相較于傳統(tǒng)的制造方式,增材制造技術(shù)具有生產(chǎn)短、生產(chǎn)成本低和可制造結(jié)構(gòu)特別復雜的零件[1]等優(yōu)勢。但是受限于構(gòu)建平臺的尺寸和打印腔室的體積,增材制造難以制備出大尺寸的金屬材料零部件。為了克服這一局限,研究人員探索了焊接工藝和增材制造工藝相結(jié)合的制造方式。這種方法綜合了增材制造和焊接的優(yōu)點,通過先用增材制造技術(shù)制造出復雜結(jié)構(gòu)的零部件,然后利用焊接工藝將這些零部件拼接起來,從而制造出大尺寸的復雜結(jié)構(gòu)零部件。這不僅保留了增材制造在生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)零件方面的優(yōu)勢,還突破了尺寸限制,適用于制造航空航天、船舶和大型機械等領(lǐng)域的大型零部件[2]。
另一方面,焊接工藝在制造領(lǐng)域中的作用不僅僅局限于零部件的連接和拼接,還可以用作修復零部件[3]。在工業(yè)生產(chǎn)和使用過程中,金屬零部件難免會受到磨損、腐蝕或損傷。焊接工藝可以通過填補和重塑材料,修復這些損壞的零部件,使其恢復到可用狀態(tài)。這種修復方法不僅經(jīng)濟高效,而且可以延長零部件的使用壽命,減少資源浪費和生產(chǎn)成本。通過將焊接工藝與增材制造技術(shù)結(jié)合,可以進一步提高修復的精度和效果,例如在修復過程中使用增材制造技術(shù)打印出需要的復雜形狀,再通過焊接將其與原件結(jié)合,達到修復和增強的雙重效果。
總體來說,增材制造技術(shù)和焊接工藝的結(jié)合為制造和修復復雜結(jié)構(gòu)的大型金屬零部件提供了新的思路和方法,既發(fā)揮了增材制造在生產(chǎn)復雜零件方面的獨特優(yōu)勢,又通過焊接克服了尺寸和體積的限制,為工業(yè)生產(chǎn)帶來了更大的靈活性和效率。
1、增材制造鈦合金焊接件的微觀組織和力學性能研究
鈦合金具有優(yōu)異的強度重量比、高耐腐蝕性和良好的耐熱性能,適用于航空航天、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域。其密度低,比強度高,在高溫下仍能保持良好的機械性能和穩(wěn)定性。鈦合金生物相容性好,適合用于人體植入物。此外,鈦合金還具備優(yōu)良的抗疲勞性能和耐久性,是制造高性能和高可靠性產(chǎn)品的理想材料。因此,有部分學者針對增材制造制備的鈦合金的焊接性進行了研究[4]。
對軋制的Ti-6Al-4V和選區(qū)激光熔融(SLM)制備的Ti-6Al-4V進行電子束焊研究發(fā)現(xiàn):柱狀的初生β相基本都在焊縫根部形成,而焊縫的表面和焊縫的軸線附近以等軸狀的初生β相為主,同時由于焊接過程中溫度的快速變化(通常是快速冷卻)使馬氏體α’以板條狀在初生的β相中結(jié)晶成束。與軋制的Ti-6Al-4V焊接試樣相比,選區(qū)激光熔融焊接試樣的焊縫寬度相對更寬[5]。另外,增材制造Ti-6Al-4V焊接試樣的熱影響區(qū)相較于軋制試樣焊接的熱影響區(qū)要窄一半以上。
對電子束熔絲增材制造Ti-6Al-4V進行的電子束焊接研究結(jié)論如下:母材區(qū)的顯微組織由網(wǎng)籃狀α+β相組成,熱影響區(qū)由β轉(zhuǎn)變組織和馬氏體α’組成,且距焊縫越近,馬氏體含量越高。焊縫區(qū)由大量細長的馬氏體組成,且由焊縫頂部至底部馬氏體越來越細小。母材區(qū)硬度最低,熱影響區(qū)的硬度隨距焊縫中心線距離的減小明顯增大,焊縫區(qū)顯微硬度最高。焊后接頭斷裂在母材一側(cè),接頭抗拉強度為875MPa,伸長率為7%,接頭斷裂形式為韌性斷裂[6]。
