316L不銹鋼電弧堆焊快速成形工藝及組織性能研究 - 劉奮成 - 圖文-

1、第27卷第4期2013年12月南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版Journal of Nanchang Hangkong University :Natural Sciences Vol27,No4Dec,2013收稿日期20131106修回日期20131130基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(51201087,51165038;江西省自然科學(xué)基金(2013BAB216013;西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLSP201306,SKLSP201225;江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ13493;南昌航空大學(xué)科研啟動(dòng)金項(xiàng)目(EA201203072作者簡(jiǎn)介劉奮成(1981,男,南昌航空大

2、學(xué)航空制造工程學(xué)院講師,博士。主要研究方向:高能束快速成形及先進(jìn)連接技術(shù)。316L 不銹鋼電弧堆焊快速成形工藝及組織性能研究劉奮成1,2賀立華1黃春平1,2楊成剛1余小斌1(1南昌航空大學(xué),南昌330063;2西北工業(yè)大學(xué),西安710072摘要通過(guò)對(duì)比焊接電壓、焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)單道堆積成形性的影響,確定了MIG 堆焊快速成形316L 不銹鋼件較為合理的成形參數(shù),在此基礎(chǔ)上成形了具有一定尺寸的單道多層片狀316L 不銹鋼試樣。研究了電弧堆焊快速成形材料的顯微組織和力學(xué)性能,結(jié)果表明:MIG 堆焊成形316L 不銹鋼件的顯微組織是自下而上連續(xù)生長(zhǎng)的粗大柱狀晶,堆積材料組織致密,無(wú)氣孔、夾雜等宏

3、觀缺陷;材料的室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)605MPa ,延伸率為321%,強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均高于熱軋和鑄造316L 性能指標(biāo)。分析認(rèn)為,對(duì)316L 不銹鋼而言,熱量的積累對(duì)堆積層的組織和力學(xué)性能影響較小,在實(shí)際生產(chǎn)中可以采取多道多層連續(xù)堆積的成形方法。關(guān)鍵詞堆焊快速成形;不銹鋼;組織;性能中圖分類(lèi)號(hào)TG24文獻(xiàn)標(biāo)志碼Adoi :103969/jissn1001-4926201312001文章編號(hào)10014926(201304000105Microstructure ,Mechanical Properties and Processing Study of ArcOverlying Welding api

4、d Forming of 316L Stainless SteelLIU Fen-cheng 1,2HE Li-hua 1HUANG Chun-ping 1,2YANG Cheng-gang 1YU Xiao-bin 1(1Nanchang Hangkong University ,Nanchang 330063,China ;2Northwestern Polytechnical University ,Xi an 710072,China Abstract :By comparing the different influences of welding voltage and weldi

5、ng speed of MIG method on the formation of single cladding pass ,a proper processing parameter was obtained ,and with which 316L stainless steel blocks were preparedThe microstructure and mechanical properties of the overlying welding rapid forming samples were studiedIt is shown that ,the microstru

6、cture of the rapid formed 316L materials is mainly consisted of coarse columnar grains in which dendrites grown epitaxially from the layers already formedThe rapid formed blocks are compact and free from porosities and inclusionsTensile testing results at room temperature show that the tensile stren

7、gth of the rapid forming samples reaches up to 605MPa and elongation is 321%This result is better than that of the hot rolling and casting samplesFinally ,it is concluded that ,for the arc overlying rapid forming of 316L stainless steel ,heat accumulation have little influence of on microstructure a

8、nd mechanical property ,and continuous processing without interval cooling can be used in the actual productionKey words :overlying welding rapid forming ;stainless steel ;microstructure ;property南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版第27卷學(xué)報(bào) Journal%of%Nanchang%Hangkong%University 自然科學(xué)版······&#

