316L不锈钢电弧堆焊快速成形工艺及组织性能研究 - 刘奋成 - 图文-

1、第27卷第4期2013年12月南昌航空大学学报:自然科学版Journal of Nanchang Hangkong University :Natural Sciences Vol27,No4Dec,2013收稿日期20131106修回日期20131130基金项目国家自然科学基金(51201087,51165038;江西省自然科学基金(2013BAB216013;西北工业大学凝固技术国家重点实验室开放基金项目(SKLSP201306,SKLSP201225;江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ13493;南昌航空大学科研启动金项目(EA201203072作者简介刘奋成(1981,男,南昌航空大

2、学航空制造工程学院讲师,博士。主要研究方向:高能束快速成形及先进连接技术。316L 不锈钢电弧堆焊快速成形工艺及组织性能研究刘奋成1,2贺立华1黄春平1,2杨成刚1余小斌1(1南昌航空大学,南昌330063;2西北工业大学,西安710072摘要通过对比焊接电压、焊接速度等工艺参数对单道堆积成形性的影响,确定了MIG 堆焊快速成形316L 不锈钢件较为合理的成形参数,在此基础上成形了具有一定尺寸的单道多层片状316L 不锈钢试样。研究了电弧堆焊快速成形材料的显微组织和力学性能,结果表明:MIG 堆焊成形316L 不锈钢件的显微组织是自下而上连续生长的粗大柱状晶,堆积材料组织致密,无气孔、夹杂等宏

3、观缺陷;材料的室温抗拉强度可达605MPa ,延伸率为321%,强度和塑性指标均高于热轧和铸造316L 性能指标。分析认为,对316L 不锈钢而言,热量的积累对堆积层的组织和力学性能影响较小,在实际生产中可以采取多道多层连续堆积的成形方法。关键词堆焊快速成形;不锈钢;组织;性能中图分类号TG24文献标志码Adoi :103969/jissn1001-4926201312001文章编号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南昌航空大学学报:自然科学版第27卷学报 Journal%of%Nanchang%Hangkong%University 自然科学版······&#

9、183;···Natural%Sciences增材制造快速成形技术因无需模具加工能够大幅缩短生产周期,提高生产效率,并且可节约材料和生产成本。金属零件的快速成形近几年受到研究者的青睐。目前,各种以增材制造为理念的材料制备方法迅速发展,正在对以车铣刨磨为代表的传统的制造业产生影响。焊接快速成形技术是利用快速成形制造技术原理,结合焊接技术的工艺特点,将熔化的材料层层堆积,最终形成三维实体零件的先进制造技术1-2。该技术具有效率高、设备成本低、操作简单、易于控制等优点。金属零件快速成形过程中,随着堆积层数的增加,零件自身热量会不断累积,温度升高,导致后续堆积的材料因为散

10、热条件的改变进而造成温度梯度和冷却速度的变化。材料的凝固组织与温度有很大关系,并最终影响材料的性能。而目前对金属零件焊接快速成形的相关研究主要集中在成形件组织演变与性能3-6及成形过程工艺控制7-9方面,有关热累积对零件快速成形组织及性能的影响研究较少。从实际生产的需要出发,有必要对焊接快速成形过程中的热量累积对堆积材料的组织和性能影响规律做进一步研究。本文在优化工艺的基础上,采用MIG 堆焊快速成形技术制备了单道多层316L 不锈钢件,通过金相组织观察、硬度测试和拉伸试验等手段研究了堆焊快速成形316L 不锈钢的组织特定和力学性能,为改技术在生产中的应用提供了数据支持。1试验方法实验材料选用

11、316L 不锈钢焊丝,直径10mm ,焊丝成分如表1所示。基材选用Q235钢板,尺寸为200mm 55mm 8mm ,实验前基材表面打磨并用无水酒精和丙酮清洗干净。实验设备为AD GP300型逆变式交流氩弧焊机及AWL 3B 型弧焊自动操作平台。为比较焊接电流和焊接速度对堆焊层的影响,分别设定电压值为275、30、325V (焊接速度恒定为67mm /s ,焊接速度为31、67、92mm /s (焊接电压恒定为30V 。对单道堆焊材料横截面观察比较后确定较为合理的MIG 堆焊焊接参数:电压30V ,焊接速度67m /s ,以此参数堆焊单道多层316L 不锈钢薄壁件2件,分别采用控制层间温度(小

