电弧增材制造技术是利用电弧热源将金属丝材熔融沉积于金属基体上，通过控制热源移动的轨迹实现金属零件堆积成形[1]．相比于激光、等离子束增材制造技术，该技术具有设备结构简单、制造成本低、材料利用率高、成形速率高等特点．在航天、航空、航海等领域，电弧增材制造技术常被应用于制造高强度的中、大型金属零件[2-3]．但是，在电弧增材制造过程中，电弧热源带来的极高的热输入量和周期性的急速升温、降温会导致成形样件变形严重以及微观组织形态较差[4]．为了解决这些问题，探索一些辅助的工艺方法或者成形过程的工艺控制方法具有重要意义．目前，焊前预防法、焊后矫正法、火焰矫正法等工艺方法可以减小成形样件的变形[5]，但这些方法无法在成形过程中抑制成形样件的变形，火焰矫正法加热不均匀且不环保；现有轧制复合技术利用轧辊的轧制力破坏粗大的柱状晶[6]，但是轧制工艺会因其接触式加工方式而引入其他杂质元素对制造零件精度造成较大影响[7]；目前常使用成形后的热处理工艺细化晶粒[8]，但无法在零件成形过程中进行．电磁感应加热技术是利用电磁感应原理在导体内产生涡流，从而产生焦耳热实现对工件加热[9]．感应线圈通过电磁感应将电能传递给工件，电能在工件内部由于存在电阻而转化为热能[10]．该技术拥有独特的非接触式传热方式，可以在包括真空的各种环境中稳定工作，具有加热效率高、环境污染小、控制性好、再生能力强等特点[11]，因此在金属材料制造加工领域得到广泛应用[12]．电磁感应加热技术可以改善成形样件的温度分布、减小温度梯度，进而减小变形．该方法加热均匀，并且电磁感应线圈与焊枪同步运动方式可起到“同步热处理”的作用，使样件在成形过程中晶粒细化，且非接触式工艺不会造成零件污染．Barclay等对电磁感应加热用于焊接变形矫平进行研究[13-14]，而对基于电磁感应加热的电弧增材制造技术的研究较少．因此，本研究以低碳钢为研究对象，对基于电磁感应加热的电弧增材制造进行试验，分析电磁感应加热对电弧增材制造零件形变、微观组织和力学性能的影响机制．1 试验平台及方案1.1　试验平台电弧增材制造试验采用熔化极Ar-CO2混合气保护弧焊作为焊接方法，沉积制造单道单层和单道多层焊道．基板尺寸为150 mm×30 mm×7 mm，成形样件长100 mm，高12 mm．焊枪和电磁感应加热线圈固定于数控机床的执行端，沿设定轨迹同步运动，进行焊道的沉积成形．图1为基于电磁感应加热的电弧增材制造试验平台结构图，电磁感应线圈同步运动于焊枪后方，红外热成像仪监控成形样件制造过程的温度场变化，线激光轮廓传感器扫描检测成形样件的外轮廓点云数据．10.13245/j.hust.221208.F001图1基于电磁感应加热的电弧增材制造试验平台结构图电磁感应加热作用由高频交流电源提供的交流电通过“蚊香”状电磁感应加热线圈产生，该线圈由外径8 mm、内径5 mm的中空铜管缠绕制成，螺距约为9 mm，圈数为3，线圈实物如图2所示．电磁感应加热线圈通过连接装置(图3所示)与焊枪连接，在成形过程中线圈与焊枪同步运动，两者轴线始终平行．高频交流电源的频率固定为90 kHz，加载于线圈两端的电压调控范围为0～620 V．10.13245/j.hust.221208.F002图2电磁感应加热线圈实物图10.13245/j.hust.221208.F003图3连接装置1.2　试验方案试验采用的焊接方式为脉冲式熔化极气体保护焊，焊接材料为直径为1.6 mm的低碳钢焊丝，焊枪角度为90°．保护气为97.5%氩气(Ar)和2.5%二氧化碳(CO2)混合气，气流量为18 L/min，焊枪末端与基板距离为11 mm．工艺参数为：焊接电压24 V，焊接电流160 A，焊枪末端与基板的距离11 mm，送丝速度5 200 mm/min，焊接速度192 mm/min．本研究分析电磁感应加热对电弧增材制造的影响，采用全面性最优的全因子试验方法进行研究设计．试验试样安排如表1所示，试验因子为电磁感应加热功率(P)和电磁感应线圈与焊枪的轴线间距(L)．0组为对照组，其制造过程不附加电磁感应加热作用．10.13245/j.hust.221208.T001表1试验试样安排表组号P/kWL/mm1234012.612.66.36.3—70957095—在焊道上取特征点和特征线，其具体位置如图4所示．在电弧增材制造成形过程中，使用红外热像仪拍摄监控成形样件的温度场变化．红外热成像仪型号为MAG62，图像像素为640×480，像素尺寸为17 μm，帧频为50 Hz，波长范围为7.5～14.0 μm．