增材制造中的多种残余,用这种方法一起降低!

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近年来,线弧叠加制造元件的显著残余应力问题一直是线弧叠加制造技术进一步发展所关注的问题之一。虽然许多预处理和后处理方法已被证明能够改变残余应力,但很少有人通过适当的路径规划来降低残余应力。


在该研究中,结合锯齿形法和轮廓偏置法,提出了一种弧线增材制造(WAAM)路径规划策略,旨在获得单一的WAAM沉积层,同时具有最佳的轮廓精度和残余应力状态。对路径规划和残余应力测量过程进行了精心设计,获得了合理的结果。本文以“Influence of wire-arc additive manufacturing path planning strategy on the residual stress status in one single buildup layer”为题于2020年10月3日发布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》杂志上。


研究背景


近年来,金属增材制造(AM)技术以其较高的成形灵活性和成形效率,在传统材料成形方法中得到了快速发展。AM技术的逐层沉积特性要求显著降低后处理工作量,提高材料利用率。


同时,随着该技术的进一步发展,越来越多的金属被证明是可行的添加制造。迄今为止,金属AM技术已广泛应用于医疗和航空航天行业。它也被认为是汽车、造船等大批量生产领域最有前途的零件制造技术之一。


然而,目前大部分现有的AM方法由于成本高、材料沉积速率低,尚不能满足大规模生产行业的需要。目前的金属AM技术可以根据加热电源(如激光、电子束、电弧)、填充材料状态(粉末、导线)和形状成形方法(选择性熔融、方向沉积)进行分类。在众多AM技术中,线弧增材制造(WAAM)由于其固有的低成本、高材料沉积速率和直接的全密度堆积特性被认为是最有前途的低成本大批量应用于中、大尺寸元件的AM方法。


与典型的激光熔凝、激光沉积等激光粉末AM工艺相比,WAAM设备和填充线的成本要低得多。而且,由于WAAM是由电弧焊接发展而来的,这种技术在大规模生产行业更为熟悉。此外,由于弧焊技术对孔隙和夹杂的控制已经相当成熟,因此WAAM可以很容易地在目标组焊构件中直接实现全密度,而对于激光粉末AM工艺来说,要达到全密度则需要昂贵的热等静压(hot isostatic pressing, HIP)。


此外,WAAM的性能要求简单的露天条件,因此它非常适合中型到大型组件组成。虽然WAAM对于大规模生产工业来说是一项相当有吸引力的技术,但这一过程的发展仍处于初级阶段。由于沉积过程中大量的热输入,产生的明显的残余应力是最令人担忧的问题之一,它会导致零件变形、沉积缺陷和堆积失效。


在电弧沉积中,残余应力主要是由电弧产生的温度梯度引起的;因此,该成形路径规划方法对成形构件的残余应力状态有显著影响。近年来,在WAAM构件的残余应力测量和修正方面进行了大量的工作。在电弧沉积过程中,由于高得多的热输入,制造的WAAM样品通常比激光AM组件具有更大的残余应力和变形。


由于最大的温差和随后的沉积热输入效应,在整个WAAM集结构件中,最大的应力总是出现在衬底和集结壁之间的区域。虽然通过旁路和后期生产处理可以在一定程度上降低残余应力,过量的热输入将不可避免地降低镀层的表面质量,而轧制和激光冲击喷丸的使用将大大限制WAAM工艺的灵活性,或无法对镀层的内角进行喷丸处理。


因此,近年来越来越多的研究在WAAM过程中使用最优路径规划方法来控制残余应力,这种方法可以在不进行额外修改的情况下降低构件的初始残余应力。


根据WAAM累积分量的中子残余应力测量结果,前几层的残余应力对以下各层的影响很小。与光栅法相比,锯齿形法也是一种平行的往复扫描策略。等高线法是另一种基本的路径规划方法,它在一定的距离上对内外等高线进行偏移,然后处理可能的相交线,从而形成几条等高线-偏移线,填充整个目标形状。