對電弧增材制備的Ti-6Al-4V固溶處理后進行激光焊接進行研究,得出如下的結(jié)論:(1)由于Ti-6Al4V中存在6%左右的Al元素使相變溫度上升,Al元素是密排六方α相的穩(wěn)定劑,使得增材制造的Ti-6Al-4V金屬材料具有可焊性。(2)提升激光焊接速度有助于減小熱影響區(qū)(HAZ),同時可以使冷卻速度加快(大于410℃/s)。更快的冷卻速度能使熔合區(qū)(FZ)快速冷卻產(chǎn)生更多的過飽和馬氏體α和更為致密細小的針狀α相[7]。同時對熔合區(qū)的顯微組織進行觀察,還可以發(fā)現(xiàn)柱狀的β晶向焊縫中心外沿伸。在焊接過程中,由于Al元素很容易蒸發(fā),α相的穩(wěn)定性受到影響,阻礙了β向α的轉(zhuǎn)變[8]。(3)相比未固溶處理的增材制造Ti-6Al4V焊接試樣,固溶處理后的試樣促進了亞穩(wěn)相的分解,也就是馬氏體α相會分解轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺瞀料唷qR氏體α相的減少降低了焊縫的顯微硬度(398~445HV)和抗拉強度(910~950MPa),但是伸長率(10%~12%)略有提升,相比之下未固溶處理的試樣其顯微硬度為415~456HV,抗拉強度為930~970MPa,伸長率為5%~7%[9]。
對增材制造和鍛造TC11鈦合金進行的激光焊試驗(增材制造TC11(TC11-AM)/鍛造TC11(TC11-R),TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R的焊接)的實驗顯示:三種不同焊接接頭的焊縫區(qū)均未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔缺陷。同時由于熔池溫度梯度大、冷卻速度快,焊縫組織均為α′馬氏體相的粗大柱狀晶粒。三種接頭抗拉強度分別約為1575MPa,1687MPa和1593MPa。TC11-R/TC11-R接頭和TC11-AM/TC11-AM接頭橫截面顯微硬度呈高斯分布,硬度值分別為445±31HV和424±6HV,而TC11AM/TC11-R接頭顯微硬度呈臺階狀分布,硬度值為432±21HV。三種接頭的拉伸試樣均為韌性斷裂,斷裂面均發(fā)現(xiàn)有大量的韌窩。通過對比接頭的抗拉強度可知,TC11-AM/TC11-R接頭和TC11-AM/TC11-AM接頭具有良好的焊接性[10]。
對不同增材制造方式下Ti-6Al-4V焊接試樣的焊縫寬度、焊縫深度進行研究,發(fā)現(xiàn)由于激光沉積制備的試樣晶粒較選區(qū)激光熔融試樣更為粗大,所以其焊縫寬度會顯著增大[3],而選區(qū)激光熔融的Ti-6Al-4V焊接試樣具有更小的焊縫和更淺的焊深[4]。但無論是何種增材制造方式制備的Ti-6Al-4V焊接試樣,其焊縫的微觀組織和基體的微觀組織趨于一致,均是柱狀的初生β相和針狀的α’相。而研究同時表明,在Ti-6Al-4V焊接試樣中,柱狀的初生β相對焊縫的幾何參數(shù),諸如焊寬、焊厚、焊深等影響顯著[11-13]。
與此同時,常用的焊接方式對增材制造制備的Ti-6Al-4V焊接試樣的焊縫硬度并無顯著影響,其焊縫硬度基本與Ti-6Al-4V基體保持一致。且焊接對增材制造制備的Ti-6Al-4V的拉伸性能并無顯著影響[11],但是會嚴重降低其延展性和疲勞壽命[12]。同時有學者研究指出,可以使用TIG焊接沉積工藝對直接沉積熔融增材制造Ti-6Al-4V醫(yī)學植入物進行修復,效果良好,可以供醫(yī)學使用[14]。
2、增材制造不銹鋼焊接件的微觀組織和力學性能研究
不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高強度和良好的韌性,能在惡劣環(huán)境中保持穩(wěn)定性能。其光滑表面易于清潔,具備美觀的外觀。其耐高溫和低溫性能出色,廣泛適用于工業(yè)和日常應用。不銹鋼還具有較高的耐磨性和可回收性,環(huán)保且可持續(xù)。因此近年來,很多研究致力于改善傳統(tǒng)不銹鋼和增材制造(AM)不銹鋼可焊性的方法[15]。
研究表明,即使不經(jīng)過任何后處理工藝,對傳統(tǒng)制造的316L和增材制造的316L進行焊接也能得到具有較好拉伸性能的焊接接頭,甚至性能會優(yōu)于增材制造316L零部件基體[16]。焊接過程盡管會(尤其是摩擦焊)導致微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,但是并不會顯著影響增材制造焊接件的力學性能,比如硬度和抗拉強度等[17]。
