电弧增材制造典型构件热应力变形仿真分析

姚波,马良*，,陈静,王振男

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室,西安 710072;2.西北工业大学 金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室,西安 710072)

增材制造(Additive manufacturing,AM)是一种基于离散-堆积原理,由三维数据驱动和计算机自动控制的逐层增加材料直接制造金属零件的典型制造技术[1]。尤其是电弧增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)成为目前众多增材制造方法中研究的热点之一,电弧增材制造技术以电弧为载能束,热输入高、成形速率高、成形件致密度高等技术特点,广泛应用于航空航天大尺寸复杂结构件低成本、高效快速的近净成形[2]。但是,由于电弧增材制造成形过程中熔池和热影响区尺寸较大,导致成形过程热积累严重,产生较大的温度梯度,并在随后的快速冷却中产生巨大的残余应力,尤其针对薄壁结构,不仅是导致零件变形的根源,也是导致成形结构件产生开裂等缺陷的主要原因,从而严重降低成形件的质量。因此,准确认识成形过程的热应力变形规律显得尤为重要。采用实验研究不仅成本高,周期长,而且很难准确认识成形过程中热应力演化规律并针对性的提出解决措施。相比之下,有限元数值仿真技术因成本低、周期短、信息量大等优点成为增材制造过程认识热应力演化的有力手段,更有效的预测结构件的残余应力和变形,对实际成形提供了科学指导。

近年来,一些国内外研究学者相继开展了相关研究。主要包括对电弧增材制造仿真模型优化[3-6]的研究、工艺参数对成形件组织性能以及应力变形[7-13]的研究、沉积路径[14-16]对结构热应力变形影响研究等。Venturini等[15]针对T型交叉结构采用实验过程进行沉积路径优化,得到了较好的成形质量。但仅靠实验不能深入理解沉积路径对热应力演化规律,无法为实际成形过程提供指导。Mehnen等[16]采用有限元仿真对十字交叉结构在不同沉积路径下的热应力变形规律进行分析。但是增材制造技术是一种材料-工艺-结构强耦合工艺,因此需要深入分析不同典型构件成形过程的热应力变形规律。同时由于电弧增材制造热输入量大,容易导致基板和薄壁件产生扭曲变形,严重影响了成形精度而无法使用。故基板厚度对成形过程热应力变形演化有重要意义。而目前关于基板厚度对成形过程应力变形[17-18]影响研究相对较少。

因此,在上述研究成果的基础上,本文针对电弧增材制造过程中3种典型薄壁结构,采用特定的基板约束方式,深入分析了不同基板厚度下结构件的热应力变形规律,旨在为复杂结构件的电弧增材制造及工艺优化提供理论指导。

1 实验方法及有限元模型验证

铝合金成形材料因具有断裂韧性好、比强度高、密度小、抗腐蚀性好等一系列优点而成为电弧增材制造常用的优选材料[19],选取AlSi10Mg铝合金。首先,采用西北工业大学自行搭建的电弧增材制造系统进行成形实验,该系统由焊接电源、数控工作台、送丝机、气氛保护箱组成如图1所示。

图1 电弧增材制造设备

其次,使用原位测量装置对成形薄壁墙过程中基板温度进行实时测量,根据温度测量结果对模型参数进行验证。需要说明的是由于K型热电偶无法紧固的焊接在AlSi10Mg铝合金基板上,因此实验前在基板热电偶测温位置使用钻孔机进行钻孔,将热电偶插入孔中来获取成形过程中基板的温度变化,具体测量位置以及基板尺寸如图2所示。其中热电偶使用美国Omega GG-K30型热电偶,其测量误差为2.2 ℃。实验成形件如图2a)所示,薄壁墙尺寸为50 mm×5 mm×20 mm。表1为实验工艺参数。

图2 零件尺寸和原位热电偶实验示意图

表1 电弧增材制造AlSi10Mg合金成形工艺参数

图3为实验热电偶测温结果和数值模拟计算结果对比。

图3 模拟与实验结果对比

需要说明的是在实验测温过程中,由于数据采集仪离工作台较近,受辐射热过高而导致在第二道成形过程中采集仪工作失常,故本文建立单熔覆道模型来计算温度场。其次,考虑到实验在基板的四分之一区域沉积单壁墙,故为了减少网格数量,选择基板四分之一大小来建立模型,见图4。模型中选取与实验测量位置相对应的节点温度数据,可以看出在成形过程中随着热源规律性的移动,基板温度先逐渐升高后降低。模拟计算和实验结果基本吻合。