虽然许多研究都提到了路径规划对WAAM残余应力的显著影响,并且研究了某些路径规划方法对残余应力的影响,但很少有工作涉及到不同路径规划方法(也称为路径规划策略)组合对残余应力状态的具体影响。


该研究采用上海交通大学研制的机器人WAAM系统进行WAAM层的建立。


图为CMT WAAM填充的目标2D多边形


众所周知,由于弧形表面的存在,电弧沉积必须重叠才能形成一个相对平坦的表面。因此,在目前的路径规划中,将相邻沉积通过距离与单珠宽之比设为73.8%,这已被证明是以单珠轮廓为抛物线模型的WAAM工艺的最优选择。


图为通用逻辑的二维WAAM路径规划策略


图为单层堆积沉积的路径规划结果


为了消除电弧沉积引起的波纹表面,获得一个平坦的面积进行XRD残余应力测量,对测试点进行电解抛光以去除初始表面波纹。如图所示。对于每个残余应力测量点,获得了三组数据,以减小测量误差,并为每次测量设定了3分钟的检测时间。测试点位置如图所示。


图为XRD残余应力测量点设置


在目前的路径规划策略中,采用了曲折法和等高线偏移法相结合的方法,因此,在目标多边形的每一侧都采用了两种方法。


图为从内三角孔到轮廓三面试样4的X射线衍射残余应力测量点设置


图为基于CMT的WAAM沉积结果


图为射线衍射(XRD)残余应力测量结果


图为XRD残余应力测量结果与测试点从内轮廓到外轮廓的函数关系


一般情况下,从第1点到第4点的残余应力是拉伸的,第5点是压缩的。在采用全锯齿法沉积的试样1中,与其它三个试样相比,拉伸残余应力最大。随着等高线偏移层的增加,镀层中的拉应力减小.当充填路径中有4个等高线偏移层时,点1的残余应力开始转为压缩(样本3)。


当6个等高线偏移层被规划在充填路径上时,第1点到第4点的残余应力会变得非常小。这是因为不同的路径规划策略改变了热量的输入顺序,从而导致了温度梯度和冷却速率的变化。在同一测试点,等高线偏移层的增加导致拉伸应力的减小.综上所述,路径规划策略的变化导致残余应力的变化。


讨论与结论


目前,增材制造中残余应力和变形的研究大多认为温度梯度和冷却速率是关键因素。在沉积型增材制造工艺中,残余应力的规律与热源(激光、电子束、电弧等)的类型无关。而对于单层沉积的残余应力,路径规划策略(也可称为热输入顺序)是影响温度梯度和冷却速率的决定性因素。


因此,研究其对残余应力的影响具有重要意义。实验结果表明,四个试样在同一位置的残余应力是不同的。一般来说,随着轮廓偏移层数的增加,拉伸残余应力变得更小。众所周知,增材制造的残余应力是由于材料在电弧沉积过程中受热不均和冷却过程中的收缩引起的。


对于整个沉积样品,总体温度梯度和冷却速率是关键因素。与之形法相比,等高线偏移法产生了相对稳定的温度场和平缓的冷却速率,从而使得等高线偏移孔道较多的试样产生较小的拉伸残余应力。与其他三个样品不同的是,样品4的测试点3是压缩的。这是因为在其他三个样本中,点3仍然处于锯齿区域,而在样本4中,测试点3已经处于轮廓偏移区域。


试样4的其他两侧残余应力测量结果中也发现了3点的压缩残余应力,因此,可能轮廓偏置弧沉积具有更强的压应力,而锯齿形弧沉积具有更强的拉应力。这是因为在轮廓-偏置沉积中,外部轮廓沉积相对于内部轮廓沉积而言是一个环状的,由于外部轮廓的尺寸和长度连续地大于内部轮廓,因此在轮廓-偏置孔道内的热致应力是压缩的。


参考文献:Chi Zhang, Chen Shen, Xueming Hua, Fang Li, Yuelong Zhang & Yanyan Zhu Influence of wire-arc additive manufacturing path planning strategy on the residual stress status in one single buildup layer  The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 797–806(2020)



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