使用ThermoX软件进行温度数据的采集、输出及图像处理，检测温度在0～1 600 ℃范围内比较准确，发射率设置为0.74[15]．为保证拍摄画面的清晰并避免电弧增材制造过程中镜头受损，拍摄距离保持为0.64 m．10.13245/j.hust.221208.F004图4温度数据提取位置示意图电弧增材制造成形后，使用线激光轮廓传感器检测成形样件的表面形貌．由于焊道的变形信息难以提取和分析，因此本研究提取试样焊道背面中线上的点云数据，用于表征成形样件变形．其具体位置如图5所示．线激光轮廓传感器型号为10.13245/j.hust.221208.F005图5变形场数据提取位置示意图Gocator2150-312150D-3R-R-01-T，采样频率范围为170～5 000 Hz，Z轴分辨率为0.019～0.060 mm．使用Geomagic Control软件处理位置点云数据．采用电火花线切割机对单道单层焊道成形样件进行切割取样，如图6所示，切面为特征点处对应截面K-K．依次使用180，400，800，1 500，2 000目金相砂纸去除试样表面的氧化层及划痕，每次研磨的角度与上一张砂纸的研磨角度垂直；使用SiC抛光膏加适量清水抛光试样观测面，使用无水乙醇洗去抛光液并立即吹干；使用3%～5%硝酸酒精溶液对试样表面进行腐蚀，腐蚀完毕后使用无水乙醇对其进行冲洗并立即吹干，完成制样．金相试样如图7所示，使用型号为DX70的金相显微镜对金相试样进行观测．10.13245/j.hust.221208.F006图6取样位置10.13245/j.hust.221208.F007图7金相试样根据GB/T 228－2021《金属材料拉伸试验标准》制备拉伸试样．采用电火花线切割机在焊道中心处取2个试样，采样具体位置如图8(a)所示．拉伸试样取长方体试样，尺寸为92 mm×4 mm×2 mm，标距为50 mm，试样示意图如图8(b)所示．在ZWICK ROELL Z010拉伸试验机平台上进行室温拉伸试验，拉伸速率为0.5 mm/min[16]．10.13245/j.hust.221208.F008图8拉伸试样(mm)2 试验结果及讨论2.1　变形场分析在增材制造过程中，由于焊接过程的多次快速局部加热-冷却的温度循环以及局部过高的温度梯度的特性，使得电弧增材制造成形样件发生变形，因此影响制造精度．以基板底面的中心为原点，试样在z方向的变形场曲线z-x如图9所示．采用边缘挠度w表征成形样件的变形量，其边缘挠度结果如图10所示．结果表明：电弧增材制造成形样件变形严重，其两端发生翘曲变形，无电磁感应加热的对照组(0组)成形样件平均挠度为1.31 mm．电磁感应加热辅助作用抑制了电弧增材制造成形样件的变形．电磁感应加热功率为12.6 kW的1组和2组的抑制效果较为明显，其平均挠度分别为0.72 mm和0.50 mm，变形量分别减小了45%和62%．由于电磁感应加热功率仅6.3 kW，电磁感应加热作用太弱，因此3组和4组成形样件的变形被抑制的效果不明显．10.13245/j.hust.221208.F009图9成形样件的变形曲线10.13245/j.hust.221208.F010图10成形样件边缘挠度焊道成形过程中特征线上的温度(θ)分布如图11所示，xarc为与电弧间的距离．焊道凝固成形并快速降温，导致成形样件的温度梯度大，造成成形样件发生变形．电磁感应加热改善了焊道上的温度分布，1组和2组的温度梯度明显减小．由于电磁感应加热作用太弱，因此3组和4组改善温度分布作用不够明显．由于线圈在焊枪后方，对已成形部分继续加热，使得成形样件的冷却速度降低，减小了局部温度梯度；因此，电磁感应加热改善了成形样件的温度分布，减小了成形样件的温度梯度，进而抑制其变形．10.13245/j.hust.221208.F011图11特征线上的温度分布2.2　金相组织分析电弧增材制造过程伴随着冶金过程，成形样件在制造中伴随的温度变化会使其微观组织形态发生变化，影响成形样件的力学性能[17]．由于电磁感应加热功率6.3 kW对试样的作用效果太弱，因此对加热功率为12.6 kW的实验组的金相样进行分析．图12分别为0组、1组、2组的金相图，由图可见：a．无电磁感应加热的对照组(0组，见图12(a))金相试样的微观组织晶体形态主要为柱状晶，图中黑色区域是冷却过程中析出的针状铁素体，分布于晶内；多齿状白色组织是析出的魏氏组织，分布于晶界间；柱状晶为原奥氏体形态，尺寸较为粗大；b．