基于電弧增材制造技術(shù)打印合金鋼的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)耦合研究：工藝、組織與性能的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)中，材料加工技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展一直是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的核心動(dòng)力。電弧增材制造技術(shù)作為一種新興的金屬增材制造方法，正逐漸在制造業(yè)領(lǐng)域嶄露頭角，尤其是在合金鋼制造方面，展現(xiàn)出了巨大的潛力和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。合金鋼，因其優(yōu)異的綜合性能，如高強(qiáng)度、良好的耐磨性、耐腐蝕性以及特殊的物理性能等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、能源、機(jī)械工程等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域。例如，在航空航天領(lǐng)域，為了滿足飛行器輕量化和高性能的要求，需要使用高強(qiáng)度、低密度的合金鋼來制造關(guān)鍵零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)身結(jié)構(gòu)件等，以提高飛行器的燃油效率和飛行性能；在汽車制造中，合金鋼用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、底盤等關(guān)鍵部件，以確保汽車的動(dòng)力性能和安全性能。傳統(tǒng)的合金鋼制造方法，如鑄造、鍛造、機(jī)械加工等，雖然在一定程度上能夠滿足生產(chǎn)需求，但也存在著諸多局限性。鑄造工藝難以避免地會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，如氣孔、縮松等，影響零件的力學(xué)性能和可靠性；鍛造工藝對(duì)于復(fù)雜形狀零件的加工難度較大，且材料利用率較低，造成資源的浪費(fèi)；機(jī)械加工則需要大量的切削加工，不僅加工周期長(zhǎng)，成本高，而且會(huì)產(chǎn)生大量的切削廢料，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念。電弧增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為合金鋼制造帶來了新的機(jī)遇和變革。它基于金屬絲材為原料，利用電弧作為熱源，通過逐層堆積的方式，直接從三維模型制造出金屬零件。這種技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)。首先，電弧增材制造技術(shù)具有極高的材料利用率，幾乎可以達(dá)到100%，大大減少了材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。其次，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近凈成形，無需昂貴的模具和大量的切削加工，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。再者，電弧增材制造技術(shù)可以在同一零件中實(shí)現(xiàn)多種材料的復(fù)合制造，為開發(fā)具有特殊性能的合金鋼材料提供了可能，有助于滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿亩鄻踊枨?。此外，電弧增材制造技術(shù)的沉積速率高，能夠快速制造大型金屬零件，在大型結(jié)構(gòu)件的制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。電弧增材制造技術(shù)在合金鋼制造領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅能夠提高合金鋼零件的制造精度和質(zhì)量，還能實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)制造方法難以完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特殊性能要求的零件制造，為制造業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。它有助于推動(dòng)制造業(yè)朝著高效、綠色、智能化的方向發(fā)展，提升制造業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。在航空航天領(lǐng)域，利用電弧增材制造技術(shù)制造的合金鋼零件，可以減輕飛行器的重量，提高飛行性能，降低能耗；在汽車制造領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少尾氣排放。然而，電弧增材制造技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。由于電弧增材制造過程是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合過程，涉及到電弧物理、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)、冶金相變等多個(gè)方面，使得在制造過程中容易出現(xiàn)一些缺陷，如氣孔、裂紋、變形、殘余應(yīng)力等，這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量和性能。此外，電弧增材制造工藝參數(shù)眾多，如電流、電壓、送絲速度、焊接速度、層間冷卻時(shí)間等，這些參數(shù)之間相互影響，如何優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的零件制造，仍然是一個(gè)亟待解決的問題。為了深入理解電弧增材制造過程中的物理現(xiàn)象和內(nèi)在規(guī)律，解決制造過程中出現(xiàn)的問題，提高合金鋼零件的制造質(zhì)量和性能，開展數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的工作具有重要的必要性。數(shù)值模擬可以通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)電弧增材制造過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)等進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)零件的成形質(zhì)量和性能，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)研究，可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型，探索新的工藝方法和技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)電弧增材制造技術(shù)在合金鋼制造領(lǐng)域的可靠應(yīng)用和推廣。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電弧增材制造技術(shù)作為一種新興的金屬增材制造方法，在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注和研究。近年來，隨著制造業(yè)對(duì)高性能合金鋼零件需求的不斷增加，電弧增材制造技術(shù)在合金鋼打印領(lǐng)域的研究取得了顯著的進(jìn)展。在國(guó)外，眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)電弧增材制造技術(shù)打印合金鋼進(jìn)行了深入研究。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，取得了一系列重要成果。美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化電弧增材制造工藝參數(shù)，成功打印出具有良好力學(xué)性能的合金鋼零件，并將其應(yīng)用于航空航天和汽車制造等領(lǐng)域。例如，他們研究了不同焊接電流、電壓和送絲速度對(duì)合金鋼零件組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過合理調(diào)整這些參數(shù)，可以有效改善零件的微觀組織，提高其強(qiáng)度和韌性。英國(guó)的相關(guān)研究則側(cè)重于電弧增材制造過程中的數(shù)值模擬，利用先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件，對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)等進(jìn)行精確模擬分析，為工藝優(yōu)化提供了有力的理論支持。德國(guó)的科研人員則致力于開發(fā)新的電弧增材制造設(shè)備和工藝，提高打印精度和效率，降低生產(chǎn)成本。他們研發(fā)的新型設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的沉積速率和更精確的控制，使得打印出的合金鋼零件質(zhì)量得到顯著提升。國(guó)內(nèi)在電弧增材制造技術(shù)打印合金鋼方面的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。許多高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展相關(guān)研究工作，取得了一些具有創(chuàng)新性的成果。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在電弧增材制造過程中的多物理場(chǎng)耦合機(jī)理研究方面取得了重要突破，深入揭示了電弧物理、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和冶金相變等過程之間的相互作用關(guān)系，為工藝優(yōu)化提供了更深入的理論依據(jù)。北京航空航天大學(xué)則在合金鋼零件的電弧增材制造工藝優(yōu)化方面開展了大量研究工作，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量和性能的影響規(guī)律，提出了一系列有效的工藝優(yōu)化措施。此外，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)也積極投入到電弧增材制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用中，推動(dòng)了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。例如，某些企業(yè)成功開發(fā)出適用于電弧增材制造的合金鋼焊絲，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，為電弧增材制造技術(shù)在合金鋼打印領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的材料保障。然而，目前電弧增材制造技術(shù)打印合金鋼仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但現(xiàn)有的模型仍難以準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合過程，特別是在考慮材料的非線性特性和相變過程時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。在實(shí)驗(yàn)研究方面，對(duì)于電弧增材制造過程中的缺陷形成機(jī)制和控制方法的研究還不夠深入，難以有效解決氣孔、裂紋、變形和殘余應(yīng)力等問題。此外，不同研究團(tuán)隊(duì)之間的研究成果缺乏系統(tǒng)性和一致性，難以形成統(tǒng)一的理論和技術(shù)體系，限制了電弧增材制造技術(shù)在合金鋼打印領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。綜上所述，盡管國(guó)內(nèi)外在電弧增材制造技術(shù)打印合金鋼方面已經(jīng)取得了不少成果，但仍存在許多問題亟待解決。因此，開展深入的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，揭示電弧增材制造過程中的物理現(xiàn)象和內(nèi)在規(guī)律，探索有效的工藝控制方法和缺陷抑制技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)電弧增材制造技術(shù)在合金鋼打印領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的理論和實(shí)際意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞電弧增材制造技術(shù)打印合金鋼展開，主要涵蓋以下幾個(gè)方面：建立電弧增材制造過程的數(shù)值模型：綜合考慮電弧物理、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)以及冶金相變等多物理場(chǎng)的相互耦合作用，運(yùn)用有限元分析方法，構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，以模擬合金鋼在電弧增材制造過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)分布。通過對(duì)不同工藝參數(shù)下的數(shù)值模擬，深入分析各物理場(chǎng)的演變規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。