电弧熔丝增材制造316L的温度场仿真及对基体的影响

邸艳艳; 胡仁志; 熊逸博; 郑志镇; 李建军

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.08

焊接工艺 | 浏览量 : 0 下载量: 776 CSCD: 0

PDF
导出
分享
收藏
专辑

电弧熔丝增材制造316L的温度场仿真及对基体的影响
Temperature Field Simulation and the Effect on the Substrate During Wire Arc Additive Manufacturing of 316L
2022年52卷第1期页码：63-67
收稿：2021-06-25，

网络首发：2021-07-28，

纸质出版：2022-01-20
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.08
稿件说明：

移动端阅览

邸艳艳，胡仁志，熊逸博，等.电弧熔丝增材制造316L的温度场仿真及对基体的影响［J］.电焊机，2022，52（01）：63-67. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.08.

DI Yanyan, HU Renzhi, XIONG Yibo, et al.Temperature field simulation and the effect on the substrate during wire arc additive manufacturing of 316L[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(01): 63-67. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.08.

摘要

电弧熔丝增材（WAAM）是一种利用电弧将焊丝熔积成型的新型制造方法，基本原理是“分层制造，逐层堆积”。在连续的热循环作用下，WAAM成型件内部易产生较大的残余应力和变形，影响零件的性能。为了研究电弧增材制造过程中温度演变规律及对基体的影响，基于有限元法，采用“生死单元”技术建立了三维瞬态仿真模型，进行了层间停留温度为400 ℃条件下306L不锈钢电弧增材制造过程温度场的模拟；采用热成像仪测量增材过程的温度，将模拟结果与实测结果进行对比研究。结果表明：模拟结果和测试结果有高度的一致性，验证了模型的准确性；在增材制造过程中，会发生热积累现象，高温区域增大；堆积过程中前四层会对基板产生较大的热影响；基体的热影响敏化区的深度大约为基板下6 mm。

Abstract

In order to investigate the temperature evolution law and the influence on the substrate during the wire arc additive manufacturing process

this paper establishes a three-dimensional transient simulation model based on the finite element method and carries out the simulation of the temperature field in the wire arc additive manufacturing process; the temperature of the additive process is measured by the thermal imager

and the simulation results are compared with the actual measurement results. The results show that: the simulation results and test results match well and verify the accuracy of the model; during the wire arc additive manufacturing process

the heat accumulation phenomenon increases in the high temperature region; the first four layers in the stacking process have a large thermal impact on the substrate; the sensitized depth of the heat affected zone of the substrate is about 6 mm below the substrate.

关键词

Keywords

references

WANG L ， XUE J ， WANG Q . Correlation between arc mode, microstructure, and mechanical properties during wire arc additive manufacturing of 316L stainless steel [J]. Materials Science and Engineering：A ， 2019 ( 751 )： 183 - 190 .

韩文涛，林健，雷永平，等 . 不同层间停留时间下电弧增材制造2Cr13薄壁件热力学行为 [J]. 焊接学报， 2019 ， 40 ( 12 )： 47 - 52，163 .

HAN W T ， LIN J ， LEI Y P ， et al . Thermal-stress analysis of wire-arc additive manufacturing 2Cr13 parts with different interlayer idle time [J]. Transactions of the China Welding Institution ， 2019 ， 40 ( 12 )： 47 - 52，163 .

杨罗扬 . 基于CMT的不锈钢电弧增材制造温度场、应力场及成型工艺研究 [D]. 江苏：南京理工大学， 2017 .

YANG L Y . Research on temperature field，stress field and forming process of the stainless steel arc addictive manufacturing based on CMT [D]. Nanjing University of Science & Technology ， 2017 .

WEN D X ， LONG P ， LI J J ， et al . Effects of linear heat input on microstructure and corrosion behavior of an austenitic stainless steel processed by wire arc additive manufacturing [J]. Vacuum ， 2020 ( 173 )： 109131 .

ZHAO Y ， JIA Y ， CHEN S ， et al . Process planning strategy for wire-arc additive manufacturing：Thermal behavior considerations [J]. Additive Manufacturing ， 2020 ( 32 )： 100935 .

张天雷，徐刚，沈艳涛，等 . 基于MIG的电弧增材制造不同层间停留时间温度场仿真模拟 [J]. 轻工机械， 2020 ， 38 （ 3 ）： 37 - 42 .

ZHANG T L ， XU G ， SHEN Y T ， et al . Numerical Simulation of Thermal Behavior of Different Interlayer Idle Time for MIG-Based Additive Manufacturing [J]. Light Industry Machinery ， 2020 ， 38 ( 3 )： 37 - 42 .

WANG D ， SONG C ， YANG Y ， et al . Investigation of crystal growth mechanism during selective laser melting and mechanical property characterization of 316L stainless steel parts [J]. Materials & Design ， 2016 （ 100 ）： 291 - 299 .

刘东帅，吕彦明，周文军，等 . 基于ANSYS的TIG电弧增材制造温度场数值模拟分析 [J]. 激光与光电子学进展， 2019 ， 56 （ 24 ）： 181 - 187 .

LIU D S ， LV Y M ， ZHOU W J ， et al . Numerical Simulation of Temperature Field in TIG Arc-Additive Manufacturing Based on ANSYS [J]. Laser & Optoelectronics Progress ， 2019 ， 56 ( 24 )： 181 - 187 .

LEI Y ， XIONG J ， LI R . Effect of inter layer idle time on thermal behavior for multi-layer single-pass thin-walled parts in GMAW-based additive manufacturing [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2018 ， 96 ( 1 )： 1355 - 1365 .

XIONG J ， LEI Y ， LI R . Finite element analysis and experimental validation of thermal behavior for thin-walled parts in GMAW-based additive manufacturing with various substrate preheating temperatures [J]. Applied Thermal Engineering ， 2017 ( 126 )： 43 - 52 .

RONG Y ， HUANG Y ， XU J ， et al . Numerical simulation and experiment analysis of angular distortion and residual stress in hybrid laser-magnetic welding [J]. Jou-rnal of Materials Processing Tech. ， 2017 ( 245 )： 270 - 277 .

区达铨，王发展，赵申，等 . 大型复杂框架结构焊接变形与应力控制仿真 [J]. 中国机械工程， 2018 ， 29 （ 5 ）： 616 - 622 .

OU D Q ， WANG F Z ， ZHAO S ， et al . Welding Deformations and Stress Simulations Control of Large-scale Complex Structures [J]. China Mechanical Engineering ， 2018 ， 29 ( 5 )： 616 - 622 .

谷京晨，童莉葛，黎磊，等 . 焊接数值模拟中热源的选用原则 [J]. 材料导报， 2014 ， 28 （ 1 ）： 143 - 146 .

GU J C ， TONG L G ， LI L ， et al . Selection Criteria of Heat Source Model on the Welding Numerical Simulation [J]. Materials Review ， 2014 ， 28 ( 1 )： 143 - 146 .

John Goldak ， Aditya Chakravarti ， Malcolm Bibby . A new finite element model for welding heat sources [J]. Metallurgical Transactions B ， 1984 ， 15 ( 2 )： 299 - 305 .

戴德平 . 奥氏体不锈钢焊接接头残余应力的数值模拟研究 [D]. 重庆：重庆大学， 2016 .

DAI D P . Investigations on Welding Residual Stress in Austenitic Stainless Steel Joints by Means of Numerical Simulation [D]. Chongqing University ， 2016 .