12、于50,冷却到一定温度后再继续堆焊和不控制层间温度(连续堆焊,有热累积效应2种方式,其中控制层间温度的试样共堆积10层,每层高1mm ,连续堆焊试样共堆积20层,每层高1mm 。实验过程中使用Ar 气保护堆焊材料防止氧化,气体流量为18L /min 。堆焊结束后从堆焊成形试块中部用线切割切取成形试样的横截面制备金相试样,利用M5000光学显微镜进行堆焊层组织观察。沿堆焊成形试块水平方向分别截取拉伸试样多个,试样轴线平行于焊接方向。使用型号为INSTON 3382的电子万能试验机进行室温拉伸强度测试,拉伸速率2mm /min ,并使用Tescan VEGA II LMH 扫描电镜对微观组织及断口

13、形貌进行观察。表1316L 焊丝的化学成分(质量分数/%C Si Mn S Cu 0019058119300100048P Cr Ni Mo Fe 0024188122244bal2试验结果与分析21堆焊成形工艺比较不同焊接电流和焊接速度下MIG 堆焊316L 不锈钢单道堆焊层形貌如图1所示。由图可知,随焊接电流的增加单道堆高和道宽增加,随着焊接速度的增大单道堆高和道宽减小,即焊接线能量的输入对单层堆高和道宽的影响较为明显。要保证一定堆焊效率并避免单道堆焊时尽量少的熔化已成形部分,本实验选定中间参数即焊接电压30V 和焊接速度67mm /s 堆焊单道多层试样。·2·第4期刘

14、奋成,贺立华,黄春平,等:316L 不锈钢电弧堆焊快速成形工艺及组织性能研究5mm5mm5mm5mm5mm(a27.5V,6.7m/s(b30V,6.7m/s(c32.5V,6.7m/s(d30V,3.1m/s(e30V,9.2m/s图1不同焊接电流和焊接速度下堆焊成形316L不锈钢单道堆焊层形貌22堆焊成形材料的组织MIG堆焊成形316L不锈钢件的显微组织如图2所示,图中同时给出了堆焊过程中有热量累积和无热量累积两种情况堆焊材料组织形貌。由图2a、图2d所示试样底部的组织发现,由于液态金属在冷却凝固过程中主要通过基板散热,热量主要沿着垂直于基板向下散失,热流方向垂直于界面,凝固具有方向性,形

15、成层与层间界面垂直的柱状晶组织,各堆焊层之间有清晰的界面,且图2a、图2d所示组织相差不大。图2b、图2e所示为试样最上部的层间过渡区域,比较可见热量累积导致枝晶变粗大,且最后一层堆焊层底部也出现了明显的枝晶组织,无热量累积试样为无分枝的胞状组织。比较两试样顶部组织特点,如图2c和图2f所示,有热量累积试样顶部枝晶组织明显粗大,枝晶间距较大。从图2中同时可以看出,成形件组织细密,不存在气孔、裂纹等冶金缺陷。这主要是由于堆焊层凝固组织为非平衡快速凝固,亚结构细小,成分偏析程度低,不易在枝晶间堆积并形成低熔点共晶组织,增大了堆焊层的抗裂能力。500m500m50m50m50m50m (a无热累积,

16、底部(d热累积,底部(b无热累积,中部(e热累积,中部(c无热累积,上部(f热累积,上部图2MIG堆焊316L不锈钢显微组织23堆焊成形材料的硬度图3给出了MIG堆焊成形316L不锈钢试样沿堆积方向的显微硬度分布。从图中可以看出,两种状态的堆焊快速成形316L不锈钢试样的显微硬度都表现出随对最上表面距离的增加先减少后增加的趋势,堆焊区域显微硬度存在波动。比较可见,无热累积堆焊试样的显微硬度波动较连续堆焊有热累积的试样略大,这与图2e中所示的无热累积·3·南昌航空大学学报:自然科学版第27卷学报 Journal%of%Nanchang%Hangkong%University