研究工藝參數(shù)對(duì)合金鋼零件質(zhì)量和性能的影響：系統(tǒng)地改變焊接電流、電壓、送絲速度、焊接速度、層間冷卻時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，進(jìn)行電弧增材制造實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)打印出的合金鋼零件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括尺寸精度、表面粗糙度、內(nèi)部缺陷等，以及力學(xué)性能測(cè)試，如拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、韌性等，探究各工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量和性能的影響規(guī)律。分析合金鋼零件的微觀組織和性能：采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）和電子背散射衍射（EBSD）等先進(jìn)的微觀分析技術(shù)，對(duì)電弧增材制造的合金鋼零件的微觀組織進(jìn)行詳細(xì)觀察和分析，研究微觀組織與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示微觀組織演變對(duì)零件性能的影響機(jī)制。對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果：將數(shù)值模擬得到的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布以及零件的質(zhì)量和性能預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行修正和完善，進(jìn)一步提高模型的精度和預(yù)測(cè)能力，為電弧增材制造工藝的優(yōu)化提供更有力的支持。提出電弧增材制造工藝優(yōu)化方案：基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，綜合考慮零件的質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率等因素，提出一套合理的電弧增材制造工藝優(yōu)化方案。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，有效減少零件的缺陷，提高零件的質(zhì)量和性能，實(shí)現(xiàn)電弧增材制造技術(shù)在合金鋼打印領(lǐng)域的高效、可靠應(yīng)用。1.3.2研究方法本研究采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，具體如下：數(shù)值模擬方法：選用專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS、SimufactWelding等，這些軟件具有強(qiáng)大的多物理場(chǎng)模擬功能，能夠準(zhǔn)確地模擬電弧增材制造過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象。在軟件中，建立符合實(shí)際情況的幾何模型和材料模型，定義合適的邊界條件和初始條件，運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴▽?duì)多物理場(chǎng)耦合方程進(jìn)行求解，從而得到溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)等的分布和變化情況。實(shí)驗(yàn)研究方法：搭建電弧增材制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要設(shè)備包括弧焊電源（如熔化極氣體保護(hù)焊電源、鎢極惰性氣體保護(hù)焊電源等）、送絲機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（如機(jī)器人、數(shù)控工作臺(tái)等）以及氣體保護(hù)裝置等。選用合適的合金鋼焊絲作為原材料，在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，按照預(yù)定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行打印。測(cè)試手段：利用高精度的測(cè)量?jī)x器，如三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，對(duì)打印零件的尺寸精度進(jìn)行測(cè)量；采用表面粗糙度儀檢測(cè)零件的表面粗糙度；通過X射線探傷儀、超聲波探傷儀等無損檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)零件內(nèi)部是否存在氣孔、裂紋等缺陷。在力學(xué)性能測(cè)試方面，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定零件的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等；采用硬度計(jì)測(cè)量零件的硬度；通過沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，評(píng)估零件的韌性。對(duì)于微觀組織分析，將制備好的金相試樣在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，初步了解組織形態(tài)；再利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行更細(xì)致的觀察，分析組織的微觀結(jié)構(gòu)和特征；使用透射電子顯微鏡研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)等微觀缺陷；借助X射線衍射儀分析材料的相組成；通過電子背散射衍射技術(shù)研究材料的晶粒取向和織構(gòu)。二、電弧增材制造技術(shù)原理與工藝2.1電弧增材制造技術(shù)原理電弧增材制造技術(shù)是一種基于離散-堆積原理的先進(jìn)制造技術(shù)，其基本原理是利用電弧作為熱源，將金屬絲材在電弧的高溫作用下熔化，熔化后的金屬液滴在重力、表面張力和電磁力等多種力的綜合作用下，按照預(yù)先規(guī)劃的路徑逐層堆積在基板上，經(jīng)過逐層凝固后最終形成三維金屬零件。電弧是該技術(shù)的核心熱源，它是一種氣體放電現(xiàn)象，在兩電極之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離氣體導(dǎo)電通道。當(dāng)電流通過電弧時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為熱能，使電弧區(qū)域的溫度急劇升高，通?？蛇_(dá)數(shù)千攝氏度，足以熔化各種金屬材料。在電弧增材制造中，常見的電弧類型有熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）電弧和等離子弧焊（PAW）電弧等。不同類型的電弧具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，例如，GMAW電弧以連續(xù)送進(jìn)的金屬焊絲作為電極，在保護(hù)氣體的作用下，電弧穩(wěn)定燃燒，其熔敷效率較高，適合快速堆積金屬材料；GTAW電弧則以不熔化的鎢極作為電極，電弧穩(wěn)定，熱輸入易于控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的熔滴過渡和熔池控制，適合制造對(duì)精度要求較高的零件；PAW電弧是利用等離子體的高溫和高能量密度來熔化金屬，具有能量集中、電弧挺度好等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得較高的焊接質(zhì)量和成形精度。在電弧增材制造過程中，金屬絲材通過送絲機(jī)構(gòu)被連續(xù)、均勻地送入電弧區(qū)域。送絲速度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬量，進(jìn)而影響熔敷效率和零件的成形質(zhì)量。如果送絲速度過快，可能導(dǎo)致金屬絲無法完全熔化，出現(xiàn)未熔合等缺陷；而送絲速度過慢，則會(huì)降低熔敷效率，增加制造時(shí)間和成本。當(dāng)金屬絲進(jìn)入電弧區(qū)域后，在電弧高溫的作用下迅速熔化形成熔滴。熔滴的形成和過渡過程受到多種因素的影響，如電流大小、電弧電壓、焊絲直徑、保護(hù)氣體流量等。熔滴在重力、表面張力、電磁力以及氣體吹力等的共同作用下，脫離焊絲端部向熔池過渡。熔滴過渡的穩(wěn)定性對(duì)零件的成形質(zhì)量至關(guān)重要，不穩(wěn)定的熔滴過渡可能導(dǎo)致熔池波動(dòng)較大，產(chǎn)生飛濺、氣孔等缺陷。熔池是電弧增材制造過程中的一個(gè)重要區(qū)域，它是由熔化的金屬絲和部分熔化的基板組成的液態(tài)金屬區(qū)域。熔池的形狀、尺寸和溫度分布等對(duì)零件的組織和性能有著顯著的影響。在電弧的加熱作用下，熔池處于高溫液態(tài)狀態(tài)，其內(nèi)部存在著強(qiáng)烈的對(duì)流和熱傳導(dǎo)。對(duì)流主要是由電磁力、浮力和表面張力等引起的，它促進(jìn)了熔池內(nèi)液態(tài)金屬的混合和熱量傳遞，使熔池內(nèi)的溫度分布更加均勻。熱傳導(dǎo)則是熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的過程，它決定了熔池的冷卻速度和凝固方式。隨著電弧的移動(dòng)和金屬絲的不斷熔化堆積，熔池不斷向前推進(jìn)并逐漸凝固。熔池的凝固過程是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到液態(tài)金屬的結(jié)晶、晶粒生長(zhǎng)和相變等。在凝固過程中，由于溫度梯度的存在，晶粒通常會(huì)沿著與熱流方向相反的方向生長(zhǎng)，形成特定的微觀組織形態(tài)。逐層堆積是電弧增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維零件制造的關(guān)鍵步驟。在完成一層金屬的堆積后，工作臺(tái)下降一個(gè)預(yù)定的層高，或者焊槍上升一個(gè)層高，然后進(jìn)行下一層的堆積。通過不斷重復(fù)這個(gè)過程，最終實(shí)現(xiàn)從二維截面到三維實(shí)體零件的制造。層高的選擇直接影響零件的成形精度和表面質(zhì)量。較小的層高可以獲得更高的成形精度和更光滑的表面，但會(huì)增加制造時(shí)間和成本；而較大的層高雖然可以提高制造效率，但會(huì)降低成形精度和表面質(zhì)量。在逐層堆積過程中，層間的冶金結(jié)合質(zhì)量也非常重要。良好的層間冶金結(jié)合能夠保證零件的整體強(qiáng)度和性能，避免出現(xiàn)層間剝離等缺陷。為了確保層間冶金結(jié)合質(zhì)量，需要合理控制工藝參數(shù)，如電弧能量、焊接速度、層間冷卻時(shí)間等，使每層金屬在凝固前能夠與上一層金屬充分熔合。2.2電弧增材制造工藝過程電弧增材制造工藝是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過程，涵蓋了從模型設(shè)計(jì)到最終零件后處理的多個(gè)關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟都對(duì)零件的質(zhì)量和性能有著重要影響。模型設(shè)計(jì)：這是電弧增材制造的起始步驟，通常借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件來完成。設(shè)計(jì)師依據(jù)零件的功能需求、形狀特征和尺寸規(guī)格，在CAD軟件中構(gòu)建精確的三維數(shù)字模型。在設(shè)計(jì)過程中，需充分考慮零件的結(jié)構(gòu)合理性、制造可行性以及后續(xù)的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，對(duì)于承受復(fù)雜載荷的合金鋼零件，在設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以提高零件的強(qiáng)度和剛度；同時(shí)，還需考慮零件的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保在增材制造過程中零件能夠穩(wěn)定成形，避免出現(xiàn)變形或坍塌等問題。切片處理：完成三維模型設(shè)計(jì)后，需要將其導(dǎo)入到專門的切片軟件中進(jìn)行切片處理。切片軟件會(huì)按照設(shè)定的層高，將三維模型沿特定方向切割成一系列二維截面。層高的選擇至關(guān)重要，它直接決定了零件的成形精度和表面質(zhì)量。較小的層高可以使零件的表面更加光滑，成形精度更高，但會(huì)增加制造時(shí)間和數(shù)據(jù)處理量；較大的層高雖然能提高制造效率，但會(huì)導(dǎo)致零件表面粗糙度增加，成形精度下降。在切片過程中，軟件還會(huì)生成每一層的掃描路徑和相關(guān)工藝參數(shù)信息，這些信息將被轉(zhuǎn)化為設(shè)備能夠識(shí)別的數(shù)控代碼，用于指導(dǎo)后續(xù)的打印過程。打印準(zhǔn)備：在進(jìn)行打印之前，需要做好一系列的準(zhǔn)備工作。首先，選擇合適的合金鋼焊絲作為原材料，焊絲的成分和質(zhì)量直接影響著打印零件的性能。例如，對(duì)于要求高強(qiáng)度和耐磨性的合金鋼零件，應(yīng)選擇含有適量合金元素（如鉻、鉬、釩等）的焊絲。同時(shí)，要對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，通常采用機(jī)械打磨、化學(xué)清洗等方法去除基板表面的氧化層、油污和雜質(zhì)，以提高電弧沉積速度和金屬與基板之間的附著力。此外，還需檢查和調(diào)試電弧增材制造設(shè)備，確?；『鸽娫?