造业创新建设工程，可见国家对该技术领域的重视程度[12]。

目前该领域中对成形构件中温度场和应力场的相关研究数量较少，而构件的残余应力大小对其在工业科技领域的实际应用用重要影响，该方面的分析和研究显得日益重要。

1  实验方法

本次电弧增材实验采用福尼斯（Fronius）公司生产的冷金属过渡（Cold metal transfer，CMT）焊机，CMT技术具有无飞溅、热输入低、成形好等特点。焊丝采用航天用5B06铝合金焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝成分如表1所示。

基板尺寸为200mm×200mm×4.5mm，材料型号为5A06，其成分如表2所示。

焊枪的运动距离（即沉积层长度）为130mm，焊枪的移动速度即焊接速度为400m/min，成形电流80A，保护气体选用纯氩气（Ar，纯度99%），气体流量20L/min，焊枪与平台之间的夹角为90°，层间停留时间80s，焊枪每层提升高度2mm，采用往复堆积的方式，堆积10层。

开始实验之前，先要对基板和焊丝进行烘干处理，如果有残留水分，很可能会使铝合金构件产生气孔，还会出现严重的层间氧化现象。基板还要使用砂纸打磨，去掉表面的氧化层，再用夹具把基板固定在实验平台上。电弧模式选择普通CMT，根据选定的焊接参数进行单道多层成形实验。增材实验得到的薄壁试样的宏观形貌和切面形状如图1所示。

2  有限元模型的建立

有限元法，是指利用数学中近似的方法去解决物理上的问题，用简单的问题代替复杂的问题，用有限代替无限，从而实现对原本不可解的问题进行求解。有限元法主要分为对象的离散化、计算求解和处理计算结果三个步骤，离散时分割的单元数越多，单元越小，则计算结果更准确，更接近实际情况。

在进行有限元模拟之前，先根据增材实验得到的薄壁试样尺寸来建立三维模型。薄壁试样长130mm，宽度6mm，高25mm，熔覆10层，每层平均2.5mm。在划分网格时，为了在不影响计算结果准确性的前提下节省计算时间，提高计算效率，把薄壁试样及其附近区域的网格划分得较多而小，离薄壁试样较远的区域的网格较大，如图2所示。设置完成后共有三维单元总数为26720个，节点总数为43875个。

在本次模拟方案中，首先设置成形电流I为变量，保持其他工艺参数及成形环境不变，通过对三组不同电流情况下的增材制造过程模拟來讨论工艺参数对薄壁构件的残余应力和变形的影响。在保持其他参数不变的情况下，成形电流分别选择70A、80A、90A组成三组数据进行计算。然后保持成形电流不变，选取400mm/min、450mm/min、500m/min三个焊接速度组成共五组参数分别进行计算，从多维度分析工艺参数和变形及应力间的关系。跟踪点设置在最后一层熔覆层的中点处。

3  模拟的结果与分析

焊接热力性能的分析是一个非常复杂的过程，要推断出构件在焊接过程中的温度分布和焊接力学行为十分困难。焊接过程中焊缝上的某一点会随着热源的移动而急速的升温和降温，在这种快速的温度变化下，温度场的分布将会很不均匀，而分布不均匀的温度场正是产生焊接残余应力及变形的重要因素之一。因此，在研究应力与变形之前，对温度场的研究有着重要的意义。

3.1 温度场的研究

如图3为第一层、第五层和第九层熔覆层上表面中心点的热循环曲线。从图3中可以看出，每层熔覆层都经历了多次热循环，每层经历第一次热循环时的温度最高，随着堆积层增高，热源距离该层越来越远，该层的温度峰值不断下降。各层第一次热循环的峰值温度随着层数的升高而不断升高，主要是因为熔覆上一层之后温度没有完全冷却，形成热累积，而对比第一层到第五层和第五层到第九层的温度峰值差距可以发现这一趋势随着堆积的进行而趋于平缓。

如图4为增材制造过程中熔覆第五层时的温度场云图。图4表示，在焊接起弧端，由于焊接热源的加载，焊接焊件温度由常温开始快速升温，基于焊接热源的不断输入，焊件温度将持续升高，当焊接温度达到一定程度时，焊接热与焊接热力保持平衡，所堆积薄壁构件的焊接温度保持稳定。刚熔覆部分以及热源运动方向前方部分的等温色带分布最密集，表示此时的温度梯度最大，热源移动方向相反方向的区域正在冷却中，其等温色带分布较为稀疏，随着与热源中心距离的不断增加，热源后方区域的温度急剧下降。如此不均匀的温度场分布将会导致焊接残余应力及应变的产生。

3.2 Z轴方向上的变形情况

完成以上五组参数的模拟计算后，获得了大量相关数据，为了更加简明扼要地反映出变形和应力的情况，已知电弧增材制造薄壁构件变形的主要方向为竖直方向即Z轴方向，残余应力的主要方向为纵向即X轴方向的残余应力，所以本次模拟分别考虑这两个方向上的变形和应力状况。