9、183;···Natural%Sciences增材制造快速成形技術(shù)因無(wú)需模具加工能夠大幅縮短生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率,并且可節(jié)約材料和生產(chǎn)成本。金屬零件的快速成形近幾年受到研究者的青睞。目前,各種以增材制造為理念的材料制備方法迅速發(fā)展,正在對(duì)以車(chē)銑刨磨為代表的傳統(tǒng)的制造業(yè)產(chǎn)生影響。焊接快速成形技術(shù)是利用快速成形制造技術(shù)原理,結(jié)合焊接技術(shù)的工藝特點(diǎn),將熔化的材料層層堆積,最終形成三維實(shí)體零件的先進(jìn)制造技術(shù)1-2。該技術(shù)具有效率高、設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。金屬零件快速成形過(guò)程中,隨著堆積層數(shù)的增加,零件自身熱量會(huì)不斷累積,溫度升高,導(dǎo)致后續(xù)堆積的材料因?yàn)樯?/p>

10、熱條件的改變進(jìn)而造成溫度梯度和冷卻速度的變化。材料的凝固組織與溫度有很大關(guān)系,并最終影響材料的性能。而目前對(duì)金屬零件焊接快速成形的相關(guān)研究主要集中在成形件組織演變與性能3-6及成形過(guò)程工藝控制7-9方面,有關(guān)熱累積對(duì)零件快速成形組織及性能的影響研究較少。從實(shí)際生產(chǎn)的需要出發(fā),有必要對(duì)焊接快速成形過(guò)程中的熱量累積對(duì)堆積材料的組織和性能影響規(guī)律做進(jìn)一步研究。本文在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上,采用MIG 堆焊快速成形技術(shù)制備了單道多層316L 不銹鋼件,通過(guò)金相組織觀察、硬度測(cè)試和拉伸試驗(yàn)等手段研究了堆焊快速成形316L 不銹鋼的組織特定和力學(xué)性能,為改技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。1試驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)材料選用

11、316L 不銹鋼焊絲,直徑10mm ,焊絲成分如表1所示?；倪x用Q235鋼板,尺寸為200mm 55mm 8mm ,實(shí)驗(yàn)前基材表面打磨并用無(wú)水酒精和丙酮清洗干凈。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為AD GP300型逆變式交流氬弧焊機(jī)及AWL 3B 型弧焊自動(dòng)操作平臺(tái)。為比較焊接電流和焊接速度對(duì)堆焊層的影響,分別設(shè)定電壓值為275、30、325V (焊接速度恒定為67mm /s ,焊接速度為31、67、92mm /s (焊接電壓恒定為30V 。對(duì)單道堆焊材料橫截面觀察比較后確定較為合理的MIG 堆焊焊接參數(shù):電壓30V ,焊接速度67m /s ,以此參數(shù)堆焊單道多層316L 不銹鋼薄壁件2件,分別采用控制層間溫度(小

12、于50,冷卻到一定溫度后再繼續(xù)堆焊和不控制層間溫度(連續(xù)堆焊,有熱累積效應(yīng)2種方式,其中控制層間溫度的試樣共堆積10層,每層高1mm ,連續(xù)堆焊試樣共堆積20層,每層高1mm 。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用Ar 氣保護(hù)堆焊材料防止氧化,氣體流量為18L /min 。堆焊結(jié)束后從堆焊成形試塊中部用線切割切取成形試樣的橫截面制備金相試樣,利用M5000光學(xué)顯微鏡進(jìn)行堆焊層組織觀察。沿堆焊成形試塊水平方向分別截取拉伸試樣多個(gè),試樣軸線平行于焊接方向。使用型號(hào)為INSTON 3382的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸強(qiáng)度測(cè)試,拉伸速率2mm /min ,并使用Tescan VEGA II LMH 掃描電鏡對(duì)微觀組織及斷口

13、形貌進(jìn)行觀察。表1316L 焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C Si Mn S Cu 0019058119300100048P Cr Ni Mo Fe 0024188122244bal2試驗(yàn)結(jié)果與分析21堆焊成形工藝比較不同焊接電流和焊接速度下MIG 堆焊316L 不銹鋼單道堆焊層形貌如圖1所示。由圖可知,隨焊接電流的增加單道堆高和道寬增加,隨著焊接速度的增大單道堆高和道寬減小,即焊接線能量的輸入對(duì)單層堆高和道寬的影響較為明顯。要保證一定堆焊效率并避免單道堆焊時(shí)盡量少的熔化已成形部分,本實(shí)驗(yàn)選定中間參數(shù)即焊接電壓30V 和焊接速度67mm /s 堆焊單道多層試樣。·2·第4期劉