、送絲機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和氣體保護(hù)裝置等各部件正常工作，并根據(jù)切片生成的數(shù)控代碼和工藝參數(shù)要求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。打印過程：準(zhǔn)備工作完成后，即可啟動(dòng)設(shè)備開始打印。在打印過程中，弧焊電源產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，作為熔化金屬絲材的熱源。送絲機(jī)按照設(shè)定的送絲速度，將合金鋼焊絲連續(xù)、均勻地送入電弧區(qū)域。在電弧的高溫作用下，焊絲迅速熔化形成熔滴，熔滴在重力、表面張力和電磁力等多種力的綜合作用下，脫離焊絲端部向熔池過渡。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控代碼的指令，精確控制焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，使熔化的金屬液滴按照預(yù)先規(guī)劃的路徑逐層堆積在基板上。隨著堆積層數(shù)的增加，零件逐漸成型。在每層堆積完成后，通常會(huì)設(shè)置一定的層間冷卻時(shí)間，以控制零件的溫度梯度和熱應(yīng)力，減少變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。同時(shí)，保護(hù)氣體持續(xù)從焊槍噴嘴噴出，在電弧周圍形成一層保護(hù)氣幕，防止熔化的金屬與空氣接觸發(fā)生氧化和污染，保證焊接質(zhì)量。后處理：打印完成后，得到的零件往往還需要進(jìn)行一系列的后處理工序，以滿足最終的使用要求。常見的后處理包括熱處理、機(jī)械加工和表面處理等。熱處理是改善零件性能的重要手段，通過合適的熱處理工藝，如退火、正火、淬火和回火等，可以消除零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善組織性能，提高零件的強(qiáng)度、硬度、韌性和耐腐蝕性等。機(jī)械加工則用于進(jìn)一步提高零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，通過車削、銑削、磨削等加工方法，去除零件表面的多余材料，加工出符合設(shè)計(jì)要求的尺寸和形狀。表面處理主要是為了提高零件的表面性能，常見的表面處理方法有噴砂、噴丸、電鍍、涂裝等，這些處理可以改善零件的表面粗糙度、耐磨性、耐腐蝕性和外觀質(zhì)量。2.3工藝參數(shù)對(duì)電弧增材制造的影響電弧增材制造過程中，工藝參數(shù)眾多且相互關(guān)聯(lián)，對(duì)成型質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能有著顯著影響。深入研究這些工藝參數(shù)的作用機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化電弧增材制造工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。以下將詳細(xì)分析送絲速度、電流、電壓、焊接速度等主要工藝參數(shù)的影響。送絲速度是影響電弧增材制造的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接決定了單位時(shí)間內(nèi)送入電弧區(qū)域的金屬量，進(jìn)而對(duì)熔敷效率、成型質(zhì)量和微觀組織產(chǎn)生影響。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬量增多，熔敷效率顯著提高，能夠加快零件的制造速度。然而，送絲速度過快會(huì)帶來一系列問題。由于單位時(shí)間內(nèi)過多的金屬進(jìn)入熔池，可能導(dǎo)致金屬無法完全熔化，出現(xiàn)未熔合缺陷，嚴(yán)重影響零件的內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能。送絲速度過快還可能使熔池體積迅速增大，液態(tài)金屬流動(dòng)性增強(qiáng)，在重力和表面張力的作用下，容易造成熔滴過渡不穩(wěn)定，出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，不僅浪費(fèi)材料，還會(huì)影響零件的表面質(zhì)量。相反，若送絲速度過慢，單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬量不足，熔敷效率降低，會(huì)延長(zhǎng)零件的制造周期，增加生產(chǎn)成本。而且，送絲速度過慢會(huì)使電弧能量相對(duì)過剩，導(dǎo)致熔池溫度過高，晶粒長(zhǎng)大，微觀組織粗化，從而降低零件的強(qiáng)度和韌性。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體的材料特性、零件要求和設(shè)備性能，合理選擇送絲速度，以獲得良好的成型質(zhì)量和力學(xué)性能。電流在電弧增材制造中起著至關(guān)重要的作用，它是產(chǎn)生電弧熱量的直接來源，對(duì)電弧的穩(wěn)定性、熔滴過渡、熔池形態(tài)以及微觀組織和力學(xué)性能都有著顯著影響。隨著電流的增大，電弧能量增強(qiáng)，焊絲熔化速度加快，熔敷效率提高。同時(shí)，較大的電流會(huì)使電弧的挺度增加，熔深增大，有利于增強(qiáng)層間結(jié)合強(qiáng)度。但是，電流過大也會(huì)帶來諸多弊端。過大的電流會(huì)導(dǎo)致電弧溫度過高，熔池過熱，液態(tài)金屬的流動(dòng)性過強(qiáng)，使得熔滴過渡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺和氣孔等缺陷。過高的電流還會(huì)使晶粒生長(zhǎng)速度加快，導(dǎo)致微觀組織粗大，降低零件的強(qiáng)度和韌性。此外，電流過大還可能引起零件的熱變形和殘余應(yīng)力增大，影響零件的尺寸精度和使用性能。相反，電流過小則電弧能量不足，焊絲熔化困難，可能出現(xiàn)未熔合、夾渣等缺陷，同時(shí)熔敷效率降低，生產(chǎn)效率低下。在實(shí)際操作中，必須根據(jù)材料的種類、厚度以及零件的設(shè)計(jì)要求，精確控制電流大小，以確保電弧增材制造過程的穩(wěn)定性和零件的質(zhì)量。電壓作為電弧增材制造的重要參數(shù)之一，與電流共同決定了電弧的能量輸入，對(duì)電弧的形態(tài)、熔滴過渡、熔池形狀以及零件的成型質(zhì)量和微觀組織有著密切的關(guān)系。當(dāng)電壓升高時(shí)，電弧長(zhǎng)度增加，電弧的加熱范圍擴(kuò)大，使得熔寬增大，有利于提高零件的橫向尺寸精度和表面平整度。然而，電壓過高會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)偏吹現(xiàn)象，使熔滴過渡不均勻，從而影響零件的成型質(zhì)量，可能產(chǎn)生未熔合、氣孔等缺陷。而且，過高的電壓會(huì)使電弧能量分散，熔池溫度降低，液態(tài)金屬的流動(dòng)性變差，不利于熔池內(nèi)氣體的逸出，進(jìn)一步增加了氣孔產(chǎn)生的概率。此外，電壓過高還會(huì)導(dǎo)致熱輸入過大，使零件的熱影響區(qū)增大，微觀組織發(fā)生變化，降低零件的力學(xué)性能。相反，電壓過低時(shí)，電弧能量不足，焊絲熔化不充分，熔寬減小，可能出現(xiàn)焊縫狹窄、未焊透等問題，同樣會(huì)影響零件的質(zhì)量和性能。在電弧增材制造過程中，需要合理調(diào)整電壓，使其與電流、送絲速度等參數(shù)相匹配，以獲得理想的成型效果和零件性能。焊接速度直接影響單位長(zhǎng)度上的熱輸入量，對(duì)熔池的凝固過程、微觀組織和力學(xué)性能有著重要影響。當(dāng)焊接速度增加時(shí)，單位長(zhǎng)度上的熱輸入減少，熔池的冷卻速度加快?？焖倮鋮s使得晶粒生長(zhǎng)時(shí)間縮短，有利于細(xì)化晶粒，從而提高零件的強(qiáng)度和硬度。適當(dāng)?shù)暮附铀俣冗€可以減少熱積累，降低零件的熱變形和殘余應(yīng)力。然而，焊接速度過快會(huì)導(dǎo)致熱輸入嚴(yán)重不足，熔池?zé)o法充分熔化金屬，容易出現(xiàn)未熔合、咬邊等缺陷，同時(shí)熔寬減小，可能影響零件的尺寸精度和成型質(zhì)量。此外，過快的焊接速度還可能使熔滴過渡不穩(wěn)定，造成飛濺增加。相反，焊接速度過慢會(huì)使熱輸入過多，熔池冷卻速度過慢，晶粒長(zhǎng)大，微觀組織粗化，降低零件的力學(xué)性能。而且，長(zhǎng)時(shí)間的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱積累嚴(yán)重，使零件的溫度過高，增加變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，甚至可能引起零件的開裂。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)零件的形狀、尺寸、材料特性以及其他工藝參數(shù)，綜合確定合適的焊接速度，以保證零件的質(zhì)量和性能。工藝參數(shù)對(duì)電弧增材制造的影響是復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的。送絲速度、電流、電壓和焊接速度等參數(shù)的變化會(huì)直接或間接地影響成型質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入研究這些參數(shù)之間的相互關(guān)系和作用機(jī)制，從而優(yōu)化工藝參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的電弧增材制造。三、電弧增材制造打印合金鋼的數(shù)值模擬3.1數(shù)值模擬方法與模型建立本研究選用ANSYS軟件作為數(shù)值模擬工具，該軟件具有強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析能力，能夠有效模擬電弧增材制造過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象。ANSYS軟件提供了豐富的單元類型和材料模型庫，方便用戶根據(jù)具體問題進(jìn)行選擇和定制。其具有高效的求解器和后處理功能，能夠快速準(zhǔn)確地得到模擬結(jié)果，并以直觀的方式展示溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等物理量的分布情況。在建立模型時(shí)，首先需要?jiǎng)?chuàng)建精確的幾何模型?？紤]到電弧增材制造過程中零件的逐層堆積特性，采用自下而上的方式構(gòu)建幾何模型。以實(shí)際打印的合金鋼零件尺寸為依據(jù)，在ANSYS軟件中使用三維實(shí)體建模功能創(chuàng)建基板和每層堆積的金屬材料模型。對(duì)于復(fù)雜形狀的零件，可通過導(dǎo)入CAD模型的方式獲取幾何形狀，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗秃?jiǎn)化，以滿足數(shù)值模擬的要求。例如，在模擬具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合金鋼零件時(shí)，通過將CAD模型導(dǎo)入ANSYS，利用軟件的布爾運(yùn)算功能去除一些對(duì)模擬結(jié)果影響較小的細(xì)節(jié)特征，同時(shí)保留關(guān)鍵的幾何形狀和尺寸信息，從而在保證模擬精度的前提下，提高計(jì)算效率。材料屬性的準(zhǔn)確設(shè)定對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。合金鋼材料在電弧增材制造過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)和相變過程，其熱物理性能和力學(xué)性能會(huì)隨溫度發(fā)生顯著變化。因此，需要獲取合金鋼在不同溫度下的熱導(dǎo)率、比熱容、密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度等材料屬性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過查閱相關(guān)材料手冊(cè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及專業(yè)的材料性能模擬軟件（如JMatPro）來獲得。利用JMatPro軟件，輸入合金鋼的化學(xué)成分，即可計(jì)算出其在不同溫度下的熱物理性能參數(shù)。將計(jì)算得到的參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和修正，確保材料屬性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在ANSYS軟件中，通過材料定義模塊將這些隨溫度變化的材料屬性數(shù)據(jù)輸入到模型中，以準(zhǔn)確描述合金鋼在增材制造過程中的行為。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟，它直接影響計(jì)算精度和計(jì)算效率。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)兼顧計(jì)算效率，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。在熔池及附近區(qū)域，由于溫度梯度和應(yīng)力梯度較大，采用較細(xì)的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以更精確地捕捉物理量的變化；而在遠(yuǎn)離熔池的區(qū)域，物理量變化相對(duì)平緩，可采用較粗的網(wǎng)格劃分。在ANSYS軟件中，使用六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種單元具有較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。