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電弧增材制造主要是通過一層層不斷熔敷金屬焊絲進而制作成具有符合一定要求形狀的增材部件。因此單層增材的成型參數對增材件的最終形貌起到決定性的影響。焊縫過寬不利于提高成型精度，焊縫過窄會損害熔覆效率，熱輸入提高會增加熔覆速度，但同時也會造成更加嚴重的焊后氧化，影響成型件的外觀。通過調節增材參數，可以調節熔化金屬的熱量，在熔覆速度和成型的精度和美觀度的到最佳的契合點，能夠使得增材成形問題得到改善。所以探索單層增材參數對304不銹鋼增材制造成形的影響，可以為增材制造參數的調節改變提供良好的研究前提，幫助得到滿意的增材制造成型結構件。

保護氣對增材成型的影響

保護氣主要包括二氧化碳、氬氣、氦氣、氧氣、氫氣及其二元或三元混合氣體等，其對于電弧增材制造實驗有重要影響。改變保護氣的成分能夠對電弧增材制造產生重要的影響。一般來說富氬混合氣相比傳統純的二氧化碳保護氣更有利于提高增材熔覆的效率，并且富氬混合氣能夠降低電離勢進而提高增材電弧的穩定性，減少金屬飛濺，減輕后期清渣工作壓力。現在人們對于環保工作愈發的重視，工廠也不例外，在同樣的焊接參數下混合氣體能夠大大的減少焊接煙塵，具有在源頭上減輕污染、改善增材環境的優勢。而實驗選擇最優的保護氣體的最重要準則是能夠最大程度的滿足實際工作的需求，因此在正式實驗前根據自己的實驗條件和設備選擇合適的保護氣至關重要。

首先采用日本OTC焊接機器人，在無其他外界保護的情況下，參考前人的實驗參數(大電流噴射過渡方式)進行增材實驗。增材結果如圖3.1所示。可以得到外形較為均勻的多層單道墻壁件，同時也存在嚴重的氧化問題，并且使用純氬氣增材實驗過程中伴隨較為嚴重的飛濺現象，而使用加入CO 2（5%）的混合氣體時增材過程較為溫和，金屬熔覆過程并未出現較大的飛濺，僅在開始引弧和結束息弧時有少量飛濺。在成型的外觀上，混合氣體的成形效果好于純氬氣的保護效果，外觀更加均勻，層與層之間結合更加緊密，外觀起伏更少，后期加工余量更少，更有利于提高材料的利用效率。

焊接電流對增材成型的影響

電流是金屬電弧增材制造過程中主要的實驗參數，電流的大小對增材質量和生產效率的影響很大。電流太小會引起電弧不穩定，進而容易造成飛濺和夾渣等缺陷。小電流引起電弧力減小，電弧力較小導致電弧沖擊力減弱，增材件的重熔區變小，降低層與層結合效果，并且小電流會減小金屬絲在單位時間的熔覆量，影響增彩效率。電弧電流增大時單道熔覆金屬的熔深和余高增大。這是因為電流增大引起電弧力增大和熱輸入的增加，弧柱枝晶增大，熱源位置下移。但是電弧電流過大會容易產生過高的熱輸入，造成增材件熱積累過多，電弧力的沖擊會引起收弧時弧坑變大，造成末端下榻從而帶來成形效果較差，氧化嚴重等問題。因此，增材電流是影響電弧增材成型實驗的最主要參數。

通過觀察前期增材實驗的結果（圖3.2），發現電弧增材制造普遍存在氧化嚴重的問題，實驗過后增材件大面的的氧化發黑，這既影響增材件的美觀程度也降低了下面增材金屬的熔覆效果，容易造成夾渣，進而可能降低增材件的各項力學性能。氧化主要是由于熱輸入量過大，而且基板散熱不及時造成的。在保護氣離開后零件溫度依然過高，零件被迅速氧化。

為了解決氧化問題，本文首先減小了電流從而降低熱輸入。分別采用130A、120A、110A電流進行增材，增材墻壁件如下圖（圖3.3）所示。因為融滴過渡形式為滴狀過度，前面幾層有較明顯的焊接魚鱗紋，后面逐漸變得均勻平緩，整體上墻體較為均勻。增材結果顯示，隨著電流的減小，焊后氧化現象得到了一定的改善，焊縫表面的金屬光澤度，但是使用110A電流進行增材時，增材墻壁件出現了較明顯的凹陷現象，無法進行連續增材制造。經過分析發現是因為電流減小造成了熔覆量的減少，出現了和增材速度不匹配的狀況，后面章節經過電流和增材速度的匹配該現象會得到改善和解決。

