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     在不同沉積路徑下采用冷金屬過(guò)渡電弧增材制造技術(shù)制備了H13鋼成形件，基于熱-彈塑性有限元法對(duì)成形件的熱歷程進(jìn)行了分析，并通過(guò)試驗(yàn)研究了成形件的顯微組織和硬度。結(jié)果表明：同向和雙向路徑沉積得到5層單道和單層5道成形件的熱歷程基本一致，雙向沉積5層單道成形件第3層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)高于雙向沉積單層5道成形件第3道中間點(diǎn)，5層單道成形件的熱累積效應(yīng)更明顯；5層單道成形件的板條狀馬氏體組織比單層5道成形件的粗大；同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積成形件，同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5層單道成形件的平均硬度略低于單層5道成形件。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

     基板和填充焊絲材料均為H13模具鋼，焊絲直徑為1.2mm。沉積前用角磨機(jī)打磨基板表面，除去表面氧化層。采用機(jī)器人輔助冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)進(jìn)行電弧增材制造，其中焊槍固定在6軸 ABB IRB1600型機(jī)器人上，按照同向和雙向路徑分別沉積5層單道和單層5道成形件，具體沉積路徑如圖1所示。

      在沉積過(guò)程中，用熱電偶溫度數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)圖2中黑點(diǎn)所示位置的熱循環(huán)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測(cè)溫范圍為0~1200℃。

      使用線切割方法在成形件中圖3所示的A~F位置上截取金相試樣，其中A~C取樣位置為5層單道中第2層，D~F取樣位置為單層5道中第2道，圖中箭頭表示相應(yīng)位置的熱量傳導(dǎo)方向。金相試樣經(jīng)研磨、拋光處理，用CuSO4、HCl、H2O溶液腐蝕后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。用數(shù)字顯微硬度計(jì)對(duì)成形件焊道中心線的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，相鄰測(cè)試點(diǎn)間隔為1mm，載荷為1.98N，保載時(shí)間為10s。

2 有限元模擬

      采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)不同路徑下的沉積過(guò)程進(jìn)行熱-彈塑性有限元分析，以熱力順序耦合的方法對(duì)沉積過(guò)程的熱循環(huán)進(jìn)行模擬。由于在沉積過(guò)程中熱源具有瞬時(shí)性和集中性，導(dǎo)致沉積層及熱影響區(qū)存在較高的溫度和應(yīng)力梯度，因此在沉積層及其附近采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格的最小尺寸為0.6mm。5層單道模型的單元總數(shù)為16728，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為20461；單層5道模型的單元總數(shù)為31116，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為35440，有限元模型的具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。計(jì)算中采用DC3D8線性傳熱單元對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，在模型中基板底部3點(diǎn)設(shè)置位移約束。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱循環(huán)溫度

      由圖5可以看出：5層單道和單層5道雙向成形件基板測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差小于10%，在試驗(yàn)過(guò)程中因基板與卡具間存在熱交換，導(dǎo)致溫度模擬結(jié)果略高于測(cè)量結(jié)果；在5層單道沉積過(guò)程中，隨著沉積層高度的增加，熱源與基板間的距離變大，熱量主要通過(guò)空氣傳導(dǎo)，熱量散失速率慢，因此測(cè)量點(diǎn)的熱積累效應(yīng)明顯，溫度有明顯上升的趨勢(shì)；在單層5道沉積時(shí)，熱源與基板直接接觸，熱量散失速率快，熱積累效應(yīng)不明顯，溫度上升趨勢(shì)緩慢，隨著沉積過(guò)程的進(jìn)行，熱積累導(dǎo)致溫度趨于穩(wěn)定。

     由圖6可以看出：模擬得到雙向沉積時(shí)第1層(道)起弧點(diǎn)的熱循環(huán)曲線略高于同向沉積時(shí)，這是由于同向沉積時(shí)焊槍返回起弧點(diǎn)的過(guò)程有助于成形件的散熱所致；2種沉積路徑下，第1層(道)起弧點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線趨勢(shì)相同，均有5個(gè)溫度峰值，其中第1,3,5個(gè)峰值溫度基本重合。第2,4層雙向沉積時(shí)，熱源與前一層的運(yùn)動(dòng)方向相反，第1層(道)起弧點(diǎn)在沉積奇數(shù)層后的冷卻時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致沉積偶數(shù)層時(shí)該點(diǎn)的峰值溫度滯后于同向沉積時(shí)的峰值溫度。雙向沉積第4層(道)和第5層(道)相當(dāng)于對(duì)第3層(道)中間點(diǎn)進(jìn)行再加熱。由圖7可以看出，雙向沉積5層單道第3層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)大于雙向沉積單層5道第3道中間點(diǎn)的峰值溫度，該現(xiàn)象說(shuō)明5層單道成形件中的熱累積效應(yīng)比單層5道成形件更明顯。

3.2 顯微組織

     由圖8和圖9可以看出，成形件的顯微組織主要為致密板條狀馬氏體(M)，5層單道成形件中間位置(位置B)處存在長(zhǎng)條塊狀鐵素體(F)。電弧的

能量分布隨著偏離熔池中心距離增加呈指數(shù)衰減，單道電弧的中心溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邊界位置，熱量從熔池中心向邊緣擴(kuò)散，導(dǎo)致熔池中存在較大的溫度梯度，因此馬氏體的生長(zhǎng)方向主要與溫度梯度方向一致。沉積層中不同位置的溫度梯度方向不同，馬氏體的生長(zhǎng)方向也顯著不同。2種沉積路徑下的熱輸入相同，所以成形件的顯微組織基本相同。由于5層單道成形件的中間點(diǎn)的峰值溫度高于單層5道成形件的峰值溫度，即5層單道成形件在沉積過(guò)程中經(jīng)歷的平均溫度更高，因此其馬氏體組織較粗大。

3.3 硬度

     由圖10可知，同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，其平均硬度分別為435，419HV。結(jié)合熱循環(huán)曲線分析，可能是因?yàn)殡p向沉積過(guò)程中的熱積累更嚴(yán)重，造成成形件組織中鐵素體含量增加，因此雙向沉積5層單道成形件的平均硬度較低。同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，平均硬度分別為442，441HV。與單層5道成形件相比，5層單道成形件的平均硬度略低，這與5層單道成形件組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關(guān)。

4 結(jié)論

     (1) 同向和雙向路徑沉積得到5層單道和單層5道成形件的熱歷程基本一致，熱循環(huán)曲線變化規(guī)律相似；雙向沉積第1層(道)起弧點(diǎn)的溫度略高于

同向沉積，雙向沉積5層單道成形件第3層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)高于雙向沉積單層5道成形件第3道中間點(diǎn)，5層單道成形件中的熱累積效應(yīng)更明顯。

      (2) 2種路徑沉積得到的5層單道和單層5道成形件的顯微組織均主要為致密的板條狀馬氏體，但5層單道成形件的馬氏體組織較粗大；在溫度梯度的影響下，成形件不同區(qū)域的馬氏體生長(zhǎng)方向不同。

     (3) 同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5層單道成形件的平均硬度略低于單層5道成形件，這與組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關(guān)。