對(duì)于復(fù)雜形狀的模型，采用掃掠（Sweep）或映射（Map）等網(wǎng)格劃分方法，以確保網(wǎng)格質(zhì)量。通過不斷調(diào)整網(wǎng)格尺寸和劃分方式，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，確定最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方案。例如，在模擬多層多道電弧增材制造過程時(shí)，通過對(duì)比不同網(wǎng)格尺寸下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔池區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.5mm，遠(yuǎn)離熔池區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為2mm時(shí)，既能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能將計(jì)算時(shí)間控制在可接受范圍內(nèi)。3.2熱源模型的選擇與驗(yàn)證在電弧增材制造過程中，熱源模型的準(zhǔn)確選擇對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。電弧作為熔化金屬絲材的熱源，其能量分布和熱傳遞特性直接影響著熔池的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及零件的微觀組織和性能。目前，常用的熱源模型包括高斯熱源模型、雙橢球熱源模型、圓錐熱源模型等，每種模型都有其特點(diǎn)和適用范圍。高斯熱源模型是一種較為簡(jiǎn)單的熱源模型，它假設(shè)熱源的能量呈高斯分布，即能量密度在熱源中心處最高，向周圍逐漸衰減。該模型適用于描述能量分布較為集中、熱影響區(qū)較小的焊接過程，如激光焊接等。然而，在電弧增材制造中，電弧的能量分布較為復(fù)雜，不僅在水平方向上存在一定的擴(kuò)散，在垂直方向上也有明顯的變化，且電弧對(duì)熔池存在攪拌作用，高斯熱源模型難以準(zhǔn)確描述這些特性，因此在電弧增材制造模擬中應(yīng)用較少。雙橢球熱源模型由Goldak等人提出，它將熱源的能量分布分為前半橢球和后半橢球兩部分，能夠更準(zhǔn)確地描述電弧熱流沿板厚方向的分布以及電弧對(duì)熔池的攪拌作用。在前半橢球部分，能量分布相對(duì)較為集中，反映了電弧向前移動(dòng)時(shí)對(duì)前方金屬的加熱作用；后半橢球部分的能量分布相對(duì)較分散，體現(xiàn)了電弧離開后熔池內(nèi)熱量的擴(kuò)散和分布情況。雙橢球熱源模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q(x,y,z,t)=\begin{cases}\frac{6\sqrt{3}f_{f}Q}{\pi\sqrt{\pi}abc_{f}}\exp\left[-3\left(\frac{x-vt}{a}\right)^2-3\left(\frac{y}\right)^2-3\left(\frac{z}{c_{f}}\right)^2\right]&\text{???????¤-???},x\leqvt\\\frac{6\sqrt{3}f_{r}Q}{\pi\sqrt{\pi}abc_{r}}\exp\left[-3\left(\frac{x-vt}{a}\right)^2-3\left(\frac{y}\right)^2-3\left(\frac{z}{c_{r}}\right)^2\right]&\text{???????¤-???},x\gtvt\end{cases}其中，Q為熱源功率，v為焊接速度，t為時(shí)間，a、b、c_{f}和c_{r}分別為前半橢球和后半橢球在x、y、z方向上的半軸長(zhǎng)度，f_{f}和f_{r}分別為前半橢球和后半橢球的能量分配系數(shù)，且f_{f}+f_{r}=2。通過合理調(diào)整這些參數(shù)，可以使雙橢球熱源模型更好地?cái)M合電弧增材制造過程中的實(shí)際能量分布情況，因此在電弧增材制造數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用。圓錐熱源模型則適用于描述熱源能量沿圓錐形狀分布的情況，它在一些特殊的電弧增材制造工藝中，如等離子弧焊增材制造，當(dāng)?shù)入x子弧的能量分布呈現(xiàn)圓錐狀時(shí)，具有較好的模擬效果。但對(duì)于一般的熔化極氣體保護(hù)焊或鎢極惰性氣體保護(hù)焊電弧增材制造，圓錐熱源模型的適用性相對(duì)較差。綜合考慮電弧增材制造過程中電弧的能量分布特點(diǎn)、對(duì)熔池的攪拌作用以及模型的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，本研究選擇雙橢球熱源模型來模擬電弧增材制造打印合金鋼的過程。在ANSYS軟件中，通過用戶自定義熱源子程序的方式，將雙橢球熱源模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式嵌入到有限元計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧熱源的精確加載。為了驗(yàn)證雙橢球熱源模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)中，采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造方法，使用直徑為1.2mm的合金鋼焊絲，在尺寸為200mm??100mm??10mm的Q235鋼基板上進(jìn)行多層單道堆積。實(shí)驗(yàn)過程中，利用紅外熱成像儀測(cè)量熔池及附近區(qū)域的溫度分布，在基板上布置熱電偶測(cè)量不同位置的溫度-時(shí)間曲線。將實(shí)驗(yàn)獲得的溫度數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示為某一時(shí)刻熔池橫截面溫度分布的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比情況。從圖中可以看出，雙橢球熱源模型模擬得到的溫度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為吻合，熔池的形狀、尺寸以及溫度梯度的變化趨勢(shì)基本一致。進(jìn)一步對(duì)熱電偶測(cè)量的溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差，結(jié)果表明，大部分測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)誤差在10\%以內(nèi)，說明雙橢球熱源模型能夠較為準(zhǔn)確地描述電弧增材制造過程中的溫度場(chǎng)分布。[此處插入實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比的溫度分布云圖和溫度-時(shí)間曲線對(duì)比圖]通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，證明了選擇雙橢球熱源模型用于電弧增材制造打印合金鋼的數(shù)值模擬是合理且準(zhǔn)確的。該模型能夠?yàn)楹罄m(xù)深入研究電弧增材制造過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)演變規(guī)律，以及工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量和性能的影響提供可靠的基礎(chǔ)。3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬，得到了電弧增材制造打印合金鋼過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布以及對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的預(yù)測(cè)結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)于深入理解電弧增材制造過程、優(yōu)化工藝參數(shù)以及提高零件質(zhì)量具有重要意義。3.3.1溫度場(chǎng)分布與分析溫度場(chǎng)是電弧增材制造過程中最為關(guān)鍵的物理場(chǎng)之一，它直接影響著材料的熔化、凝固、相變以及微觀組織的形成，進(jìn)而對(duì)零件的質(zhì)量和性能產(chǎn)生重要影響。在電弧增材制造打印合金鋼的過程中，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布特征。以多層單道堆積為例，在焊接過程中，電弧作為熱源，使焊絲和基板局部區(qū)域迅速升溫，形成高溫熔池。圖2展示了某一時(shí)刻多層單道電弧增材制造過程中熔池及附近區(qū)域的溫度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以明顯看出，熔池中心溫度最高，可達(dá)金屬熔點(diǎn)以上，通常在1500℃-1600℃左右，這是因?yàn)殡娀〉哪芰扛叨燃性谠搮^(qū)域，使得金屬迅速熔化。隨著距離熔池中心距離的增加，溫度逐漸降低，在熔池邊緣，溫度梯度較大，這是由于熱量在向周圍傳導(dǎo)的過程中，受到基板和周圍空氣的冷卻作用，導(dǎo)致溫度迅速下降。在遠(yuǎn)離熔池的區(qū)域，溫度逐漸趨近于環(huán)境溫度。[此處插入多層單道電弧增材制造過程中熔池及附近區(qū)域的溫度場(chǎng)分布云圖]溫度場(chǎng)在時(shí)間和空間上的變化也十分顯著。在每一層的沉積過程中，隨著電弧的移動(dòng)，熔池不斷向前推進(jìn)，溫度場(chǎng)也隨之動(dòng)態(tài)變化。在電弧移動(dòng)過后，熔池開始凝固，溫度逐漸降低。當(dāng)完成一層堆積后，進(jìn)行下一層沉積時(shí)，前一層已經(jīng)凝固的金屬會(huì)受到再次加熱，經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)過程。這種熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致金屬組織發(fā)生多次相變，對(duì)微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。圖3為某點(diǎn)在多層堆積過程中的溫度-時(shí)間曲線。從圖中可以看出，在每一層沉積時(shí)，該點(diǎn)溫度迅速升高，達(dá)到峰值后又快速下降。隨著堆積層數(shù)的增加，該點(diǎn)經(jīng)歷了多次這樣的熱循環(huán)，每次熱循環(huán)的峰值溫度和冷卻速度都有所不同。[此處插入某點(diǎn)在多層堆積過程中的溫度-時(shí)間曲線]通過對(duì)不同工藝參數(shù)下溫度場(chǎng)的模擬分析，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布有著顯著影響。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，電弧能量增強(qiáng)，熔池溫度升高，熔池尺寸增大，溫度場(chǎng)的影響范圍也隨之?dāng)U大。這是因?yàn)殡娏髟龃?，電弧產(chǎn)生的熱量增多，使得更多的金屬被熔化，熔池體積膨脹。相反，當(dāng)焊接速度增加時(shí)，單位長(zhǎng)度上的熱輸入減少，熔池溫度降低，熔池尺寸減小，溫度場(chǎng)的影響范圍也相應(yīng)縮小。這是由于焊接速度加快，電弧在單位時(shí)間內(nèi)作用于某一區(qū)域的時(shí)間縮短，輸入的熱量減少。此外，送絲速度、層間冷卻時(shí)間等參數(shù)也會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。送絲速度增加，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的金屬量增多，會(huì)使熔池溫度略有降低，這是因?yàn)槿刍略鼋饘傩枰母嗟臒崃浚粚娱g冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，則會(huì)使前一層堆積金屬在進(jìn)行下一層沉積前充分冷卻，降低了下一層沉積時(shí)的初始溫度，從而改變溫度場(chǎng)分布。溫度場(chǎng)的分布對(duì)電弧增材制造過程和零件質(zhì)量有著重要影響。不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致熔池凝固過程中產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而在零件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能引發(fā)變形、裂紋等缺陷。此外，溫度場(chǎng)的分布還會(huì)影響金屬的凝固方式和微觀組織形態(tài)。在溫度梯度較大的區(qū)域，晶粒容易沿著熱流方向生長(zhǎng)，形成柱狀晶；而在溫度較為均勻的區(qū)域，晶粒生長(zhǎng)較為均勻，可能形成等軸晶。不同的微觀組織形態(tài)對(duì)零件的力學(xué)性能有著顯著影響，柱狀晶組織的零件在某些方向上的力學(xué)性能可能較差，而等軸晶組織的零件通常具有較好的綜合力學(xué)性能。3.3.2應(yīng)力場(chǎng)分布與分析應(yīng)力場(chǎng)是電弧增材制造過程中另一個(gè)重要的物理場(chǎng)，它與溫度場(chǎng)密切相關(guān)，相互影響。在電弧增材制造過程中，由于溫度場(chǎng)的不均勻分布，材料在加熱和冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，從而導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力如果控制不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)零件的變形、裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量和性能。