通過對鎢極惰性氣體焊(TIG焊)比較增材制造的316L不銹鋼和傳統(tǒng)的316L不銹鋼的焊接試驗的分析得出:增材制造零件的制造方向?qū)附咏宇^的機械性能有一定影響,但影響并不是特別顯著。與此同時,盡管所有增材制造不銹鋼焊縫的屈服強度都高于傳統(tǒng)不銹鋼板材焊縫,但斷裂伸長率較低。總體而言,TIG焊接是一種適用于增材制造零件連接的可行工藝[18]。
對增材制造316L不銹鋼鎢極氣體保護焊(GTAW)的焊接特性[19]研究表明:GTAW對增材制造316L的焊接效果良好,并且焊接接頭的拉伸強度與母材相差不大。針對SLM制備的304不銹鋼部件的激光焊試驗結(jié)果表明[20]:SLM304不銹鋼板具有良好的激光可焊性,激光焊接頭的顯微結(jié)構(gòu)由柱狀晶粒內(nèi)奧氏體基體中的胞狀枝晶組成,表現(xiàn)出較粗的枝晶結(jié)構(gòu)、較低的顯微硬度(約220HV)和拉伸性能(拉伸強度約為750MPa,斷面收縮率約為27.6%),但比SLM板材具有更優(yōu)異的耐腐蝕性。接頭的枝晶臂間距在中心區(qū)約為3.7μm,在熔合區(qū)約為5.0μm,在外延區(qū)約為2.5μm。SLM的各向異性對激光焊接接頭的顯微結(jié)構(gòu)和性能影響可以忽略不計,但是沿SLM打印方向進行激光焊接可以產(chǎn)生略微更細的枝晶結(jié)構(gòu)和更高的拉伸性能。
針對粉末床熔融(PBF)316L不銹鋼和傳統(tǒng)316L不銹鋼激光可焊性的比較研究結(jié)果顯示[21]:將PBF制備的316L和傳統(tǒng)316L板材焊接后,其抗拉強度優(yōu)于PBF制備的316L基材。當使用填充金屬后,焊接熔合區(qū)域會出現(xiàn)多向晶粒生長。降低能量輸入會增加焊接樣品的延伸率,使其達到與PBF和冷軋基材相同水平(40%~45%),同時焊接能量輸入對焊接樣品的抗拉強度并無顯著影響。
還有部分研究分析了電阻點焊(RSW)工藝參數(shù)對奧氏體不銹鋼焊接性能的影響,這些參數(shù)雖然針對的是傳統(tǒng)不銹鋼,但依舊可以沿用至增材制造不銹鋼焊接參數(shù)的優(yōu)化過程,比如針對電阻點焊AISI316L傳統(tǒng)不銹鋼板材的焊接電流和時間等焊接參數(shù)的優(yōu)化,同樣可以在焊接增材制造316L不銹鋼中使用[22]。不同的焊接電流和焊接時間對316L不銹鋼電阻點焊的可焊性與機械性能有一定影響[23-24]。
針對五種不同組合316L增材制造試樣的焊接研究(如圖1所示),得出如下結(jié)論:(1)所有的疲勞失效均發(fā)生在焊接區(qū)。(2)五種不同試樣的拉伸強度基本一致,差距僅1.4%左右。(3)焊接件的疲勞壽命和疲勞極限均低于未焊接試樣。(4)焊接缺陷會嚴重影響焊接件的疲勞壽命和力學性能。綜上所述,增材制造316L具有可焊性,并且焊接接頭的疲勞強度與激光切割焊接試樣強度相當。結(jié)果還表明,可以通過焊接修復增材制造的部件,而不會顯著降低疲勞性能[25]。針對SLM420SS和軋制420SS激光焊接件的研究發(fā)現(xiàn),焊接接頭橫截面呈現(xiàn)出中間窄、頂部和底部寬的宏觀組織,同時沿著溫度梯度方向分布大量柱狀晶。靠近增材制造側(cè)的熱影響區(qū)會隨著焊接激光功率的提高而逐漸變厚,其微觀形貌與增材制造零件的微觀形貌趨于一致;靠近軋制側(cè)的熱影響區(qū)則比較明顯,因為靠近熔合線的溫度比較高,并且在焊接循環(huán)中維持時間較久,因此附近的晶粒會再結(jié)晶并生長為粗大的等軸晶,并且其晶粒大小隨著焊接功率的提升而變大[26]。

對激光粉末床熔融制備的316L與傳統(tǒng)316L不銹鋼進行的焊接試驗結(jié)果表明:不同的焊接方式都可以獲得高質(zhì)量的焊縫,與此同時,研究進一步證明傳統(tǒng)的316L與增材制造316L進行激光焊接時,在焊縫處金屬不會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象[27]。