图4 有限元模型

2 有限元仿真

基于原位实验测量对单壁墙构件热力耦合模型的验证,本文利用验证后的模型分析三种典型薄壁构件的热-应力场演变,并探究了基板厚度对成形过程热应力变形演化的影响。采用商业有限元分析软件ABAQUS进行热力耦合分析。整个分析过程采用热力顺序耦合,首先,通过三维瞬态热分析计算温度场;其次,将温度结果作为应力分析模型的初始条件来求解应力场和变形;此外,使用移动热源(DFLUX)与单元生死(EPA)子程序来模拟热源的移动和材料的添加过程,对整个过程热应力场演化进行求解分析。

2.1 网格模型和边界条件

在模型建立中,单个沉积层宽度为5 mm,厚度为1 mm,将沉积区域的单元沿X或Y方向尺寸设置为2.5 mm,即熔池单元划分为2×2。基板采用过渡网格,即远离沉积区域的基板网格逐渐粗化,在保证精度的同时又提高了计算效率。考虑到夹具和基板底面的热传导效应,将其对流换热系数设为50 W/(m2·℃),其余表面均按照自然对流换热系数10 W/(m2·℃)来设置。整个过程中基板初始温度均设置为25℃,扫描速度10 mm/s,成形结束后冷却时间为180 s。

使用均匀分布的平均体热源作为等效热源来模拟成形过程中电弧热源的移动。体热源的能量密度分布表达式为

(1)

式中:U为电压；I为电流；η为材料的吸收系数,在本文中η取值为0.6；x、y和z分别是熔池单元的长、宽和高,xyz即熔池的体积。

2.1.1 基板单边夹持的薄壁墙有限元网格模型和边界条件

图5为薄壁墙有限元网格几何模型。基板尺寸为140 mm×50 mm×H，其中H为6 mm,15 mm,30 mm,单个沉积层尺寸为80 mm×5 mm×1 mm,分别在3种厚度基板上成形3层。

图5 薄壁墙有限元网格模型

在仿真过程中,基板的左侧被完全约束,其他边均处于自由变形状态。图6为基板尺寸和温度和变形的数据提取位置示意图。D1为熔覆层末端投影在基板下表面的变形测量点,T1为基板上表面距离边缘10 mm的温度测量点。

图6 构件尺寸及温度和变形的数据测量位置

2.1.2 基板完全固定的矩形框有限元网格模型和边界条件

图7为矩形框有限元网格几何模型。基板尺寸为100 mm×100 mm×H，其中H为6 mm,15 mm,30 mm,分别在3种厚度基板上成形3层。

图7 基板完全固定时框型有限元网格模型

在仿真过程中,基板底端被完全约束,其他单元均处于自由协调状态。图8所示为扫描方向和测量位置。

图8 基板完全固定的扫描方向及温度测量位置示意图

2.1.3 基板自由放置的矩形框有限元网格模型和边界条件

图9为不同基板厚度H下的有限元网格几何模型。基板尺寸为100 mm×100 mm×H，其中H为6 mm、15 mm、30 mm,分别在3种厚度基板上沉积2层。在实验中,基板无夹持水平放置在工作台面上。在仿真时,需要计算无约束情况下基板的热应力场,但是如果不施加任何边界约束条件,则计算过程中基板会发生旋转和扭曲等问题导致计算不收敛。故采用“十字对称”约束[20],即将基板中心下表面结点的自由度完全约束,垂直于X轴的中心对称面施加X方向约束,同样在垂直于Y轴的中心对称面施加Y方向约束,从而既可以将基板完全约束又保证基板可以自由变形而不会发生旋转或扭曲。图10为扫描方向和温度测量位置。

图9 基板自由放置时不同厚度下的框型结构有限元网格模型

图10 基板自由放置时扫描方向及温度测量位置

2.2 材料参数

本文所用实验材料为AlSi10Mg合金,基板和熔覆层均采用相同的材料参数，具体如表2所示。

表2 AlSi10Mg合金热力学参数[21]

3 计算结果与分析

3.1 基板单边夹持薄壁墙热力演化

3.1.1 温度

图11可以看出,在单向扫描(从基板夹持端开始)过程中,当热源逐渐靠近测量点T1时,温度急剧上升,当第一层沉积结束,热源到达测量点时温度达到最大。在第二层沉积时,由于热源距离测量点T1相对较远,此时散热过程起主要作用,温度逐渐下降,当热源再次靠近时,温度又一次增大,并且峰值温度随着沉积层数增加而增大,整个过程温度随着热源的移动呈现规律性的变化。当沉积过程结束后,温度迅速降低。其次,对比不同基板厚度的温度变化曲线可以看出,随着基板厚度的增加,基板热传导作用明显,导致峰值温度逐步降低,但变化趋势是一样的。