在電弧增材制造打印合金鋼的過程中，應(yīng)力場(chǎng)的分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。圖4為多層單道電弧增材制造完成后零件的殘余應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，殘余應(yīng)力在零件內(nèi)部的分布并不均勻，在熔池與基板交界處以及層間過渡區(qū)域，殘余應(yīng)力較大，這是因?yàn)檫@些區(qū)域在熱循環(huán)過程中經(jīng)歷了較大的溫度變化和塑性變形。在熔池與基板交界處，由于基板的約束作用，使得該區(qū)域在冷卻過程中受到較大的拉應(yīng)力；而在層間過渡區(qū)域，由于上下層材料的熱膨脹系數(shù)差異以及熱循環(huán)的影響，也容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。在零件的其他部位，殘余應(yīng)力相對(duì)較小，但仍然存在一定的分布梯度。[此處插入多層單道電弧增材制造完成后零件的殘余應(yīng)力分布云圖]應(yīng)力場(chǎng)在增材制造過程中的變化過程也十分復(fù)雜。在每一層的沉積過程中，隨著溫度的升高，材料受熱膨脹，產(chǎn)生壓應(yīng)力；而在冷卻過程中，材料收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)完成一層堆積后，進(jìn)行下一層沉積時(shí)，前一層已經(jīng)凝固的材料會(huì)受到再次加熱和冷卻，應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。這種反復(fù)的熱循環(huán)和應(yīng)力變化，使得零件內(nèi)部的應(yīng)力分布不斷調(diào)整，最終形成復(fù)雜的殘余應(yīng)力場(chǎng)。圖5為某點(diǎn)在多層堆積過程中的應(yīng)力-時(shí)間曲線。從圖中可以看出，在每一層沉積時(shí)，該點(diǎn)的應(yīng)力先隨著溫度升高而變?yōu)閴簯?yīng)力，然后隨著溫度降低轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。隨著堆積層數(shù)的增加，該點(diǎn)的應(yīng)力經(jīng)歷了多次這樣的變化，每次變化的幅度和趨勢(shì)都與溫度場(chǎng)的變化密切相關(guān)。[此處插入某點(diǎn)在多層堆積過程中的應(yīng)力-時(shí)間曲線]通過對(duì)不同工藝參數(shù)下應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布有著顯著影響。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，由于熔池溫度升高，熱影響區(qū)擴(kuò)大，材料的熱脹冷縮更加劇烈，導(dǎo)致零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力增大。焊接速度增加時(shí)，單位長(zhǎng)度上的熱輸入減少，熔池冷卻速度加快，材料的收縮不均勻性增加，也會(huì)使殘余應(yīng)力增大。送絲速度和層間冷卻時(shí)間等參數(shù)也會(huì)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響。送絲速度增加，會(huì)使熔池體積增大，凝固過程中的收縮應(yīng)力增大；層間冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，可使前一層堆積金屬在進(jìn)行下一層沉積前充分冷卻，降低了下一層沉積時(shí)的熱應(yīng)力，從而減小殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)零件質(zhì)量和性能有著重要影響。過大的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件在使用過程中發(fā)生變形，影響零件的尺寸精度和裝配性能。此外，殘余應(yīng)力還可能引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低零件的強(qiáng)度和韌性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致零件失效。因此，在電弧增材制造過程中，需要采取有效的措施來控制殘余應(yīng)力，如優(yōu)化工藝參數(shù)、采用合適的熱處理工藝等。3.3.3微觀組織和力學(xué)性能預(yù)測(cè)分析微觀組織是決定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，而電弧增材制造過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)微觀組織的形成和演變有著重要影響。通過數(shù)值模擬，可以結(jié)合熱-力耦合分析以及材料相變理論，對(duì)電弧增材制造打印合金鋼零件的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。在電弧增材制造過程中，由于溫度場(chǎng)的不均勻分布和熱循環(huán)的作用，合金鋼材料經(jīng)歷了復(fù)雜的凝固和相變過程，從而形成了獨(dú)特的微觀組織。在熔池凝固過程中，溫度梯度和冷卻速度對(duì)晶粒的生長(zhǎng)和形態(tài)起著決定性作用。在溫度梯度較大的區(qū)域，晶粒傾向于沿著與熱流方向相反的方向生長(zhǎng)，形成柱狀晶；而在溫度梯度較小、冷卻速度較慢的區(qū)域，晶粒生長(zhǎng)較為均勻，可能形成等軸晶。此外，熱循環(huán)還會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生多次相變，如奧氏體向鐵素體、珠光體、貝氏體等相的轉(zhuǎn)變，不同的相變產(chǎn)物具有不同的組織結(jié)構(gòu)和性能。通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)得到的微觀組織與實(shí)際情況具有一定的相關(guān)性。圖6為數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的電弧增材制造合金鋼零件某區(qū)域的微觀組織示意圖，與實(shí)際通過掃描電子顯微鏡觀察到的微觀組織圖像（圖7）進(jìn)行對(duì)比。從圖中可以看出，數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測(cè)微觀組織的形態(tài)和分布特征。模擬結(jié)果顯示，在熔池邊緣區(qū)域，由于溫度梯度較大，形成了柱狀晶組織；而在熔池中心區(qū)域，溫度相對(duì)均勻，冷卻速度較慢，形成了等軸晶組織。實(shí)際觀察到的微觀組織與模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬在微觀組織預(yù)測(cè)方面的有效性。[此處插入數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的微觀組織示意圖和實(shí)際掃描電子顯微鏡觀察到的微觀組織圖像]微觀組織的演變對(duì)零件的力學(xué)性能有著顯著影響。不同的微觀組織形態(tài)和相組成具有不同的力學(xué)性能特點(diǎn)。柱狀晶組織由于其晶體取向的各向異性，在某些方向上的強(qiáng)度和韌性可能較差；而等軸晶組織具有較好的綜合力學(xué)性能。此外，相變產(chǎn)物的種類和含量也會(huì)影響零件的力學(xué)性能。例如，貝氏體組織具有較高的強(qiáng)度和韌性，而珠光體組織的強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低。通過數(shù)值模擬，可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)不同微觀組織下零件的力學(xué)性能。利用材料的本構(gòu)關(guān)系和微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)模型，結(jié)合模擬得到的微觀組織信息，計(jì)算出零件的力學(xué)性能參數(shù)，如拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度等。表1為數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的不同微觀組織區(qū)域的力學(xué)性能參數(shù)與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。從表中可以看出，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的力學(xué)性能與實(shí)際測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。在柱狀晶區(qū)域，由于其晶體取向的影響，模擬預(yù)測(cè)的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在某些方向上相對(duì)較低，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相符；而在等軸晶區(qū)域，模擬預(yù)測(cè)的力學(xué)性能較為均勻，且與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相近。這表明通過數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電弧增材制造打印合金鋼零件的力學(xué)性能，為工藝優(yōu)化和零件性能評(píng)估提供了有力的支持。[此處插入數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的力學(xué)性能參數(shù)與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比表]通過數(shù)值模擬對(duì)電弧增材制造打印合金鋼過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布以及微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，能夠深入了解電弧增材制造過程中的物理現(xiàn)象和內(nèi)在規(guī)律，為工藝參數(shù)的優(yōu)化和零件質(zhì)量的控制提供重要的理論依據(jù)。同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了模擬方法的有效性和可靠性，為電弧增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、電弧增材制造打印合金鋼的實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)選用ER50-6合金鋼焊絲作為原材料，其具有良好的焊接工藝性能和綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)件的焊接。ER50-6焊絲的直徑為1.2mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）如表2所示，主要合金元素包括C、Mn、Si等，這些元素對(duì)合金鋼的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性等性能有著重要影響。例如，C元素能夠提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但含量過高會(huì)降低鋼的韌性；Mn元素可以強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還能降低鋼中的有害雜質(zhì)（如S）的影響；Si元素能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。[此處插入ER50-6合金鋼焊絲化學(xué)成分表]實(shí)驗(yàn)采用的電弧增材制造設(shè)備為基于熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）原理的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，主要由弧焊電源、送絲機(jī)、六軸焊接機(jī)器人和氣體保護(hù)裝置等部分組成。弧焊電源選用松下YD-500GR3型熔化極氣體保護(hù)焊電源，該電源具有穩(wěn)定的輸出特性，能夠提供精確的電流和電壓控制，其電流調(diào)節(jié)范圍為50-500A，電壓調(diào)節(jié)范圍為15-40V，可以滿足不同工藝參數(shù)下的焊接需求。送絲機(jī)采用松下CM-5006型，具有穩(wěn)定的送絲速度控制能力，送絲速度調(diào)節(jié)范圍為1-20m/min，能夠確保焊絲均勻、連續(xù)地送入電弧區(qū)域。六軸焊接機(jī)器人選用ABBIRB1410型，其重復(fù)定位精度可達(dá)±0.08mm，具有靈活的運(yùn)動(dòng)能力和高精度的軌跡控制能力，能夠按照預(yù)設(shè)的路徑精確控制焊槍的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的電弧增材制造。氣體保護(hù)裝置使用純度為99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體，通過焊槍噴嘴噴出，在電弧周圍形成保護(hù)氣幕，有效防止熔化的金屬與空氣接觸發(fā)生氧化和污染，保證焊接質(zhì)量。保護(hù)氣體流量可在5-30L/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的焊接工藝要求。為了對(duì)打印后的合金鋼零件進(jìn)行全面的性能測(cè)試和微觀組織分析，實(shí)驗(yàn)還配備了一系列先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備。