此外,還有一些關(guān)于激光焊接增材制造不銹鋼的研究表明,增材制造零件的制造方向?qū)附咏宇^的機械性能影響并不顯著,這一結(jié)論與前文所述的研究結(jié)果相同。
3、增材制造鋁合金焊接件的微觀組織和力學性能研究
鋁合金密度約為鋼的三分之一,經(jīng)過合金化和熱處理后具備較高強度,同時鋁合金耐腐蝕性突出,特別適用于海洋和化學工業(yè);良好的導電性和導熱性使其廣泛應用于電氣和電子領(lǐng)域。因此,鋁合金廣泛應用于航空航天、汽車、建筑等行業(yè),眾多學者對增材制造鋁合金的焊接性能展開了研究。
對選區(qū)激光熔融制備的AlSi10Mg進行自熱電子束焊接的試驗發(fā)現(xiàn):增材制造AlSi10Mg具有良好的可焊性,焊接速度越快,焊縫傾向于變得越窄,并且焊接參數(shù)相較于增材制造方向?qū)缚p的形態(tài)影響更大。對熱軋工藝制備的6082和增材制造制備的AlSi7Mg0.6進行激光焊接的研究結(jié)果顯示:6082和AlSi7Mg0.6可完全焊接,在無金屬填充下焊縫亦不存在凝固裂紋。通過對不同焊接工藝參數(shù)下焊縫橫截面(如圖2所示)的金相組織觀察發(fā)現(xiàn):(1)焊接速度越快,焊縫越窄,并且焊縫中的平均孔隙率越低。(2)焊接參數(shù)對焊縫形態(tài)的影響,遠大于增材制造方向和后處理方式。(3)孔隙在大多數(shù)情況下沿著焊接接頭分布,基本都靠近增材制造薄板一側(cè)。(4)顯微組織由從熔合線向焊縫中心生長的柱狀晶粒組成[32]。

拉伸試驗結(jié)果見表1,可以發(fā)現(xiàn):(1)軋制的異種鋁合金焊接試樣具有較高的拉伸強度,最高248MPa;(2)增材制造的異種鋁合金焊接試樣拉伸強度最小,僅114MPa,伸長率也比較差,僅0.32%;(3)異種焊接試樣最差情況下也和增材制造的焊接試樣伸長率接近(0.31%),拉伸強度更高(158MPa);(4)后處理可以改善伸長率和提升拉伸強度。
4、增材制造其他金屬焊接件的微觀組織和力學性能研究
除上述增材制造不銹鋼、鈦合金和鋁合金的焊接研究外,還有部分研究涉及其他金屬,主要包括高熵合金、高溫合金以及其他高強度合金等。
對SLM制備的In718合金激光焊接的研究表明:SLMIn718合金的激光焊接接頭的宏觀質(zhì)量較好,沒有發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。未熱處理時,In718合金的SLM構(gòu)件主要由奧氏體柱狀晶及其間的共晶組織構(gòu)成,柱狀晶的平均尺寸約為5μm×2μm;激光焊接SLM構(gòu)件的焊縫組織也由奧氏體柱狀晶及其間的共晶組織構(gòu)成,柱狀晶的平均尺寸約為25μm×5μm;焊縫區(qū)顯微硬度均值約282HV,是SLM母材均值335HV的84.2%;不同厚度焊接試樣的抗拉強度為970~983MPa(均達到SLM母材的95%以上),伸長率為20.2%~22.6%(為SLM母材65%以上);固溶+時效處理后,焊接試樣抗拉強度均值為1412MPa(約為SLM母材的98.9%),伸長率均值為13.5%(約為SLM母材的93.7%),與未熱處理相比,SLM母材和焊縫顯微硬度值分別提高55.2%和77.3%[33]。
對激光增材制造的GH3625高溫合金進行激光焊接試驗發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)上層晶界處析出大量Laves相,導致晶界發(fā)生明顯粗化。沿焊縫上層至下層,熔合區(qū)由上層的胞狀晶、柱狀晶和等軸細晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦拥闹鶢罹В揖o貼熔合線生長的等軸細晶數(shù)量逐漸增多。細小顆粒狀γ′相彌散分布于焊縫;大量Laves相在中間區(qū)枝晶間析出,且形態(tài)由上層的條狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦拥念w粒狀。力學性能測試表面,焊接接頭的抗拉強度為872MPa,達到母材抗拉強度的98.2%,同時伸長率達到母材的90.7%。接頭斷面近似呈45°斜面,斷裂形式為脆性和韌性混合斷裂方式[34]。

