摘要
电弧增材制造(Wire ArcAdditiveManufecturing，WAAM)技术是以电弧作为热源，采用堆焊的方式打印金属零件的新型技术。其特点是设备造价低、工作效率高以及增材尺寸范围大。数值模拟研究方法以有限元理论为原理，利用软件模拟实际工况，其特点是减少实验成本和周期。ER2209双相不锈钢具有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点，广泛应用在建筑、海洋和化工领域。本文以ANSYS软件为模拟软件，ER2209双相不锈钢为研究材料，模拟WAAM过程中热力场（温度场和应力场）分布，对增材零件形状和性能进行分析。 采用ANSYS软件对WAAM过程中热力场进行模拟，分别采用多通道温度测量系统和 X 射线应力仪对温度场和应力场进行测量。利用模拟结果指导实验，采用WAAM系统打印形状良好的成型件。采用金相显微镜 (OM)、X射线衍射仪 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM)、万能拉伸仪、维氏硬度计、纳米压痕测量仪和电化学工作站对零件组织和性能进行分析。 利用正交实验确定一组工艺参数，可以使电弧稳定存在且试件表面平整。其中，增材电压为 23V，焊接速度为 200mm/min，送丝速度为 11m/min。利用准确的模型分析表明，温度最高值出现在增材试样末端。随着温度降低，应力场逐渐增大，温度降到室温时，应力值最大为445MPa，其小于材料的抗拉强度，试样表面不会出现裂纹。 当以ER2209双相不锈钢为增材材料时，温度随着增材电压、增材电流和增材层数的增加而增加，随着层间冷却时间和焊接速度的增加而减少。同向增材试样较反向增材试样更容易塌陷。基板通水冷却可以明显减少温度场累积。随着增材层数增加，等效应力在试样上分布不均匀，最大等效应力基本不变。冷却方式不同时，等效应力在试样上分布基本均匀，水冷最大等效应力大于空冷最大等效应力。以下层边缘温度不超过熔点作为零件不会塌陷的标准，每层高度增加量与层间冷却后平均温度之间的关系是：空冷状态增加量从3.25mm逐渐减少趋于2.37mm，水冷状态增加量从3.62mm逐渐减少并趋于2.38mm。 当以ER2209双相不锈钢为增材材料时，组织中存在铁素体和奥氏体，没有Sigma相产生。WAAM 零件的组织不均匀，空冷状态铁素体含量从40.49%降到21.76%，水冷状态铁素体含量从45.37%降到 30.54%。WAAM 零件不同区域，抗拉强度相差68MPa，延伸率相差6.5%，硬度相差10HV，点蚀电位相差0.4V。通过固溶处理，零件组织基本均匀。
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