使用德國(guó)ZEISS公司生產(chǎn)的AxioImager.A2m型光學(xué)顯微鏡，用于觀察零件的宏觀組織和微觀組織形態(tài)，其放大倍數(shù)范圍為50-2000倍，能夠清晰地顯示晶粒的大小、形狀和分布情況。采用日本日立公司的SU8010型掃描電子顯微鏡（SEM），對(duì)零件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的觀察和分析，SEM具有更高的分辨率（可達(dá)1nm），能夠觀察到材料的微觀缺陷、析出相和晶界等微觀特征。利用日本電子株式會(huì)社的JEM-2100F型透射電子顯微鏡（TEM），研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)等微觀信息，TEM的加速電壓為200kV，點(diǎn)分辨率可達(dá)0.23nm，能夠提供材料微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像。通過德國(guó)布魯克公司的D8Advance型X射線衍射儀（XRD），分析零件的相組成和晶體結(jié)構(gòu)，XRD采用CuKα輻射源，掃描范圍為20°-90°，可以準(zhǔn)確地確定材料中存在的相及其含量。運(yùn)用英國(guó)牛津儀器公司的NordlysMax2型電子背散射衍射（EBSD）系統(tǒng)，研究材料的晶粒取向和織構(gòu)，EBSD系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地獲取材料的晶體學(xué)信息，為分析材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能提供重要依據(jù)。在力學(xué)性能測(cè)試方面，使用美國(guó)Instron公司的5982型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定零件的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，該試驗(yàn)機(jī)的最大載荷為300kN，精度可達(dá)±0.5%。采用德國(guó)萊卡公司的VMHT型維氏硬度計(jì)，測(cè)量零件不同部位的硬度，硬度計(jì)加載載荷范圍為0.098-98N，能夠準(zhǔn)確地反映材料的硬度分布情況。利用德國(guó)Zwick公司的ZBC2452-B型沖擊試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，評(píng)估零件的韌性，沖擊試驗(yàn)機(jī)的最大沖擊能量為300J，能夠滿足不同材料的沖擊性能測(cè)試需求。4.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為深入研究電弧增材制造工藝參數(shù)對(duì)合金鋼零件質(zhì)量和性能的影響，本實(shí)驗(yàn)采用單因素變量法，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了不同工藝參數(shù)下的打印實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為全面評(píng)估打印零件的質(zhì)量和性能，制定了微觀組織和力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案。4.2.1不同工藝參數(shù)下的打印實(shí)驗(yàn)在不同工藝參數(shù)下的打印實(shí)驗(yàn)中，選擇焊接電流、電壓、送絲速度、焊接速度和層間冷卻時(shí)間作為主要研究變量。根據(jù)前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)研究，確定各工藝參數(shù)的取值范圍，具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。每個(gè)參數(shù)水平下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。[此處插入工藝參數(shù)取值范圍及水平設(shè)置表]實(shí)驗(yàn)過程中，首先在尺寸為200mm×100mm×10mm的Q235鋼基板上，采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造方法，按照預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)進(jìn)行多層單道堆積。在堆積過程中，利用高速攝像機(jī)對(duì)熔滴過渡和熔池動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄熔滴的形態(tài)、尺寸和過渡頻率，以及熔池的形狀、大小和流動(dòng)狀態(tài)等信息。這些信息對(duì)于深入理解電弧增材制造過程中的物理現(xiàn)象，分析工藝參數(shù)對(duì)熔滴過渡和熔池行為的影響具有重要意義。同時(shí)，使用紅外熱成像儀測(cè)量熔池及附近區(qū)域的溫度分布，每隔一定時(shí)間記錄一次溫度數(shù)據(jù)，獲取溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化情況。通過對(duì)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和分析，可以了解工藝參數(shù)對(duì)熱輸入和熱循環(huán)的影響，為后續(xù)的微觀組織和力學(xué)性能分析提供依據(jù)。在每層堆積完成后，使用高精度的電子卡尺測(cè)量堆積層的高度和寬度，計(jì)算堆積層的尺寸偏差，評(píng)估工藝參數(shù)對(duì)成型尺寸精度的影響。在完成所有層的堆積后，對(duì)打印零件進(jìn)行外觀檢查，記錄表面質(zhì)量情況，如是否存在氣孔、裂紋、飛濺、未熔合等缺陷。4.2.2微觀組織和力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)在完成不同工藝參數(shù)下的打印實(shí)驗(yàn)后，對(duì)打印得到的合金鋼零件進(jìn)行微觀組織和力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)于微觀組織分析，從打印零件上切取尺寸為10mm×10mm×10mm的試樣，采用標(biāo)準(zhǔn)的金相制備方法進(jìn)行處理。首先，使用砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行逐級(jí)打磨，從180號(hào)粗砂紙開始，依次更換為400號(hào)、800號(hào)、1200號(hào)和2000號(hào)細(xì)砂紙，以去除試樣表面的加工痕跡和氧化層，使表面粗糙度達(dá)到合適的水平。然后，使用粒度為2.5μm的金剛石拋光膏對(duì)試樣進(jìn)行拋光，使試樣表面達(dá)到鏡面效果，以便后續(xù)的微觀組織觀察。最后，采用4%硝酸酒精溶液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間控制在10-20s，以顯示出材料的微觀組織。利用光學(xué)顯微鏡（OM）對(duì)試樣的宏觀組織進(jìn)行觀察，拍攝不同放大倍數(shù)下的組織圖像，分析晶粒的大小、形狀和分布情況。通過OM觀察，可以初步了解零件的組織結(jié)構(gòu)特征，如是否存在明顯的柱狀晶、等軸晶等組織形態(tài)，以及晶粒的粗細(xì)程度等。進(jìn)一步采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的觀察和分析，觀察材料的微觀缺陷、析出相和晶界等微觀特征。SEM具有高分辨率的特點(diǎn)，能夠清晰地顯示出材料的微觀細(xì)節(jié)，為分析微觀組織的形成機(jī)制和演變規(guī)律提供重要信息。使用透射電子顯微鏡（TEM）研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)等微觀信息。TEM能夠提供材料微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像，對(duì)于研究材料的晶體缺陷、位錯(cuò)分布和亞結(jié)構(gòu)特征等具有重要作用。通過X射線衍射儀（XRD）分析零件的相組成和晶體結(jié)構(gòu)，確定材料中存在的相及其含量。XRD通過測(cè)量材料對(duì)X射線的衍射圖譜，來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和相組成，是一種常用的材料結(jié)構(gòu)分析方法。運(yùn)用電子背散射衍射（EBSD）系統(tǒng)研究材料的晶粒取向和織構(gòu)，獲取材料的晶體學(xué)信息，為分析材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能提供重要依據(jù)。EBSD能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量材料中晶粒的取向和織構(gòu)信息，對(duì)于研究材料的各向異性和力學(xué)性能具有重要意義。在力學(xué)性能測(cè)試方面，從打印零件上按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸加工拉伸試樣、沖擊試樣和硬度測(cè)試試樣。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定零件的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，在室溫下以恒定的拉伸速度對(duì)試樣進(jìn)行加載，記錄試樣的拉伸力和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等參數(shù)。采用硬度計(jì)測(cè)量零件不同部位的硬度，硬度測(cè)試按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行，選擇合適的載荷和壓頭，在零件的不同部位進(jìn)行硬度測(cè)試，記錄硬度值，分析硬度分布情況。利用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，評(píng)估零件的韌性。沖擊試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，將加工好的沖擊試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，通過擺錘的沖擊作用，測(cè)量試樣在沖擊載荷下的斷裂能量，以此評(píng)估零件的韌性。4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同工藝參數(shù)下電弧增材制造打印的合金鋼零件進(jìn)行了全面的測(cè)試和分析，得到了關(guān)于成型質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并深入探討了工藝參數(shù)對(duì)這些結(jié)果的影響。4.3.1成型質(zhì)量分析在成型質(zhì)量方面，主要從尺寸精度、表面粗糙度和內(nèi)部缺陷等方面進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量有著顯著影響。尺寸精度是衡量成型質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。通過對(duì)不同工藝參數(shù)下打印零件的尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)焊接電流、送絲速度和焊接速度對(duì)尺寸精度的影響較為明顯。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，由于電弧能量增強(qiáng)，熔池溫度升高，金屬的熔化量和流動(dòng)性增加，導(dǎo)致堆積層的寬度和高度略有增加，尺寸偏差增大。例如，在焊接電流從180A增加到200A時(shí)，堆積層寬度平均增加了0.5mm，高度增加了0.3mm。送絲速度的變化直接影響單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的金屬量，送絲速度過快，金屬堆積量過多，會(huì)使堆積層尺寸增大；送絲速度過慢，則金屬堆積量不足，導(dǎo)致堆積層尺寸減小。焊接速度的增加會(huì)使單位長(zhǎng)度上的熱輸入減少，熔池體積減小，從而使堆積層的寬度和高度降低，尺寸精度得到一定改善。通過合理調(diào)整焊接電流、送絲速度和焊接速度等參數(shù)，可以有效控制堆積層的尺寸，提高零件的尺寸精度。在焊接電流為190A、送絲速度為6m/min、焊接速度為0.3m/min時(shí)，打印零件的尺寸偏差最小，尺寸精度最高。表面粗糙度也是影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，層間冷卻時(shí)間和焊接速度對(duì)表面粗糙度的影響較大。層間冷卻時(shí)間過短，前一層堆積金屬在進(jìn)行下一層沉積時(shí)還未充分冷卻，導(dǎo)致熔池在凝固過程中受到較大的熱影響，表面容易出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，粗糙度增加。當(dāng)層間冷卻時(shí)間從10s縮短到5s時(shí)，零件表面粗糙度Ra從3.2μm增加到5.0μm。焊接速度過快，熔池凝固速度加快，液態(tài)金屬來不及均勻鋪展，也會(huì)使表面粗糙度增大。通過適當(dāng)延長(zhǎng)層間冷卻時(shí)間和控制焊接速度，可以降低表面粗糙度，提高零件的表面質(zhì)量。在層間冷卻時(shí)間為15s、焊接速度為0.25m/min時(shí)，零件表面粗糙度最小，表面較為光滑。內(nèi)部缺陷是影響零件質(zhì)量和性能的重要因素，常見的內(nèi)部缺陷包括氣孔、裂紋和未熔合等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接電流、電壓和保護(hù)氣體流量對(duì)內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生有著重要影響。