對激光增材制造不同取向(0°、45°和90°)的GH4169合金進行真空電子束對接焊試驗,發(fā)現(xiàn)焊縫組織的枝晶有明顯擇優(yōu)取向,焊縫組織依托母材晶體連續(xù)生長,枝晶擇優(yōu)取向隨母材晶體取向的變化而變化,0°和90°取向焊縫組織呈從母材外延連續(xù)生長特征,而45°取向焊縫枝晶組織出現(xiàn)取向轉(zhuǎn)變。隨兩側(cè)母材晶體取向差的增大,在焊縫中心區(qū)域和熔合線附近大角度晶界含量都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。拉伸測試數(shù)據(jù)顯示:焊接接頭的抗拉強度隨兩側(cè)母材晶體取向差增大而降低,分別為721.8、720.7和702MPa,均低于母材737.2MPa的抗拉強度。兩側(cè)母材不同取向差的焊縫區(qū)硬度值基本一致。焊縫金屬的塑性變形受焊縫各區(qū)域晶體取向影響,它的變化與大角度晶界含量有關(guān),組織中軟取向含量越多,金屬組織變形量越大。焊縫中心線和熔合線在變形過程中的彎曲程度越大,焊接接頭塑性越強[35]。
對激光熔化沉積技術(shù)制備的FeCoCrNiMn和Al0.75FeCoCrNiMn兩種高熵合金采用激光焊技術(shù)進行焊接的研究結(jié)果表明:焊縫處的微觀組織與母材差異較大,并且焊縫處的硬度降低,拉伸時易在焊縫處斷裂[36]。
對激光增材制造GH3625與軋制GH3625進行激光焊接試驗研究發(fā)現(xiàn):隨著激光功率的增加,兩側(cè)焊縫的熔合區(qū)由胞狀晶向胞狀樹枝晶轉(zhuǎn)變,焊接板從上到下兩側(cè)熔合區(qū)的組織形態(tài)由上層的柱狀晶和胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦拥闹鶢顦渲В缚p中心區(qū)由上層的柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦拥闹鶢顦渲А:附咏宇^無明顯表面缺陷、力學性能優(yōu)良,抗拉強度高達861MPa,伸長率達到50%左右。接頭斷口發(fā)現(xiàn)撕裂棱和孔洞存在。隨著激光功率的增加,接頭抗拉強度從最高860MPa下降至833MPa[37]。
5、增材制造金屬材料焊接性能研究展望
增材制造金屬材料的焊接性能研究目前仍面臨多方面挑戰(zhàn)。
首先,需要深入優(yōu)化不同焊接工藝的參數(shù),以提高焊接接頭的微觀組織和力學性能。包括探索最佳的能量輸入、焊接速度和填充材料的選擇,以實現(xiàn)穩(wěn)定和高質(zhì)量的焊接。
其次,隨著多材料增材制造技術(shù)的發(fā)展,研究如何有效地焊接不同材料組合變得至關(guān)重要。需要深入了解不同材料之間的相容性、熔合行為及其在焊接接頭中的影響,以實現(xiàn)高效的多材料焊接工藝。
最后,焊接過程中的缺陷控制是實現(xiàn)高質(zhì)量焊接的關(guān)鍵因素。需要研究和開發(fā)先進的檢測技術(shù)和缺陷預測模型,以及有效的缺陷修復和控制策略,從而提高焊接接頭的可靠性和耐久性。
綜上所述,結(jié)合理論研究和試驗測試,通過不斷創(chuàng)新和技術(shù)迭代,逐步解決增材制造金屬材料焊接過程中的關(guān)鍵問題,將進一步拓展其在航空航天、汽車、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應用。
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(注,原文標題:增材制造金屬材料的焊接性能研究進展)
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