14、奮成,賀立華,黃春平,等:316L 不銹鋼電弧堆焊快速成形工藝及組織性能研究5mm5mm5mm5mm5mm(a27.5V,6.7m/s(b30V,6.7m/s(c32.5V,6.7m/s(d30V,3.1m/s(e30V,9.2m/s圖1不同焊接電流和焊接速度下堆焊成形316L不銹鋼單道堆焊層形貌22堆焊成形材料的組織MIG堆焊成形316L不銹鋼件的顯微組織如圖2所示,圖中同時(shí)給出了堆焊過(guò)程中有熱量累積和無(wú)熱量累積兩種情況堆焊材料組織形貌。由圖2a、圖2d所示試樣底部的組織發(fā)現(xiàn),由于液態(tài)金屬在冷卻凝固過(guò)程中主要通過(guò)基板散熱,熱量主要沿著垂直于基板向下散失,熱流方向垂直于界面,凝固具有方向性,形

15、成層與層間界面垂直的柱狀晶組織,各堆焊層之間有清晰的界面,且圖2a、圖2d所示組織相差不大。圖2b、圖2e所示為試樣最上部的層間過(guò)渡區(qū)域,比較可見(jiàn)熱量累積導(dǎo)致枝晶變粗大,且最后一層堆焊層底部也出現(xiàn)了明顯的枝晶組織,無(wú)熱量累積試樣為無(wú)分枝的胞狀組織。比較兩試樣頂部組織特點(diǎn),如圖2c和圖2f所示,有熱量累積試樣頂部枝晶組織明顯粗大,枝晶間距較大。從圖2中同時(shí)可以看出,成形件組織細(xì)密,不存在氣孔、裂紋等冶金缺陷。這主要是由于堆焊層凝固組織為非平衡快速凝固,亞結(jié)構(gòu)細(xì)小,成分偏析程度低,不易在枝晶間堆積并形成低熔點(diǎn)共晶組織,增大了堆焊層的抗裂能力。500m500m50m50m50m50m (a無(wú)熱累積,

16、底部(d熱累積,底部(b無(wú)熱累積,中部(e熱累積,中部(c無(wú)熱累積,上部(f熱累積,上部圖2MIG堆焊316L不銹鋼顯微組織23堆焊成形材料的硬度圖3給出了MIG堆焊成形316L不銹鋼試樣沿堆積方向的顯微硬度分布。從圖中可以看出,兩種狀態(tài)的堆焊快速成形316L不銹鋼試樣的顯微硬度都表現(xiàn)出隨對(duì)最上表面距離的增加先減少后增加的趨勢(shì),堆焊區(qū)域顯微硬度存在波動(dòng)。比較可見(jiàn),無(wú)熱累積堆焊試樣的顯微硬度波動(dòng)較連續(xù)堆焊有熱累積的試樣略大,這與圖2e中所示的無(wú)熱累積·3·南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版第27卷學(xué)報(bào) Journal%of%Nanchang%Hangkong%University

17、自然科學(xué)版··········Natural%Sciences試樣單個(gè)堆焊層上下部位凝固和冷卻速度的差異有關(guān)。由于無(wú)熱累積作用,每個(gè)堆焊層的冷卻速率較熱累積試樣大,使得無(wú)熱累積堆焊試樣的顯微硬度總體上高于熱累積堆焊試樣,且由于每個(gè)堆焊層最底部區(qū)域的冷卻速度較中部和上部區(qū)域大,不同區(qū)域冷卻速度的不同造成顯微硬度的不同,因此,無(wú)熱累積堆焊試樣的顯微硬度波動(dòng)略大。同時(shí),由于堆焊試樣最外一層的堆焊過(guò)程中熔池凝固的散熱方向除自上而下通過(guò)已成形部分和基材散失外,還有一部分通過(guò)同一層已凝固部分的表面散失,此區(qū)