成形过程中的构件变形过程是十分复杂的，讨论成形过程中的变形量十分困难且意义不大，所以在讨论变形量时只讨论成形完成并冷却一段时间后已经稳定的变形量。如图5为完成堆积后以成形电流为变量的三组参数下跟踪点在Z轴方向上的位移情况对比图，跟踪点的位移可以反映出该点处的变形情况。由图5中可以看出，在本次模拟选取的参数范围内，其他参数保持不变的情况下，随着成形电流的增大，其变形量也随之增大。

如图6为以焊接速度为变量的三组参数下跟踪点在Z轴方向上的变形量对比图。从图中可以看出，在本次模拟选取的参数范围内，保持其他工艺参数不变的情况下，焊接速度增大，变形量也随着增大。但通过对比图5和图6的纵坐标可以看出，相对于成形电流对变形量的影响，焊接速度对变形量的影响非常小，虽然表现出上升趋势，但最大一组的数值和最小一组的数值相差只有0.01mm。分析认为焊接速度的大小可能并不是影响构件竖直方向上变形的主要因素之一，考虑到本次模拟选取的参数组数并不多，得到的规律不一定具有普遍性。

3.3 X轴方向上的残余应力

与变形量一样，在成形过程中应力的变化过程十分复杂且意义不大，所以本次模拟只讨论跟踪点处残余应力的情况，堆积完成后使构件充分冷却1000s之后温度回到室温且应力曲线平稳，可以认为此时的该点的纵向应力即为薄壁试样上的纵向残余应力。

如图7为电流为变量的三组参数下跟踪点处在X轴方向上的残余应力对比图。从图中可以看出，在本次模拟选取的参数范围内，保持其他参数不变的情况下，X方向的残余应力大小并没有和成形电流的变化成正比或反比，当电流为70A时残余应力最大，电流为80A时残余应力最小，而当电流继续提高至90A时残余应力反而增大。考虑成形电流会对残余应力的大小产生影响，但至少在本次模拟选取的参数范围内不能发现其影响规律，认为电流的大小可能并不是决定纵向残余应力大小的决定性因素。

以焊接速度为唯一变量的纵向残余应力对比如图8所示。从图中可以看出，在本次模拟选取的参数范围内，随着焊接速度的增大，该点处的残余应力逐渐减小，呈下降趋势。焊接速度为400mm/min时残余应力最大，约为139.1MPa，焊接速度上升至450mm/min时残余应力下降至138.7MPa，焊接速度上升到500m/min时，残余应力下降至约137.9MPa。分析认为，焊接速度可能是影响薄壁成形试样内部纵向残余应力的因素之一，提高焊接速度有助于减小焊后的纵向残余应力，但对比图7发现调整焊接速度对残余应力的影响不大，在焊接速度提高了100mm/min的情况下，残余应力也只是下降了1-2MPa左右，说明虽然焊接速度确实能在一定程度上完成对残余应力的控制，但其控制力度是十分有限的。

3.4 综合分析

通过对比图5-图8，分析认为对于Z轴方向的焊后变形量来说，成形电流为其主要影响因素之一，电流越大，其变形量越大。而对于X轴方向的残余应力大小来说，焊接速度是其影响因素之一，表现为焊接速度提高时，残余应力下降。综合考虑以上因素发现，为了控制焊后变形量及残余应力的大小，应在适当的范围内降低成形电流，提高焊接速度，虽然根据图4来看，提高焊接速度可能会导致变形量增大，但其影响数值十分微小，在实际的生产过程中，要根据生产构件的使用要求，权衡尺寸精度和内部残余应力的重要性，综合多方面因素考虑，设计合理的工艺参数。而无论是降低电流还是提高焊接速度都会导致热输入下降，所以概括起来认为适当地降低热输入量可以在一定程度上达到控制和减小残余应力与变形的目的。

4  结论

首先使用冷金属过渡技术进行了5B06铝合金的电弧增材实验，得到了成形效果较好的薄壁构件，测量构件的各项尺寸后，按照实际尺寸建立了构件的3D有限元模型并划分了网格。然后分别以成形电流和焊接速度为唯一变量设计了5组工艺参数，以这5组参数分别进行了模拟计算，将计算结果导出后绘制成线图进行对比分析，得到结论如下：

①在本次模拟所选参数范围内，保持其他参数不变的情况下，增大成形电流，跟踪点部分的构件在Z轴方向上的变形也增大，且X轴方向上的纵向残余应力不和电流呈函数关系。所以如果想要减小焊后的竖直方向变形量，应选取较小的成形电流。

②保持其他参数不变，提高焊接速度，则跟踪点位置的构件在Z轴上的变形有些许增大，且X轴方向上的纵向残余应力呈下降趋势，但下降也不明显，综合考虑，焊接速度虽然对竖直方向变形和构件纵向应力都有影响，且其影响都不是很大。

③综合以上结果考虑，由于减小电流和提高焊接速度都是降低热输入的方式，且可以一定程度上减小焊后变形量和纵向残余应力的大小，所以分析认为热输入可能是影响铝合金增材制造的应力与变形的关键因素之一。

本次模拟选择的参数组数有限，只能在一定范围内观察分析应力与变形变化的规律，该领域的应力与变形方面的问题在本次实验的基础之上仍然有很多的探索空间。

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