不锈钢线材 （香樟推文）激光和金属丝DED的区别

编辑|如蒙历史博物馆

前言

采用同轴激光定向能量沉积与金属丝一起制造双相不锈钢，并研究了工艺稳定性对材料拉伸性能的影响。 研究了每层指定偏移量和激光功率的微小变化对双相不锈钢 2209 零件的工艺稳定性、不连续性和机械性能的影响。 如果指定的偏移或激光功率太高，可能会观察到熔池过热。 否则焊丝将穿过熔池。

根据有限的指数增长规律，通过调整指定的偏移量和激光功率，可以实现稳定的加工。 熔池过热会导致不可逆的不稳定，而穿过熔池的焊丝则通过降低有效沉积速率和层高来实现自稳定。

1、过程不连续性的影响

通过熔池的线材中的不连续性仅限于零件表面，并且当通过加工步骤去除这些不连续性时，显微组织和拉伸机械性能不受影响。 屈服强度、抗拉强度和断裂应变表现出明显的方向性，这可以通过奥氏体富集层和铁素体富集层带组成的微观结构的各向异性和不均匀性来解释。

在金属丝上进行激光定向能量沉积（L-DED-wire）的过程中，金属丝被激光作为能量源不断熔化。 所得熔池与基材熔合。 通过这种方法，可以生产近净形零件，可以向现有零件逐层添加特征，并且可以修复损坏的零件。

定向能量沉积（DED）方法的尺寸精度通常远低于粉末床方法，但沉积速率比粉末床方法至少高一个数量级。 使用激光和电线进行 DED 的好处是可以避免与粉末处理相关的困难。 与使用电弧熔化材料的方法相比，能量可以以更集中的方式引入到过程中，从而导致更小的熔池和更少的热量引入到零件中。 这意味着可以制造更精细的结构，并且可以更精确地控制材料的残余应力和相变。

双相不锈钢（DSS）是一种在加工状态下其组织由奥氏体和铁素体的体积分数精确控制的钢。 它们具有良好的机械性能和较高的耐腐蚀性，但由于铬、钼等合金元素含量较高，在高温下容易形成金属间化合物而变脆。

2 实验方法和材料

相组成是材料的温度历史以及奥氏体和铁素体形成元素含量的结果，并且对机械性能有很大影响。 其他合金元素包括通常用作脱氧剂的锰和可提高抗氧化性的硅。 在氧存在下，这些元素可能导致尖晶石、锰和非晶相的形成，这些相富含锰、硅和氧。

在凝固和冷却过程中，相变发生在多个阶段。 相组成完全是铁素体。 在1350°C至800°C的温度范围内，奥氏体开始在铁素体晶界处形成。 随后，在1100℃至750℃的温度下，针状奥氏体开始生长成铁素体晶粒，两者之间具有接近萨克斯的取向关系。

这种奥氏体的形成伴随着元素分配，导致奥氏体针中Cr、Mo和N的浓度较低，而Ni的浓度较高。 在1000℃～600℃温度范围内，会出现类似σ相的金属间化合物析出，可能导致材料韧性下降。 焊接过程中的低热输入和高冷却速率会导致 Cr2N 和 CrN 的形成。

在激光和粉末定向能量沉积工艺中，双相不锈钢的牌号（贫钢、标准钢或超级钢）对相组成有很大影响，最终奥氏体分数范围为 16.1% ± 1.1%（贫钢） ）至58.3%±0.1（超水平）。 奥氏体含量的变化反映在材料的硬度上。 精益级和特级的显微硬度分别达到208 HV±8 HV和294 HV±。

据报道，采用冷金属过渡工艺和 DSS 2209 焊丝的电弧增材制造制造的叶片状结构中铁素体含量为 26% 至 29%。 该材料的硬度在双相不锈钢焊缝金属的典型硬度范围内，拉伸性能如焊丝制造商所述。