17、自然科学版··········Natural%Sciences试样单个堆焊层上下部位凝固和冷却速度的差异有关。由于无热累积作用,每个堆焊层的冷却速率较热累积试样大,使得无热累积堆焊试样的显微硬度总体上高于热累积堆焊试样,且由于每个堆焊层最底部区域的冷却速度较中部和上部区域大,不同区域冷却速度的不同造成显微硬度的不同,因此,无热累积堆焊试样的显微硬度波动略大。同时,由于堆焊试样最外一层的堆焊过程中熔池凝固的散热方向除自上而下通过已成形部分和基材散失外,还有一部分通过同一层已凝固部分的表面散失,此区

18、域的冷却速度较快,因此堆焊试样最外层的显微硬度略高。而堆焊试样底部靠近基材区域在凝固和冷却时可以通过基材快速散热,冷速较大,因此此区域的硬度也略高于堆焊材料内部。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图3堆焊成形316L 不锈钢试样沿堆积方向的显微硬度分布24堆焊成形材料的强度图4所示为MIG 堆焊成形316L 不

19、锈钢试样室温拉伸应力应变曲线,图中1 3号试样为无热累积试样,4 6号试样为热累积试样。可见所有堆焊试样的拉伸应力应变曲线比较集中,说明各组3个平行试样的拉伸性能偏差较小。同时可以看出,热累积试样的抗拉强度为580MPa ,略低于无热累积试样的605MPa ,而前者的塑性好于后者。与其它加工方法制备的316L 不锈钢件比较,MIG 堆焊成形316L 不锈钢试样的抗拉强度高于铸造(552MPa 和热轧(480MPa 状态试样,而低于冷轧(620MPa 和激光快速成形(694MPa 制备的试样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图4堆焊316L 室温拉伸应力应变曲线图5给出了无累积和热累积MIG 堆焊成形316L 不锈钢拉伸试样断口微观形貌。断口上有大量的韧窝的存在,为典型韧性断裂,说明材料具有良好的塑性。在图5a 、图5b 所示的宏观形貌中,可以观察到具有明显取向性排列的韧窝和撕裂棱,这与试样内部组织的自下而上地取向性生长有关。高倍组织观察发现,韧窝内部有颗粒状沉淀相存在,且沉淀相数量在热累积试样中较多,这说明热累积有利于这些沉淀相的析出

21、。比较韧窝尺寸,可以看出热累积试样韧窝尺寸和深度均大于无热累积试样,这也与拉伸测试中热累积试样表现出较好的塑性对应。250m250m100m 100m(a 无热累积试样断口裂纹扩展区(b 热累积试样断口裂纹扩展区(c 无热累积试样断口韧窝形貌(d 热累积试样断口韧窝形貌图5堆焊316L 拉伸试样断口形貌·4·第4期刘奋成,贺立华,黄春平,等:316L 不锈钢电弧堆焊快速成形工艺及组织性能研究3结论(1MIG 堆焊316L 不锈钢材料显微组织具有外延生长特性,为自下而上连续生长的粗大柱状晶。热累积情况下堆焊材料中的枝晶组织较无热累积试样明显粗大。(2堆焊材料沿焊接方向室温拉伸

22、抗拉强度优于铸件和热轧件材料,且热累积试样抗拉强度略低于无热累积试样,而前者塑性明显优于后者。(3对316L 不锈钢,热量的积累对堆积层的组织和力学性能影响较小,在实际生产中可以采取多道多层连续堆积的成形方法。【参考文献】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,刘顺洪,周龙早基于焊接的快速成形技术J 电焊机,2004,34(6:183林鑫,杨海欧,陈静激光快速成形过程中316L 不锈钢显微组织的演变J 金属学报,2006,42(4:3613684徐富家,吕耀辉,刘玉欣,等脉冲等离