在不同沉積路徑下采用冷金屬過渡電弧增材制造技術制備了H13鋼成形件，基于熱-彈塑性有限元法對成形件的熱歷程進行了分析，并通過試驗研究了成形件的顯微組織和硬度。結果表明：同向和雙向路徑沉積得到5層單道和單層5道成形件的熱歷程基本一致，雙向沉積5層單道成形件第3層中間點的峰值溫度遠高于雙向沉積單層5道成形件第3道中間點，5層單道成形件的熱累積效應更明顯；5層單道成形件的板條狀馬氏體組織比單層5道成形件的粗大；同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積成形件，同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5層單道成形件的平均硬度略低于單層5道成形件。

1 試樣制備與試驗方法

     基板和填充焊絲材料均為H13模具鋼，焊絲直徑為1.2mm。沉積前用角磨機打磨基板表面，除去表面氧化層。采用機器人輔助冷金屬過渡焊接技術進行電弧增材制造，其中焊槍固定在6軸 ABB IRB1600型機器人上，按照同向和雙向路徑分別沉積5層單道和單層5道成形件，具體沉積路徑如圖1所示。

      在沉積過程中，用熱電偶溫度數據記錄儀對圖2中黑點所示位置的熱循環溫度進行實時采集，測溫范圍為0~1200℃。

      使用線切割方法在成形件中圖3所示的A~F位置上截取金相試樣，其中A~C取樣位置為5層單道中第2層，D~F取樣位置為單層5道中第2道，圖中箭頭表示相應位置的熱量傳導方向。金相試樣經研磨、拋光處理，用CuSO4、HCl、H2O溶液腐蝕后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。用數字顯微硬度計對成形件焊道中心線的顯微硬度進行測試，相鄰測試點間隔為1mm，載荷為1.98N，保載時間為10s。

2 有限元模擬

      采用ABAQUS有限元分析軟件對不同路徑下的沉積過程進行熱-彈塑性有限元分析，以熱力順序耦合的方法對沉積過程的熱循環進行模擬。由于在沉積過程中熱源具有瞬時性和集中性，導致沉積層及熱影響區存在較高的溫度和應力梯度，因此在沉積層及其附近采用加密網格，網格的最小尺寸為0.6mm。5層單道模型的單元總數為16728，節點總數為20461；單層5道模型的單元總數為31116，節點總數為35440，有限元模型的具體網格劃分如圖4所示。計算中采用DC3D8線性傳熱單元對溫度場進行模擬，在模型中基板底部3點設置位移約束。

3 結果與討論

3.1 熱循環溫度

      由圖5可以看出：5層單道和單層5道雙向成形件基板測溫點的測量結果與模擬結果基本吻合，相對誤差小于10%，在試驗過程中因基板與卡具間存在熱交換，導致溫度模擬結果略高于測量結果；在5層單道沉積過程中，隨著沉積層高度的增加，熱源與基板間的距離變大，熱量主要通過空氣傳導，熱量散失速率慢，因此測量點的熱積累效應明顯，溫度有明顯上升的趨勢；在單層5道沉積時，熱源與基板直接接觸，熱量散失速率快，熱積累效應不明顯，溫度上升趨勢緩慢，隨著沉積過程的進行，熱積累導致溫度趨于穩定。

     由圖6可以看出：模擬得到雙向沉積時第1層(道)起弧點的熱循環曲線略高于同向沉積時，這是由于同向沉積時焊槍返回起弧點的過程有助于成形件的散熱所致；2種沉積路徑下，第1層(道)起弧點處的熱循環曲線趨勢相同，均有5個溫度峰值，其中第1,3,5個峰值溫度基本重合。第2,4層雙向沉積時，熱源與前一層的運動方向相反，第1層(道)起弧點在沉積奇數層后的冷卻時間變長，導致沉積偶數層時該點的峰值溫度滯后于同向沉積時的峰值溫度。雙向沉積第4層(道)和第5層(道)相當于對第3層(道)中間點進行再加熱。由圖7可以看出，雙向沉積5層單道第3層中間點的峰值溫度遠大于雙向沉積單層5道第3道中間點的峰值溫度，該現象說明5層單道成形件中的熱累積效應比單層5道成形件更明顯。

3.2 顯微組織

     由圖8和圖9可以看出，成形件的顯微組織主要為致密板條狀馬氏體(M)，5層單道成形件中間位置(位置B)處存在長條塊狀鐵素體(F)。電弧的

能量分布隨著偏離熔池中心距離增加呈指數衰減，單道電弧的中心溫度遠遠高于邊界位置，熱量從熔池中心向邊緣擴散，導致熔池中存在較大的溫度梯度，因此馬氏體的生長方向主要與溫度梯度方向一致。沉積層中不同位置的溫度梯度方向不同，馬氏體的生長方向也顯著不同。2種沉積路徑下的熱輸入相同，所以成形件的顯微組織基本相同。由于5層單道成形件的中間點的峰值溫度高于單層5道成形件的峰值溫度，即5層單道成形件在沉積過程中經歷的平均溫度更高，因此其馬氏體組織較粗大。

3.3 硬度

     由圖10可知，同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，其平均硬度分別為435，419HV。結合熱循環曲線分析，可能是因為雙向沉積過程中的熱積累更嚴重，造成成形件組織中鐵素體含量增加，因此雙向沉積5層單道成形件的平均硬度較低。同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，平均硬度分別為442，441HV。與單層5道成形件相比，5層單道成形件的平均硬度略低，這與5層單道成形件組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關。

4 結論

     (1) 同向和雙向路徑沉積得到5層單道和單層5道成形件的熱歷程基本一致，熱循環曲線變化規律相似；雙向沉積第1層(道)起弧點的溫度略高于

同向沉積，雙向沉積5層單道成形件第3層中間點的峰值溫度遠高于雙向沉積單層5道成形件第3道中間點，5層單道成形件中的熱累積效應更明顯。

      (2) 2種路徑沉積得到的5層單道和單層5道成形件的顯微組織均主要為致密的板條狀馬氏體，但5層單道成形件的馬氏體組織較粗大；在溫度梯度的影響下，成形件不同區域的馬氏體生長方向不同。

     (3) 同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5層單道成形件的平均硬度略低于單層5道成形件，這與組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關。