图11 不同厚度基板(单边夹持)成形过程中T1点温度变化

3.1.2 变形

图12可以看出,当基板厚度H=6 mm时,沉积刚开始,由于高温热源作用使的基板上表面受热急剧膨胀导致基板自由端沿Z轴负方向翘曲变形,变形量约-0.1 mm。

图12 不同厚度基板D1点变形过程

随着熔覆过程进行,热态冷却的沉积金属体积增加并产生更大的收缩应力,该应力对基板牵制使基板沿Z轴正方向翘曲变形,在第一层沉积结束,基板自由端变形量约0.48 mm,这主要是高温熔池和室温基板所引起的巨大的温度梯度所致。在第二层沉积过程中,由于基板温度上升,温度梯度减小,使得变形波幅降低。在整个成形过程中,由于熔池在夹持端与自由端移动,靠近熔池区的材料受热膨胀,而熔池远离后材料冷却收缩,导致基板变形量呈现规律性波动。在冷却阶段,由于热源停止,熔覆层和基板迅速冷却收缩,在较短时间内基板变形量高达0.5 mm。此外,当基板厚度增加时,自由端的变形幅值降低,但变形趋势是一样的。同时,随着基板厚度的增加,基板整体刚度增加,使得基板变形逐渐降低,如图13所示。当基板厚度H=6 mm时,变形高达约0.5 mm,而基板厚度H=30 mm时,最大变形约为0.2 mm。因此,针对基板单边夹持薄壁构件,可以通过适当增加基板厚度的方法来降低构件整体变形。

图13 不同厚度基板下构件的变形

3.1.3 应力场分析

图14显示了基板厚度H=6 mm的纵向应力(σxx)场和横向应力(σyy)场演变。由纵向应力(σxx)场可以看出,当第一层金属沉积完成时,沉积层快速的冷却收缩和基板对沉积层的收缩的强烈约束作用导致极大的拉应力,最大值约151 MPa。同时,在基板上部热影响区沿着扫描方向出现高的压应力区,最大值约-76 MPa。在第二层沉积时,热源重新加热,导致前一沉积层的拉应力被释放出来,随着热源的远离,沉积金属的冷却收缩作用又产生拉应力。第三层沉积结束时,最大拉应力和压应力随着热梯度的减小而迅速降低。此外,由横向应力(σyy)场可以看出,在沉积层和基板界面的热影响区出现大的拉应力,并且在沉积层两端出现高的压应力区。随着沉积层数增加,热梯度的减小使得应力值迅速降低。

图14 基板厚度H=6 mm时纵向(σxx)和横向(σyy)残余应力分布

图15所示为成形过程中零件Mises残余应力场分布情况。由图15a)～图15c)应力分布显示最大拉应力位于沉积层和基板之间的界面及热影响区,这是由于初始高的热输入和冷的基板所导致巨大的热梯度。最高残余应力值分别为144 MPa、170 MPa、181 MPa。随后沉积过程由于基板温度的快速升高和热梯度的减小,沉积层顶部沿着扫描方向的纵向拉应力明显减小。同时,随着基板厚度H的增大,基板对材料热胀冷缩作用约束增大,故基板与沉积层界面处残余应力呈增大趋势。

图15 薄壁墙成形过程中Mises应力分布

3.2 基板完全固定矩形框热应力变形演化

3.2.1 温度

图16温度变化曲线和图8扫描方向可以看出,由于温度测量点位于两个扫描边的交点处,当沉积开始时,热源逐渐靠近测量点T1时,温度急剧上升,当热源到达测量点时温度达到最大,随着热源的远离,温度值逐渐降低。第二层沉积时,当热源距离测量点T1逐渐靠近,温度又一次增大,整个过程温度随着热源的移动呈现规律性的变化。

图16 不同厚度基板(完全固定)成形过程中T1点温度变化

当沉积过程结束后,基板迅速冷却使得温度迅速降低。其次,随着基板厚度的增加,基板热传导作用明显,散热加快,导致温度幅值逐步降低。

3.2.2 变形

图17可以看出,由于拐角处基板约束相对小,导致熔覆层的最大变形主要集中在四个边角处。同时,由图17a)看出,由于矩形框的高度低(H=6 mm),固定的底端面对边框约束大,因此整体变形相对小,约为0.35 mm。由图17a)可以看出,当矩形框高度H=15 mm时,固定的底端面对边框约束变小,出现大的变形,约为0.51 mm。由图17c)可以看出,虽然矩形框高度增加,但是整体刚度变大,最大变形约为0.48 mm。

图17 不同厚度基板的结构件变形

图18为成形结束后构件放大10倍的变形图。可以看出,成形结束后沉积层迅速冷却收缩导致各个边框之间产生相互牵引作用,故最终整个矩形框会有向内收缩的趋势,当H=15 mm收缩趋势最大。

图18 不同厚度基板的结构件最终变形对比(放大系数×10)

