WAAM 工藝相似于一般的焊接過程,因此在焊接過程中不同合金的熱裂紋、冷裂紋、氣孔、分層和飛濺等缺陷在增材過程中也會出現(xiàn)。鎂及鎂合金具有低密度、低熔點、高熱導(dǎo)率、高膨脹系數(shù)和氧化性強等特點,導(dǎo)致鎂合金的電弧增材面臨挑戰(zhàn),如出現(xiàn)晶粒粗化、氧化蒸發(fā)、熱應(yīng)力和熱裂紋等缺陷。WAAM 中的缺陷可能是由于沉積路徑規(guī)劃不當、工藝參數(shù)設(shè)置不當和熱輸入過多,造成熔池動力學(xué)不穩(wěn)定、產(chǎn)生殘余應(yīng)力和氣體污染進而影響成型質(zhì)量。利用 WAAM 成型鎂合金沉積層時,就容易出現(xiàn)一些主要的宏觀缺陷,如側(cè)面塌陷等,這主要是由于沉積層散熱條件存在差異,因此,為了獲得成型質(zhì)量良好且性能優(yōu)異的鎂合金構(gòu)件,必須采用合適的工藝參數(shù),嚴格控制熱輸入大小。

        電弧增材制造過程中,零件內(nèi)部經(jīng)歷快速加熱和冷卻,基體和沉積層金屬反復(fù)經(jīng)歷熱脹冷縮容易產(chǎn)生變形,對于大型的薄壁件來說,控制變形是重要的關(guān)注點。 殘余應(yīng)力是指移除所有外部的載荷后殘留在材料中的應(yīng)力,過高的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致變形、分層,影響成型件的性能,若殘余應(yīng)力超過材料的局部抗拉強度,則會發(fā)生開裂,若殘余應(yīng)力高于局部屈服強度但低于抗拉強度,則會發(fā)生翹曲或塑性變形。

        變形和殘余應(yīng)力與許多工藝參數(shù)有關(guān),如增材電流、增材電壓、送絲速度、層間溫度、沉積路徑和保護氣體流量等。變形和殘余應(yīng)力對于 WAAM 工藝來說不可能完全避免,鎂合金具有較高的熱膨脹系數(shù),因此相較于其他材料來說,更容易產(chǎn)生變形缺陷,因此,變形和殘余應(yīng)力的控制和最小化是研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。 選用合適的工藝參數(shù)、規(guī)劃恰當?shù)某练e路徑、對基板預(yù)先加熱、增材后進行熱處理等方法均可以減少WAAM 制造件的殘余應(yīng)力和變形的出現(xiàn)。Mughal等提出了一種二維有限元熱力模型,用于預(yù)測 殘余應(yīng)力引起的變形, 并將其應(yīng)用于模擬GMAW 增材制造工藝制備低碳鋼構(gòu)件的過程。 研究各種工藝參數(shù)包括基板溫度、沉積速率和沉積路徑對殘余應(yīng)力和變形的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力分布取決于沉積路徑,最高應(yīng)力出現(xiàn)在最頂端的沉積層處。Xiong等建立了圓形十層單道焊零件的三維瞬態(tài)傳熱模型,以研究基于 GMAW 增材制造工藝制備低合金鋼構(gòu)件中的熱行為,分析了基板預(yù)熱對熱循環(huán)的影響。 結(jié)果表明,基底預(yù)熱可以使熱循環(huán)更加平穩(wěn),并降低熔池的冷卻速度。 熔池中的最大溫度梯度隨著基板預(yù)熱溫度的升高而降低,基板預(yù)熱溫度在400~600 ℃之間可以有效降低熱應(yīng)力和開裂傾向。合理的夾緊形式可以有效地減少電弧增材制造中的變形和缺陷,Wang 等使用有限元分析軟件建立了一個三維單道多層沉積 WAAM 模型。

        研究了模型構(gòu)件的變形和殘余應(yīng)力情況。 模擬4種典型的夾緊形式,如圖1所示,比較了這 4 種不同夾緊形式下構(gòu)件的總變形和殘余應(yīng)力分布結(jié)果。 總變形結(jié)果表明,邊緣夾持形式下的模型比拐角夾持形式的變形更小。在邊緣夾緊形式中,在保證尺寸精度方面,橫向夾緊起主導(dǎo)作用。 根據(jù)殘余應(yīng)力分布分析,在所有夾緊形式下,構(gòu)件區(qū)域下方的基板位置橫向應(yīng)力小于縱向應(yīng)力。 只有橫向夾緊的夾緊形式下可以獲得最小的殘余應(yīng)力分布。 Li 等利用超聲波沖擊方法對電 弧增材制造工藝制備的Ti6Al4V 零件進行處理,結(jié)果表明試樣表面殘余應(yīng)力降低了58%。Sun 等采用激光沖擊強化技術(shù)對WAAM 技術(shù)制備的2319鋁合金薄層構(gòu)件進行處理,將殘余應(yīng)力從拉伸狀態(tài)改為壓縮狀態(tài),最大值約為 100 MPa。 以上學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對電弧增材成形鎂合金構(gòu)件中的變形行為進行了分析,但對于鎂合金殘余應(yīng)力和變形控制的研究目前還處于初步階段,需要進行進一步的深入研究。

圖1不同夾緊方式的模擬結(jié)果(a) 夾緊方式 1; (b) 夾緊方式 2; (c) 夾緊方式 3; (d) 夾緊方式 4