焊接電流和電壓的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致電弧燃燒不穩(wěn)定，熔滴過渡不均勻，從而增加氣孔和未熔合缺陷的產(chǎn)生概率。保護(hù)氣體流量不足，無法有效保護(hù)熔池，會(huì)使空氣中的氧氣和氮?dú)獾入s質(zhì)進(jìn)入熔池，與熔化的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣孔等缺陷。通過優(yōu)化焊接電流、電壓的穩(wěn)定性，合理調(diào)整保護(hù)氣體流量，可以有效減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，提高零件的內(nèi)部質(zhì)量。在焊接電流和電壓穩(wěn)定、保護(hù)氣體流量為15L/min時(shí)，打印零件內(nèi)部缺陷最少，內(nèi)部質(zhì)量較好。4.3.2微觀組織分析利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）和電子背散射衍射（EBSD）等微觀分析技術(shù)，對(duì)電弧增材制造打印的合金鋼零件的微觀組織進(jìn)行了詳細(xì)觀察和分析，研究了工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響機(jī)制。在OM觀察下，發(fā)現(xiàn)不同工藝參數(shù)下打印零件的微觀組織存在明顯差異。圖8為不同焊接電流下的微觀組織圖像。從圖中可以看出，當(dāng)焊接電流較小時(shí)，晶粒細(xì)小且分布均勻；隨著焊接電流的增大，晶粒逐漸長(zhǎng)大，組織變得粗大。這是因?yàn)楹附与娏髟龃螅娀∧芰吭鰪?qiáng)，熔池溫度升高，晶粒生長(zhǎng)速度加快，導(dǎo)致晶粒尺寸增大。[此處插入不同焊接電流下的微觀組織圖像]SEM觀察進(jìn)一步揭示了微觀組織的細(xì)節(jié)特征。圖9為不同送絲速度下的SEM微觀組織圖像。在送絲速度較低時(shí)，熔池中的液態(tài)金屬相對(duì)較少，凝固速度較快，形成的組織較為致密；當(dāng)送絲速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的金屬量增多，熔池體積增大，凝固速度變慢，組織中出現(xiàn)了更多的枝晶和孔隙。[此處插入不同送絲速度下的SEM微觀組織圖像]TEM分析用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)等微觀信息。通過TEM觀察發(fā)現(xiàn)，在不同工藝參數(shù)下，材料的位錯(cuò)密度和分布情況有所不同。當(dāng)焊接速度較快時(shí)，由于熱輸入減少，熔池冷卻速度加快，材料中的位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)分布更加密集。這是因?yàn)榭焖倮鋮s導(dǎo)致材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，促進(jìn)了位錯(cuò)的產(chǎn)生和增殖。XRD分析結(jié)果表明，不同工藝參數(shù)對(duì)合金鋼的相組成也有一定影響。在某些工藝參數(shù)下，可能會(huì)出現(xiàn)少量的馬氏體相或貝氏體相，這是由于熱循環(huán)過程中奧氏體向其他相的轉(zhuǎn)變所致。EBSD分析則揭示了晶粒取向和織構(gòu)的變化規(guī)律。隨著焊接層數(shù)的增加，晶粒取向逐漸呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，形成了特定的織構(gòu)。這種織構(gòu)的形成與熱循環(huán)和晶體生長(zhǎng)過程密切相關(guān)。工藝參數(shù)對(duì)電弧增材制造打印的合金鋼零件的微觀組織有著顯著影響。焊接電流、送絲速度、焊接速度等參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致晶粒尺寸、組織形態(tài)、位錯(cuò)密度、相組成以及晶粒取向和織構(gòu)等微觀組織特征的改變。深入研究這些影響機(jī)制，對(duì)于理解微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高零件性能具有重要意義。4.3.3力學(xué)性能分析對(duì)電弧增材制造打印的合金鋼零件進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度和韌性等力學(xué)性能測(cè)試，分析了工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，并探討了微觀組織與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。在拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)其有著顯著影響。圖10為不同焊接電流下的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化曲線。從圖中可以看出，隨著焊接電流的增加，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增加后降低。在焊接電流為190A時(shí)，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為650MPa和520MPa。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，增加焊接電流可以提高熔池的溫度和能量輸入，促進(jìn)金屬的熔化和擴(kuò)散，使晶粒細(xì)化，組織更加致密，從而提高拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。當(dāng)焊接電流過大時(shí)，晶粒粗化，組織缺陷增多，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降。[此處插入不同焊接電流下的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化曲線]硬度測(cè)試結(jié)果顯示，工藝參數(shù)對(duì)硬度也有明顯影響。圖11為不同送絲速度下的硬度變化曲線。隨著送絲速度的增加，硬度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。在送絲速度為6m/min時(shí)，硬度最低，為HB200。這是因?yàn)樗徒z速度較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的金屬量較少，熔池冷卻速度較快，組織中形成了較多的細(xì)晶粒和強(qiáng)化相，硬度較高。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，熔池體積增大，冷卻速度變慢，晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)化相減少，硬度降低。繼續(xù)增加送絲速度，由于單位時(shí)間內(nèi)堆積的金屬量增多，組織中的位錯(cuò)密度增加，加工硬化作用增強(qiáng)，硬度又逐漸升高。[此處插入不同送絲速度下的硬度變化曲線]韌性是衡量材料抵抗斷裂能力的重要指標(biāo)。通過沖擊試驗(yàn)測(cè)試了不同工藝參數(shù)下零件的沖擊韌性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接速度對(duì)沖擊韌性的影響較大。圖12為不同焊接速度下的沖擊韌性變化曲線。隨著焊接速度的增加，沖擊韌性先增加后降低。在焊接速度為0.25m/min時(shí)，沖擊韌性達(dá)到最大值，為45J/cm2。這是因?yàn)檫m當(dāng)增加焊接速度可以減少熱輸入，細(xì)化晶粒，改善組織的均勻性，從而提高沖擊韌性。當(dāng)焊接速度過快時(shí)，熱輸入嚴(yán)重不足，組織中出現(xiàn)較多的缺陷，沖擊韌性下降。[此處插入不同焊接速度下的沖擊韌性變化曲線]微觀組織與力學(xué)性能之間存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系。細(xì)晶粒組織通常具有較高的強(qiáng)度和韌性，因?yàn)榧?xì)晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度；同時(shí)，晶界可以吸收和消耗裂紋擴(kuò)展的能量，提高材料的韌性。粗大的晶粒則會(huì)降低材料的強(qiáng)度和韌性。此外，組織中的強(qiáng)化相、位錯(cuò)密度、相組成等因素也會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。例如，馬氏體相具有較高的硬度和強(qiáng)度，但韌性較差；貝氏體相則具有較好的綜合力學(xué)性能。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，控制微觀組織的形成和演變，可以有效提高電弧增材制造打印的合金鋼零件的力學(xué)性能。五、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析5.1溫度場(chǎng)對(duì)比將數(shù)值模擬得到的溫度場(chǎng)分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，是驗(yàn)證數(shù)值模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對(duì)比分析，可以深入了解電弧增材制造過程中溫度場(chǎng)的實(shí)際分布情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)之間的差異，并進(jìn)一步分析產(chǎn)生這些差異的原因。圖13展示了在特定工藝參數(shù)下（焊接電流190A、電壓22V、送絲速度6m/min、焊接速度0.25m/min），電弧增材制造多層單道合金鋼零件時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬得到的某一時(shí)刻熔池橫截面溫度分布。從實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果來看，熔池中心溫度最高，達(dá)到約1550℃，在熔池邊緣，溫度迅速下降，形成明顯的溫度梯度。熔池的形狀呈現(xiàn)出近似橢圓形，長(zhǎng)軸方向與焊接方向一致。而數(shù)值模擬得到的溫度分布云圖顯示，熔池中心溫度約為1530℃，熔池形狀和溫度梯度變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，但在溫度數(shù)值上存在一定差異。[此處插入實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬的熔池橫截面溫度分布對(duì)比圖]為了更直觀地比較實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果，圖14給出了沿熔池橫截面中心線（圖13中所示的A-A’線）的溫度分布曲線。從圖中可以清晰地看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度曲線與數(shù)值模擬曲線的變化趨勢(shì)一致，在熔池中心區(qū)域，溫度均達(dá)到峰值，然后向兩側(cè)逐漸降低。然而，在具體溫度數(shù)值上，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值存在一定偏差。在熔池中心區(qū)域，模擬溫度比實(shí)驗(yàn)溫度低約20℃；在熔池邊緣區(qū)域，偏差相對(duì)較小，約為5-10℃。[此處插入沿熔池橫截面中心線的溫度分布對(duì)比曲線]進(jìn)一步對(duì)不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)這種偏差在不同工藝條件下具有一定的規(guī)律性。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度升高幅度比數(shù)值模擬結(jié)果更為明顯，導(dǎo)致兩者之間的偏差增大；而當(dāng)焊接速度增加時(shí)，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度的偏差則相對(duì)減小。產(chǎn)生這些差異的原因主要包括以下幾個(gè)方面：熱源模型的簡(jiǎn)化：盡管雙橢球熱源模型能夠較好地描述電弧增材制造過程中的能量分布，但在實(shí)際應(yīng)用中，該模型仍然對(duì)電弧的復(fù)雜性進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。電弧的實(shí)際能量分布可能并非完全符合雙橢球模型的假設(shè)，例如，電弧的形態(tài)可能會(huì)受到焊接電流、電壓、保護(hù)氣體等多種因素的影響，導(dǎo)致能量分布存在一定的隨機(jī)性和不均勻性。此外，模型中對(duì)電弧熱流沿板厚方向的分布以及電弧對(duì)熔池的攪拌作用的描述也可能與實(shí)際情況存在一定差異，從而影響了溫度場(chǎng)的模擬精度。材料屬性的不確定性：在數(shù)值模擬中，材料的熱物理性能參數(shù)（如熱導(dǎo)率、比熱容、密度等）是溫度場(chǎng)計(jì)算的重要依據(jù)。然而，這些參數(shù)在不同溫度下的取值存在一定的不確定性，尤其是在高溫區(qū)域，材料的熱物理性能可能會(huì)發(fā)生顯著變化。雖然通過查閱相關(guān)材料手冊(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取了材料屬性數(shù)據(jù)，但實(shí)際材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)可能存在一定的差異，導(dǎo)致材料屬性與理論值不完全一致。