相比对照组，电磁感应加热作用的1组(图12(b))和2组(图12(c))金相的晶体呈等轴状，且尺寸相对细小，是发生柱状晶等轴化和晶粒细化的结果．晶体等轴化和晶粒细化可使材料的综合力学性能得到提升；c．线圈-焊枪间距为95 mm的2组与3组相比，晶体等轴化和晶粒细化更为彻底．10.13245/j.hust.221208.F012图12成形样件截面金相图特征点的温度随时间(t)的变化如图13所示，0 s时刻电弧经过A点，此时温度最高并开始下降．由于同步运动于焊枪后面的电磁感应线圈的作用，A点温度回升并持续10 s左右，在电磁感应加热作用范围移动离开后，温度继续下降．因为1组的电磁感应线圈与焊枪的间距为70 mm，2组的线圈-焊枪间距为95 mm，所以两组的温度回升的时刻不相同．Ar1为冷却过程中奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度，约为680 ℃；Ac1为低碳钢在加热过程中珠光体开始向奥氏体转变的温度，约为727 ℃．10.13245/j.hust.221208.F013图13焊道成形过程中特征点的温度变化曲线在电弧增材制造过程中，0组试样的焊道冷却凝固，初生柱状晶形成并逐渐长大．温度继续下降至Ar1温度，过冷奥氏体发生转变，晶内析出铁素体，晶界间析出富碳相．富碳相可能是贝氏体、马氏体或是珠光体，原奥氏体保留柱状晶形态．电磁感应加热线圈与焊枪同步运动，事实上起到了“同步热处理”的作用．在A点受到电磁感应加热作用后，其温度快速上升，当升至Ac1以上，富碳相中的碳会向铁素体中扩散而发生组织转变，生成等轴晶状的新生奥氏体并占据原奥氏体的形态，实现晶体的等轴化．电磁感应线圈对试样A点持续加热的时间较短，使得晶粒尚未长大就冷却至形态固定，所以晶粒细小．由于1组线圈-焊枪间距较小，A点温度尚未下降至Ar1温度就受到电磁感应加热作用，奥氏体的分解不够完全，其再奥氏体化不够彻底，故晶粒细化程度比2组低．2.3　力学性能分析基于试样的微观组织观测分析，结果表明：电磁感应加热的“同步热处理”作用使得晶体等轴化、晶粒细化，且2组的微观组织晶粒细化效果最好，故选用2组和对照组试验的工艺参数制造单道多层焊道成形样件，编号为A2和A0．制作拉伸试样进行拉伸试验，对比分析电磁感应加热对成形样件力学性能的影响规律．拉伸试验结果如表2所示，表中：L0为试样原始标距；L1为试样断后标距；Fmax为最大负荷．不加电磁感应加热辅助的A0组拉伸试样的两次拉伸强度R为467.85 MPa和486.18 MPa，伸长率λ为22.8%和22.4%．电磁感应加热功率为12.6 kW，线圈-焊枪间距为95 mm的A2组试样的两次拉伸强度为501.26 MPa和519.09 MPa，伸长率为24.0%和23.8%．A6组试样的拉伸强度比A0组提升约30 MPa(约6.38%)，伸长率提升约1%．试验结果表明：电磁感应加热可以提高成形样件的拉伸强度和韧性，提升成形样件的综合力学性能．10.13245/j.hust.221208.T002表2拉伸试验记录表组号L0/mmL1/mmFmax/NR/MPaλ/%A250.050.062.061.93 9904 130501.26519.0924.023.8A050.050.061.461.23 7203 870467.85486.1822.822.43 结论在电弧增材制造过程中，电磁感应加热可以改善成形样件的温度场分布，降低温度梯度，抑制成形样件的变形．由于其“同步热处理”的作用，电磁感应加热可以调控微观组织，细化晶粒，提高成形零件的力学性能，电磁感应加热的具体作用如下．a．在成形过程中，由于熔池后凝固区域过高的温度梯度被电磁感应加热所抑制，电磁感应加热可以显著减小成形样件的变形量．变形量与电磁感应加热功率负相关，与线圈-焊枪间距负相关．当感应功率为12.6 kW、线圈-焊枪间距为95 mm时，作用效果最好，试样变形减小了62%．b．随焊枪同步运动的电磁感应加热事实上起到了“同步热处理”的作用．在成形过程中，在焊道凝固后，温度下降至Ar1温度，电磁感应加热使成形样件温度回升至Ac1，珠光体转变为新生奥氏体，晶粒等轴化，加热作用时间短使得晶粒细小．c．由于电磁感应加热可以调控微观组织，因此其可以提高成形样件的拉伸强度和韧性，提升其综合力学性能．当感应功率为12.6 kW、线圈-焊枪间距为95 mm时，试样的抗拉强度提升了6.38%，伸长率提升约1%．