3.2.3 应力场分析

图19为沉积结束后不同厚度矩形框基板的残余纵向应力(σxx)分布。可以看出,随着矩形框基板厚度的增加,最大残余拉应力逐渐增加,当基板厚度为H=30 mm,最大拉应力约为103 MPa,且最大拉应力出现在底端固定位置。当基板厚度H=6 mm和15 mm时,由于矩形框基板对沉积层的约束作用,残余拉应力主要集中在沉积层和基板的热影响区域,且当基板厚度H=15 mm时,矩形框中间大部分区域为残余拉应力,并且残余拉应力高达45 MPa。图20所示为成形过程中构件Mises应力分布情况。

图19 不同厚度基板的纵向残余应力(σxx)分布

图20 成形过程中构件的Mises应力分布

由图20可以看出,由于初始高的热梯度和大的冷却速率导致最大残余应力均发生在第一层沉积过程中。此外,由于矩形框拐角处约束小,故出现较小的残余应力。并且当矩形框基板高度H=30 mm时,最大残余应力集中在矩形框基板底部,这主要是随着矩形框高度的增加,基板底端的约束作用而导致大的残余应力。

3.3 基板自由放置矩形框热应力变形演化

3.3.1 温度

由图21温度变化曲线和图11扫描方向可以看出,当沉积开始时,热源逐渐靠近测量点T1时,温度急剧上升,当热源到达测量点正上方时温度达到最大,随着热源的远离,温度逐渐下降。当散热和热输入达到动态平衡时,T1温度值基本保持恒定直到第一层沉积结束。随后,成形第二层时,由于热源距离测量点T1逐渐靠近,温度又一次升高,整个过程温度随着热源的移动呈现规律性的变化。当沉积过程结束后,基板温度逐渐降低。

图21 不同厚度基板(自由放置)成形过程中T1点温度变化

图22显示了沉积结束冷却180 s时的温度分布云图。可以看出,在拐角处热源减速变向出现大的热累积,但是随着基板厚度的增加,热传导作用使得散热加快,在相同的冷却时间内,整体温度降低且分布逐渐均匀。

图22 不同厚度基板冷却180 s时的温度分布

3.3.2 变形

图23显示了冷却180 s时构件变形情况。在成形过程中,由于拐角处基板对沉积材料约束相对较小,故构件变形较大。同时,矩形框4个角发生向内收缩变形,其中距离激光束结束位置最近的基板边角收缩最大,而基板的中心位置变形最小。此外,基板边角变形大小随基板厚度增加逐渐减小。当基板厚度H=6 mm、15 mm、30 mm时,边角最大变形分别约为0.51 mm、0.48 mm、0.32 mm。

3.3.3 应力场分析

图24显示了基板厚度H=15 mm的纵向应力(σxx)场和横向应力(σyy)场演变。由图24a)可以看出,当第一层金属沉积完成时,沉积层快速冷却收缩和基板对沉积层的收缩的强烈约束作用导致极大的拉应力,最大值约159 MPa。同时,压应力分布在沉积层的周围区域热影响区,最大值约-76 MPa。由图24c)可知，在第二层沉积时,由于热源重新加热,使得之前沉积材料拉应力被释放出来,随后沉积材料冷却收缩作用又产生拉应力,但残余应力值降低,这是由于随着沉积层数增加,热梯度的减小使得应力值迅速降低。此外,由于对称性,σyy分布规律与σxx相似。

图24 基板厚度H=15 mm时纵向(σxx)和横向(σyy)残余应力分布

图25所示为成形过程中矩形框构件的Mises残余应力场分布情况,从左到右分别是成形1层、2层结束时的应力分布。可以看出,随着沉积层数的增加,基板整体温度升高使得温度梯度减小,残余应力迅速降低。同时,随着基板厚度H的增大,对沉积层热胀冷缩约束作用增大,导致沉积层的最大残余应力逐渐增大,而基板内部残余应力逐渐降低。

图25 结构件残余Mises应力分布

4 结论

针对典型薄壁结构零件的WAAM,通过分析基板厚度对热变形和热应力的影响规律,建立基板厚度与零件热变形的关系,给出基板厚度选择的判据,主要结论如下:

1) 零件的变形主要由沉积初期和冷却阶段决定。其中第一层沉积过程产生的热梯度最大,瞬时热应力也最大,是导致零件大变形的最重要因素。

2) 不同零件在成形过程中最大残余拉应力始终位于靠近基板与沉积层界面处的热影响区内,并且随着沉积层数的增加而减小。

3) 完全固定的框型基板上WAAM框型零件,会导致框型零件整体向内收缩变形。随着基板厚度的增大,框型零件的整体变形先增大后减小,基板厚度为15 mm时构件的变形最大,为0.51 mm。

4) 自由放置的矩形基板上WAAM框型零件大变形一般出现在拐角处,并且结束点拐角的变形量最大;随着基板厚度的增加,整个零件的变形减小。