18、域的冷卻速度較快,因此堆焊試樣最外層的顯微硬度略高。而堆焊試樣底部靠近基材區(qū)域在凝固和冷卻時(shí)可以通過(guò)基材快速散熱,冷速較大,因此此區(qū)域的硬度也略高于堆焊材料內(nèi)部。M i c r o h a r d n e s s /H V5004804604404204003803600500100015002000Disstance form the surface of the deposited blocks /mHeat accurmulationCooling MatrixMatrix圖3堆焊成形316L 不銹鋼試樣沿堆積方向的顯微硬度分布24堆焊成形材料的強(qiáng)度圖4所示為MIG 堆焊成形316L 不

19、銹鋼試樣室溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖中1 3號(hào)試樣為無(wú)熱累積試樣,4 6號(hào)試樣為熱累積試樣?？梢?jiàn)所有堆焊試樣的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線比較集中,說(shuō)明各組3個(gè)平行試樣的拉伸性能偏差較小。同時(shí)可以看出,熱累積試樣的抗拉強(qiáng)度為580MPa ,略低于無(wú)熱累積試樣的605MPa ,而前者的塑性好于后者。與其它加工方法制備的316L 不銹鋼件比較,MIG 堆焊成形316L 不銹鋼試樣的抗拉強(qiáng)度高于鑄造(552MPa 和熱軋(480MPa 狀態(tài)試樣,而低于冷軋(620MPa 和激光快速成形(694MPa 制備的試樣10。70060050040030020010000.40.30.20.10.5Strain /%MIG

20、316L -1MIG 316L -2MIG 316L -3MIG 316L -4H MIG 316L -5H MIG316L -6H165234S t r e s s /M P a圖4堆焊316L 室溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖5給出了無(wú)累積和熱累積MIG 堆焊成形316L 不銹鋼拉伸試樣斷口微觀形貌。斷口上有大量的韌窩的存在,為典型韌性斷裂,說(shuō)明材料具有良好的塑性。在圖5a 、圖5b 所示的宏觀形貌中,可以觀察到具有明顯取向性排列的韌窩和撕裂棱,這與試樣內(nèi)部組織的自下而上地取向性生長(zhǎng)有關(guān)。高倍組織觀察發(fā)現(xiàn),韌窩內(nèi)部有顆粒狀沉淀相存在,且沉淀相數(shù)量在熱累積試樣中較多,這說(shuō)明熱累積有利于這些沉淀相的析出

21、。比較韌窩尺寸,可以看出熱累積試樣韌窩尺寸和深度均大于無(wú)熱累積試樣,這也與拉伸測(cè)試中熱累積試樣表現(xiàn)出較好的塑性對(duì)應(yīng)。250m250m100m 100m(a 無(wú)熱累積試樣斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)(b 熱累積試樣斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)(c 無(wú)熱累積試樣斷口韌窩形貌(d 熱累積試樣斷口韌窩形貌圖5堆焊316L 拉伸試樣斷口形貌·4·第4期劉奮成,賀立華,黃春平,等:316L 不銹鋼電弧堆焊快速成形工藝及組織性能研究3結(jié)論(1MIG 堆焊316L 不銹鋼材料顯微組織具有外延生長(zhǎng)特性,為自下而上連續(xù)生長(zhǎng)的粗大柱狀晶。熱累積情況下堆焊材料中的枝晶組織較無(wú)熱累積試樣明顯粗大。(2堆焊材料沿焊接方向室溫拉伸

22、抗拉強(qiáng)度優(yōu)于鑄件和熱軋件材料,且熱累積試樣抗拉強(qiáng)度略低于無(wú)熱累積試樣,而前者塑性明顯優(yōu)于后者。(3對(duì)316L 不銹鋼,熱量的積累對(duì)堆積層的組織和力學(xué)性能影響較小,在實(shí)際生產(chǎn)中可以采取多道多層連續(xù)堆積的成形方法。【參考文獻(xiàn)】1Yan Y N ,Li S J ,Zhang J ,et alapid prototyping and manufacturing technology :principle representative technics ,applications and development trends J Tsinghua Science and Technology ,2009,14(S1:1122丁冬平,劉順洪,周龍?jiān)缁诤附拥目焖俪尚渭夹g(shù)J 電焊機(jī),2004,34(6:183林鑫,楊海歐,陳靜激光快速成形過(guò)程中316L 不銹鋼顯微組織的演變J 金屬學(xué)報(bào),2006,42(4:3613684徐富家,呂耀輝,劉玉欣,等脈沖等離