卓金管件有限公司基于MIG的电弧增材制造层间停留时间温度场仿真学习体会
文献概况
该文献由上海工程技术大学张天雷等学者于2020年发表于《轻工机械》第38卷第3期，受上海工程技术大学研究生科研创新项目资助。研究基于ABAQUS有限元软件建立了三维瞬态电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）仿真模型，系统模拟了不同层间停留时间下的温度场分布特征，并通过红外测温仪实测热循环曲线验证了模型的准确性。电弧增材制造作为增材制造（3D打印）的重要分支，在大型金属结构件制造、修复与再制造领域展现出广阔的应用前景，其在钢管与管件领域的应用潜力同样值得关注。
电弧增材制造技术概述
电弧增材制造以电弧焊（MIG/MAG/TIG）为热源，通过逐层堆叠金属丝材实现三维金属构件的制造。与激光增材制造（LPBF、DED-Laser）相比，WAAM具有以下特点：
| 技术特征 | 激光增材制造 | 电弧增材制造（WAAM） |
|---|---|---|
| 热源类型 | 激光 | 电弧 |
| 沉积速率 | 低（1~10 kg/h） | 高（10~50 kg/h） |
| 设备成本 | 高 | 低 |
| 构件尺寸 | 小（<1m） | 大（可达数米） |
| 表面质量 | 高 | 中低 |
| 材料适应性 | 有限 | 广 |
| 热输入 | 低 | 高 |
在钢管与管件制造领域，WAAM的潜在应用包括：大口径管件（弯头、三通、异径管）的快速成型、管道缺陷修复、异种金属过渡接头制造、以及定制化管件的快速原型制造等。
温度场仿真模型与分析
仿真模型建立
文献基于ABAQUS建立了三维瞬态热传导仿真模型，主要建模假设与参数包括：
- 热源模型：采用双椭圆热源模型模拟MIG电弧的热输入分布，前椭圆与后椭圆的长半轴与短半轴分别对应电弧前方的热前区与后方的热尾区。
- 材料属性：采用温度相关的导热系数、比热容与密度，反映金属在加热与冷却过程中的物性变化。
- 边界条件：对流散热与辐射散热边界条件，考虑环境温度与表面发射率。
- 网格划分：采用八节点六面体单元，在熔池区域进行网格加密以提高计算精度。
温度场分布特征
仿真结果表明：
- 高温区域随层数增加而扩大：随着熔覆层数的增加，累积热输入导致工件整体温度水平升高，高温区域（>200°C）的范围逐渐扩大。这一现象在工程实践中表现为多层堆焊时后续层次的预热效应。
- 层间停留时间对高温区域的影响：在保持其他参数不变的情况下，增加层间停留时间可使高温区域显著减小。层间停留时间越长，散热越充分，下一层焊接时的初始温度越低。
- 温度梯度分布：熔池前沿的温度梯度最大，是焊接裂纹与变形的主要驱动因素。层间停留时间的增加有助于降低熔池前沿的温度梯度，从而减小焊接残余应力与变形。
模型验证
文献采用红外测温仪实测增材制造过程的热循环曲线，与仿真结果进行对比。结果表明，模拟结果与实测结果吻合良好，验证了仿真模型的准确性与可靠性。这一验证过程对于工程应用而言至关重要——未经实测验证的仿真模型在工程决策中的可信度有限。
层间停留时间的工艺优化
层间停留时间是WAAM工艺中的关键工艺参数，其设定直接影响以下方面：
| 影响维度 | 停留时间过短 | 停留时间适中 | 停留时间过长 |
|---|---|---|---|
| 热输入累积 | 热输入累积严重 | 热输入可控 | 热输入控制良好 |
| 层间结合质量 | 冶金结合良好 | 冶金结合良好 | 可能影响层间结合 |
| 残余应力 | 残余应力大 | 残余应力适中 | 残余应力较小 |
| 变形量 | 变形大 | 变形适中 | 变形较小 |
| 生产效率 | 效率高 | 效率适中 | 效率低 |
| 晶粒组织 | 晶粒粗化严重 | 晶粒适中 | 晶粒较细 |
从FMEA的角度分析，层间停留时间设定不当的主要失效模式包括：
- 停留时间过短：热累积导致层间温度过高，晶粒粗化加剧，残余应力增大，可能产生热裂纹与层间开裂。
- 停留时间过长：层间温度过低，熔池与已沉积层的冶金结合不充分，产生未熔合或弱结合缺陷。
在钢管与管件制造中的应用前景
电弧增材制造在钢管与管件制造领域的潜在应用方向包括：
- 大型管件快速成型：对于非标管件（如特殊角度弯头、异形三通），传统锻造或冲压工艺难以实现，WAAM可通过逐层沉积实现复杂几何形状的快速制造。
- 管道修复与增材修复：对于在役管道的局部减薄或裂纹缺陷，可通过WAAM进行原位修复，避免整体更换管道的高昂成本。
- 异种金属过渡接头：在不锈钢管道与碳钢管道的连接处，可通过WAAM沉积过渡层，实现异种金属的冶金结合，避免焊接脆化与应力集中。
- 定制化管件原型制造：对于研发阶段的新型管件，WAAM可快速制造原型件进行性能验证，缩短研发周期。
学习心得与工程启示
该文献从温度场仿真的角度揭示了层间停留时间对WAAM工艺质量的影响规律，为WAAM工艺参数的优化提供了理论依据。从工程实践角度，温度场控制是WAAM工艺质量的核心——无论是层间结合质量、残余应力控制还是变形控制，本质上都是温度场控制问题。
从PDCA循环的角度审视，该文献的研究过程体现了完整的"计划-执行-检查-处理"闭环：建立仿真模型（计划）、进行仿真计算与实测（执行）、对比验证模型准确性（检查）、提出层间停留时间优化建议（处理）。这种系统化的研究方法对于工程技术人员具有重要的方法论借鉴价值。
从技术发展趋势看，WAAM正逐步从实验室研究走向工程应用，其在大型金属结构件制造领域的优势日益凸显。对于钢管与管件行业而言，WAAM可能成为传统锻造、冲压与焊接工艺的有益补充，特别是在非标管件制造与在役管道修复领域。然而，WAAM在钢管与管件领域的规模化应用仍面临诸多挑战，包括：表面质量与尺寸精度控制、残余应力与变形管理、材料性能各向异性、以及工艺标准与质量评定体系的建立等。
总体而言，该文献为WAAM温度场控制提供了有价值的研究基础，其仿真方法与分析思路对从事钢管与管件增材制造研究的同行具有积极的参考价值。随着WAAM技术的不断成熟与标准化，其在钢管与管件制造领域的应用前景值得期待。