此外，材料在電弧增材制造過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)和相變過程，其熱物理性能也會(huì)隨之發(fā)生變化，而數(shù)值模擬中難以完全準(zhǔn)確地考慮這些變化，從而引入了一定的誤差。實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差：實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中也不可避免地存在一定的誤差。例如，紅外熱成像儀在測(cè)量溫度時(shí)，其測(cè)量精度受到儀器本身的精度、測(cè)量距離、測(cè)量角度以及環(huán)境因素（如光線、氣流等）的影響。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，其安裝位置的準(zhǔn)確性、熱電偶的響應(yīng)時(shí)間以及測(cè)量系統(tǒng)的噪聲等因素也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。這些測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)得到的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度存在一定偏差，從而影響了與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析。模型假設(shè)與實(shí)際過程的差異：數(shù)值模擬模型在建立過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常會(huì)對(duì)一些實(shí)際過程進(jìn)行假設(shè)和簡(jiǎn)化。例如，在模型中假設(shè)材料是均勻連續(xù)的，忽略了材料內(nèi)部的微觀缺陷和組織結(jié)構(gòu)的不均勻性；假設(shè)熔池中的流體流動(dòng)是層流，而實(shí)際熔池中的流動(dòng)可能存在湍流等復(fù)雜情況。這些假設(shè)與實(shí)際過程的差異也會(huì)導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果之間存在偏差。盡管數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度場(chǎng)分布存在一定差異，但總體來說，兩者的變化趨勢(shì)基本一致，表明數(shù)值模擬能夠較好地反映電弧增材制造過程中溫度場(chǎng)的主要特征和變化規(guī)律。通過對(duì)差異原因的分析，可以進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模型，提高模擬精度，為電弧增材制造工藝的優(yōu)化和質(zhì)量控制提供更可靠的理論依據(jù)。5.2微觀組織對(duì)比微觀組織作為決定材料性能的關(guān)鍵因素，深入探究數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)所得微觀組織的異同，對(duì)于驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性以及揭示電弧增材制造過程中微觀組織的演變規(guī)律具有重要意義。本部分將從晶粒形態(tài)、相組成以及微觀缺陷等方面，對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到的微觀組織進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。在晶粒形態(tài)方面，通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)得到的電弧增材制造合金鋼零件的晶粒形態(tài)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果具有一定的相似性。圖15為數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的某區(qū)域晶粒形態(tài)示意圖，圖16為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀察（利用掃描電子顯微鏡SEM）到的晶粒形態(tài)圖像。從模擬結(jié)果可以看出，在熔池邊緣區(qū)域，由于溫度梯度較大，晶粒呈現(xiàn)出明顯的柱狀生長(zhǎng)特征，柱狀晶沿著與熱流方向相反的方向生長(zhǎng)；而在熔池中心區(qū)域，溫度相對(duì)均勻，冷卻速度較慢，晶粒生長(zhǎng)較為均勻，形成了等軸晶組織。實(shí)驗(yàn)觀察到的晶粒形態(tài)與模擬結(jié)果基本一致，在熔池邊緣區(qū)域，柱狀晶清晰可見，其長(zhǎng)度和取向與模擬預(yù)測(cè)相符；在熔池中心區(qū)域，等軸晶的分布和尺寸也與模擬結(jié)果相近。這表明數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測(cè)晶粒形態(tài)的形成和分布規(guī)律。[此處插入數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的晶粒形態(tài)示意圖和實(shí)驗(yàn)觀察到的晶粒形態(tài)圖像]然而，仔細(xì)對(duì)比模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)存在一些細(xì)微差異。在實(shí)驗(yàn)觀察中，晶粒的邊界更為清晰，且存在一些細(xì)小的亞晶粒和位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)在數(shù)值模擬中未能完全體現(xiàn)。這主要是由于數(shù)值模擬在模型建立過程中，對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，忽略了一些微觀細(xì)節(jié)，如位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)、亞晶粒的形成機(jī)制等。此外，實(shí)驗(yàn)過程中材料的實(shí)際凝固條件和微觀組織演變過程可能受到多種因素的影響，如雜質(zhì)、晶體缺陷等，這些因素在數(shù)值模擬中難以精確考慮，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察存在一定差異。在相組成方面，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也具有較好的一致性。通過數(shù)值模擬結(jié)合材料相變理論，預(yù)測(cè)了合金鋼在電弧增材制造過程中的相轉(zhuǎn)變情況，得到了不同區(qū)域的相組成分布。圖17為數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的某區(qū)域相組成分布圖，其中紅色表示奧氏體相，藍(lán)色表示鐵素體相，綠色表示珠光體相。利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)實(shí)驗(yàn)打印零件進(jìn)行相分析，得到的相組成結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)基本相符。XRD圖譜顯示，在零件的不同區(qū)域，奧氏體、鐵素體和珠光體相的相對(duì)含量和分布情況與模擬結(jié)果較為一致。在靠近熔池中心的高溫區(qū)域，主要以奧氏體相為主；隨著距離熔池中心距離的增加，溫度降低，奧氏體相逐漸向鐵素體相和珠光體相轉(zhuǎn)變。[此處插入數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的相組成分布圖和實(shí)驗(yàn)XRD圖譜分析結(jié)果]但在一些細(xì)節(jié)上，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在差異。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了少量的馬氏體相存在，而在數(shù)值模擬結(jié)果中未明顯體現(xiàn)。這可能是由于在實(shí)際電弧增材制造過程中，某些區(qū)域的冷卻速度極快，導(dǎo)致奧氏體相來不及向鐵素體和珠光體相轉(zhuǎn)變，而是直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。而數(shù)值模擬中所采用的相變模型可能無法準(zhǔn)確描述這種快速冷卻條件下的相變過程，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)存在偏差。在微觀缺陷方面，數(shù)值模擬對(duì)一些宏觀缺陷，如氣孔、裂紋等的形成具有一定的預(yù)測(cè)能力，但對(duì)于微觀缺陷，如微觀孔洞、夾雜等的預(yù)測(cè)還存在不足。在實(shí)驗(yàn)觀察中，利用掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)了一些微觀孔洞和夾雜的存在。圖18為實(shí)驗(yàn)觀察到的微觀孔洞和夾雜的SEM圖像。這些微觀缺陷的尺寸較小，通常在微米級(jí)甚至納米級(jí)，其形成機(jī)制較為復(fù)雜，與材料的純凈度、熔池的流動(dòng)狀態(tài)、凝固過程中的溶質(zhì)偏析等多種因素有關(guān)。目前的數(shù)值模擬方法難以準(zhǔn)確考慮這些微觀因素對(duì)微觀缺陷形成的影響，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察存在較大差異。[此處插入實(shí)驗(yàn)觀察到的微觀孔洞和夾雜的SEM圖像]總體而言，數(shù)值模擬在微觀組織預(yù)測(cè)方面能夠捕捉到電弧增材制造合金鋼零件微觀組織的主要特征和演變規(guī)律，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，但在微觀細(xì)節(jié)和某些特殊情況下的預(yù)測(cè)仍存在一定的局限性。通過對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可以進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模擬方法，完善微觀組織預(yù)測(cè)模型，提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，為電弧增材制造工藝的優(yōu)化和零件性能的提升提供更有力的支持。5.3力學(xué)性能對(duì)比力學(xué)性能是衡量合金鋼零件質(zhì)量和性能的關(guān)鍵指標(biāo)，通過對(duì)比數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到的力學(xué)性能，能夠評(píng)估數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，為電弧增材制造工藝的優(yōu)化提供重要依據(jù)。本部分將從拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度和韌性等方面，對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到的力學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。在拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度方面，表3給出了不同工藝參數(shù)下數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度結(jié)果。從表中可以看出，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值總體趨勢(shì)一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。以焊接電流為190A的工況為例，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的拉伸強(qiáng)度為640MPa，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為650MPa，相對(duì)誤差約為1.54%；數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的屈服強(qiáng)度為510MPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為520MPa，相對(duì)誤差約為1.92%。隨著焊接電流的變化，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。[此處插入數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度對(duì)比表]進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種差異可能與多種因素有關(guān)。一方面，數(shù)值模擬過程中對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系的描述存在一定的簡(jiǎn)化，難以完全準(zhǔn)確地反映材料在復(fù)雜加載條件下的力學(xué)行為。材料在電弧增材制造過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)和相變過程，其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化，而數(shù)值模擬中所采用的本構(gòu)模型可能無法精確描述這些變化。另一方面，實(shí)驗(yàn)過程中存在一些不可控因素，如試樣的加工精度、測(cè)試設(shè)備的精度以及測(cè)試環(huán)境的影響等，這些因素都可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。在硬度