定向能量沉积 DSS 工艺的另一个关键因素是保护气氛。 由于氮是一种强奥氏体稳定剂，因此熔池周围的气氛对零件的最终相分数有很大影响。 对激光定向能量沉积和使用 Ar 和 N2 保护气体的 DSS 2209 焊丝的研究表明，奥氏体含量约为 54% 和 70%。

在沉积过程中，热管理对于最终部件的质量至关重要。 通过定向能量沉积制造零件或特征非常复杂，因为工艺稳定性对边界条件和工艺参数的变化非常敏感。 单个焊接轨道的高度在结构的高度上并不是恒定的。 各个层的形状取决于熔池的温度、熔池内的温度分布、冷却和凝固速率。 所有这些因素随着最终零件的形成而变化，由于热量积累和几何变化而变化。

焊丝相对于熔池的放置对熔敷轨迹的几何形状有很大影响。 结果表明，侧送丝时，当焊丝位于熔池前方，利用熔池散发的热量将焊丝熔化时，可获得最佳的涂覆效果。 当错过最佳涂层生成窗口时，可能会出现不均匀的焊接痕迹和痕迹表面的锯齿状不连续性，这也可能伴随着非熔合缺陷。 此外，激光与焊丝之间的角度也会影响稳定工艺窗口的大小。 随着角度变得更陡，窗口变得更小。

模型和过程控制系统用于调整激光功率和高度增量，并且必须通过耗时的试错实验来确定每层的正确加工参数。 零件过热、周围环境的变化（例如保护气氛不足）、送丝机构堵塞或打滑以及沉积过程中零件的变形都可能导致局部工艺不稳定。 大型零件的生产非常耗时，需要数小时或数天。

3、材料说明及选择

当大型零件的生产过程中出现过程不稳定时，或者当优化过程相对于要生产的零件数量而言花费的时间过长时，需要决定是否接受这种不稳定性。 不连续性对激光定向能量沉积和丝焊制造的零件机械性能的影响尚未受到广泛关注，但在经济上很重要。 因此，本研究旨在调查影响过程稳定性的因素以及不连续性对机械性能的影响。

研究中使用的材料是直径为0.8毫米的DSS 2209（EN ISO 14343-A：G 22 9 3 NL，MTC焊接）焊丝。 基材材料为10mm厚150mm x 100mm不锈钢1.4541板。 研究中使用的沉积系统包括KUKA 6轴机器人、KUKA DKP 400 2轴定位器、 IWS提供的同轴线激光光学系统、DINSE GmbH提供的商用送丝装置以及IPG-YLS 8kW光纤激光器。

该沉积工艺旨在生产尺寸为 80 毫米宽、130 毫米长、90 毫米高的薄壁矩形零件。 零件的拐角处进行了半径为10mm的圆角处理，以确保定位器的旋转加速度足以保持刀具路径速度恒定。 沉积过程的路径规划是使用 SKM 的 DCAM 软件进行的。 在所有实验中，焊丝供给速度保持恒定在3 m/min，局部使用氩气流量为7.5 l/min，以防止熔池与大气之间的相互作用。

4、工艺参数设定及调整方法

在沉积头中，激光束被分成三束。 三束激光束聚焦在送丝喷嘴下方的一点上。 与横向送丝相比，这种方法实现了更高程度的方向独立性，因为该过程或多或少独立于送丝方向。

由于焊丝和激光束之间的角度较大，与横向送丝装置相比，稳定熔融焊丝的窗口要小得多。 通过在L-DED线加工过程中机器人和定位器的移动，刀具相对于刀具路径的定位保持一致，以消除激光束排列的剩余方向依赖性对加工的影响。

熔池的温度由入射和发射能量的功率决定，其中入射能量由激光的功率水平和焦点位置决定。 当焦点位置升高到基板上方时，自由长度的焊丝更长，激光束聚焦在焊丝和熔池的顶部，从而产生更集中的激光光斑和更热的熔池。