焊接電壓對增材成型的影響

增材電弧電壓是增材制造過程中一個十分重要的工藝參數。增材電壓大小能夠直接影響增材實驗過程的穩定性、熔滴過渡特點和焊接飛濺的大小等，從而間接影響增材件的外觀成形。如果實驗中電壓過低可能會引起電弧弧長相應變短，從而造成短路頻率下降，進而導致焊絲未完全融化就部分插入熔池中，造成熄弧并產生嚴重的飛濺等影響。但是電壓過高，會使焊絲熔化增多，焊絲熔滴增大，電弧聲不穩定。電弧弧長變大進而增材寬度變大，不利于增材增材成型精度控制。如果電壓繼續增大，弧長會變得更長，短路的頻率及次數減少，嚴重時會造成熔池劇烈沸騰，電弧燃燒不穩定，使焊縫出現氣孔缺陷。所以，要確保增材過程的穩定性，增材電弧的電壓選擇既不能過高也不能過低，要通過實際實驗操作觀察選擇一個比較適和的電弧電壓，這樣才能保證增材過程的順利進行。

根據本次實驗結果顯示（圖3.4），當電壓為20、21V時，增材寬度較窄，當電壓為25V時，由于電壓過大，增材過程飛濺嚴重，外觀成形受損。電弧電壓為適中值22、23、24V時其增材熔池過度過程的穩定性最好，期間增材電弧能夠穩定燃燒，金屬熔滴向熔池過渡較為均勻。此電壓下電弧短路次數適中，產生的飛濺相對少，所以焊出的焊道外形美觀、焊縫成形質量好外觀連續且均勻。因此推測適合本環境的增材電壓為23V左右。

焊接速度對增材成型的影響

通過改變行走速度可以改變單位時間在單位體積上的增材制造熔敷量，焊接速度的大小直接關系到金屬增材的生產率。增材效率高是電弧增材相對其他增材方式的一個重要的優點。但是增材速度與電流、電壓等其他因素的匹配也會影響到增材試驗件的外觀成形。增材速度增加相對的減少了熔覆量，也降低了熱輸入。所以應該在保證增材成型質量的前提下，適當調整增材速度，既要保證有足夠的金屬熔覆量又要盡量減少熱輸入避免過度熱積累造成的氧化。

本文考慮在降低焊接電流的同時，減小增材速度，以保證熔覆效果和增強保護氣的保護效果。因此選擇70、80、90A電流速度范圍為20-30cm/min，電壓保持23V，保護氣流量20L/Min，焊絲干伸長10mm，進行單層單道增材實驗。實驗結果如下圖3.5所示。

實驗觀察融滴呈滴狀過度，氧化問題得到有效控制，并且飛濺有所減小。隨著電流減小，金屬熔覆量減小，如果不適當減小速度會造成金屬液滴間距過大，引起增材表面明顯起伏不利于增材成型。適當將增材速度減小，能夠在保持較小的熱輸入的前提下改善表面成型，使電流和增材速度得到更好的匹配。結果發現當電流為70A時候電流過小，電弧不穩，無論如何調節增材速度都無法保證良好的增材成型，而80-90A電流時候均可以找出匹配較好的參數，因此我們猜測80A接近穩定增材的臨界點。

后期，利用最優參數（單道多層試驗參數：電流80A，電壓23-20V，干伸10mm，氣體流量20，增材速度20cm/min，絲板距3mm）采用交錯式堆積方式完成單道多層墻體試樣的堆積。增材成品如下圖3.6所示。

堆積高度為30層。實驗增材結果如上圖，均為滴狀過度。魚鱗紋開始呈減弱趨勢后趨于穩定。整體成型狀況良好，寬厚高低較為均勻，外貌狀況良好，有利于提高增材實驗的精度，減少后期加工，提高焊材利用率。。試驗件兩頭高度約39.5mm，中間均勻部分高度40.1-40.6mm，整體寬度6.85-7.03mm。較文獻增材成果有明顯的改進，可以看出隨著電流減小，增材構件金屬光澤變好，外觀平整度變好，飛濺減少。證明我們的整體思路正確，無外界保護的情況下采用小電流滴狀過渡的增材實驗形式可實現直接增材制造。與前人對比發現，此方法外觀成型均勻、金屬光澤明亮，后期加工工作量少，能夠提高增材材料利用率，有助于向船廠工廠推廣應用。

本章小結

本章為改善304不銹鋼增材制造過程中氧化嚴重的問題，在保持電壓不變的情況下，通過降低電流，從而合理控制熱量輸入，同時搭配合適的增材速度，在保持熔池滴狀過度的情況下得到氧化較少、表面質量良好的不銹鋼增材實驗件。通過實驗得到了以下結論：

（1）使用CO 2（5%）和Ar氣的二元混合氣體相比純Ar氣的保護氣能夠使不銹鋼增材過程較為溫和，有效的改善電弧增材過程中的嚴重的飛濺現象。改善不銹鋼增材試驗件的外觀形貌。

（2）增材電流是影響不銹鋼電弧增材制造過程中熱量輸入的主要因素，通過減小增材電流可以有效控制增材熱輸入，減少不銹鋼電弧增材試驗件的氧化現象。

（3）不銹鋼電弧增材的電壓不宜過大或過小，23V左右的電壓可以保證增材過程的穩定性，保證金屬熔池良好過度。

（4）在不銹鋼電弧增材過程中，增材的速度應該和增材電流進行適當的匹配，以保證增材的效率和增材件表面的平整度以及增材連續性。