发射的能量取决于辐射、对流和传导。 辐射和对流传热随着熔池温度的升高而增加，因为环境温度几乎保持恒定，而零件温度却显着升高。 传导传热在加工过程中会减少，因为它取决于温度梯度，而温度梯度会随着基材和零件的升温而减少。

在沉积过程中，结构的几何形状从平板（基板的形状）变为矩形管（沉积物的形状）。 由于几何形状的变化，熔池的热边界条件也随着沉积高度的增加而变化。 特别是在开始时，注入零件的能量超过了可以通过辐射和对流耗散的能量，导致整个结构显着升温。

随着熔池和零件之间的温度梯度减小，传导冷却量减少，而结构辐射和对流耗散的能量增加。 沉积过程中几何形状的变化导致表面积增加，增加辐射和对流散热，但进一步减少传导散热，因为所有能量必须通过相对较薄的壁传导到基板中。

所有这些因素都直接影响熔池的温度。 由于边界条件的变化，随着构建高度的增加，需要调整激光的功率以防止熔池过热或冷却。 另外，随着冷却速度的变化以及从基体到最终结构的形状变化，焊接痕迹的形状也会发生变化，需要调整各层的偏移量，以保证零件与最终结构之间的相对位置。工具保持不变。

另一个重要因素是焊丝喷嘴和熔池之间的自由长度。 当预设的每层偏移高度与实际熔敷轨迹高度不同时，焊丝的自由长度就会发生变化。 随着自由长度的增加，激光束更多地聚焦在焊丝上，可能导致焊丝转变为熔滴传输模式或在到达熔池之前完全蒸发。 当距离变短时，传递到焊丝的能量可能不足以稳定熔化。 这导致实心线穿过熔池并从结构的侧面出来。

5 结果分析

综上所述，沉积过程中的熔池温度受到多种因素的影响，包括入射和发射能量的功率、焦点位置、辐射、对流、传导以及结构几何形状的变化。 为了保持稳定的沉积过程，需要根据实际情况调整激光功率、焦点位置和偏移高度，以控制熔池温度，避免出现不稳定现象。 焊丝的自由长度也需要适当调整，以确保稳定的熔化和沉积过程。

这里 是当前激光功率， 是第一层的初始激光功率， 是激光功率的稳态值， 是当前层的层数， 是描述功率变化率的指标。 当前图层的偏移高度可以类似地通过参数来描述。 指数增长的有限性假设在之前的工作中通过测量层间温度随时间的变化得到了验证，也可以通过有限指数增长定律进行建模。

反复调整参数，直到过程稳定到结构的最终高度至少 90 毫米。 设计实验等系统方法不适合解决这个问题。 这两个方程包含六个自由参数，通过实验来确定这些参数会导致实验次数过多。

综上所述

该工艺的稳定性在很大程度上取决于每层的偏移，该偏移控制着激光束焦平面与熔池之间的距离。 即使只有百分之几毫米，最初稳定的过程在多层之后也可能变得不稳定。 理想情况下，应在该过程中测量沉积物的高度。

如果没有这个能力，我们就需要通过试错来找到正确的处理路径。 通过测量层之间的高度来生成对每层高度偏移的初步猜测。 然而，对于连续情况，这并不总是产生稳定的参数集，因为没有层间休息时层间温度要高得多，导致由于凝固速率降低而导致轨道高度较低。

为了找到加工参数的初始猜测值，建立了一种结构，其中定期中断加工以测量沉积物的高度，并在开始时逐渐调整激光功率以防止熔池过热。 构建过程在第一层、第二层、第四层、第七层、第十层以及此后每第五层之后中断。

在中断期间，测量当前高度，并根据先前测量的高度差和层数的关系计算下一层的偏移量。 每层平均停电时间为60秒。 使用预定的激光功率值，通过将公式与测量的偏移值进行最小二乘拟合来获得偏移调整值。

参考

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