振荡参数对振荡电弧送丝增材修复过程稳定性及成形的影响

《Vacuum》：Effect of oscillating parameters on process stability and formation in oscillating arc wire-fed additive repair

　　

摘要

为实现核电部件局部修复的稳定沉积和可控制成型，本研究开展了振荡气体钨极电弧（O-GTA）送丝增材修复试验。以Q235钢板作为基板，MG-S88A高强度钢丝作为填充材料。通过单道单层试验，评估了振荡幅度（L）、振荡频率（f）和两侧驻留时间（t_s）对工艺稳定性和沉积层形貌的影响。在L = 20 mm、f = 0.80 Hz、t_s = 0.20 s（工况g）条件下，U–I工作点最为集中，液滴脱开直径为2.3 mm，过渡频率达到10 Hz，瞬时弧压降分布均匀。与传统GTA相比，工况g将焊道宽度从10.8 mm增加至19.8 mm，熔深从3.5 mm减小至2.0 mm，形成更宽更浅的沉积层。将L从15 mm增加到25 mm，沉积层从窄深型变为宽浅型，宽度增加9.62 mm，熔深减小2.12 mm。振荡频率主要控制液滴运动速度和惯性扰动，而驻留时间则通过端点热效应和缩颈条件调节液滴尺寸和过渡稳定性。这些结果支持工艺控制和成型优化。

引言

在清洁能源转型的背景下，核能已成为确保能源安全和优化能源结构的重要选择。这得益于其低碳排放、高能量密度和稳定供电等优势[1]。核电设备的关键部件在复杂条件下长期运行，如高温、高压、腐蚀和辐照环境。其表面和近表面区域容易出现裂纹、磨损、侵蚀和腐蚀。这些缺陷直接影响结构完整性和运行安全。近年来，增材修复技术因能够在待修复核电部件表面重新制造新的承压层而受到广泛关注[2]。与传统更换相比，增材修复具有材料利用率高[3]、热影响区可控[4]、成型灵活[5]以及适合局部原位修复等特点。增材修复还可以降低维护成本并缩短维护周期。因此，其在核电关键部件局部修复领域具有潜在应用价值。

为满足核电部件局部修复的需求，基于激光、电子束和电弧热源的增材修复技术已被广泛研究并取得显著进展。Kang等人[6]采用激光定向能量沉积技术制造了核电安全一级阀门部件。通过室温及高温拉伸试验、疲劳试验和射线检测验证了该方法在制造复杂核电级阀体方面的工程可行性。Wahlmann等人[7]采用送丝电子束沉积技术在反应堆压力容器钢上制备了多层镍基合金和不锈钢堆焊层。研究发现，较高的稀释率影响析出相的形成，但镍基沉积层仍显示出清晰的熔合线且无界面马氏体。这表明该方法有利于制备具有良好抗剥落性能的堆焊层。相比之下，基于电弧的增材修复具有设备成本低[8]、热输入灵活可控[9]、沉积效率高[10]以及现场修复适应性强[11]等优势。Dinovitzer等人[12]以304不锈钢为基板，采用镍基高温合金丝进行了电弧增材制造试验，研究了工艺参数对沉积层几何形状的影响。电弧电流、送丝速度和移动速度改变了层宽、层高和成型稳定性，其中移动速度和电流的影响最为显著。此外，Geng等人[13]研究了铝合金的气体钨极电弧（GTA）增材工艺。他们发现，当送丝角度从10°增加到20°时，初始偏置从0.8 mm增加到4.6 mm。这表明送丝参数对成型精度和表面质量有显著影响。Xiong等人[14]采用金属惰性气体电弧增材制造工艺，以H08Mn2Si焊丝在Q235B基板上制造薄壁部件，研究了送丝距离、送丝速度和移动速度对沉积层成型的影响。其试验结果表明，最大倾斜角随移动速度增加而增大，随送丝速度增加而减小。如现有文献总结[15]所述，热输入和工艺条件对沉积层几何形状、宏观成型行为、微观组织演变和工艺稳定性具有显著影响。Corradi等人[16]将磁控电弧振荡引入基于GTA的增材制造工艺，研究了在低碳钢和Ti6Al4V单道多层薄壁沉积过程中振荡频率和振荡模式对沉积几何形状和工艺稳定性的影响。其结果表明，振荡电弧缓解了熔池溢出，产生了更薄的壁件，改善了沿壁长方向的物料分布均匀性，甚至在某些条件下提高了沉积效率。此外，Qiu等人[17]在哈氏合金C276电弧增材制造过程中采用了5 Hz、10 Hz和20 Hz的振荡频率。其监测结果表明，振荡电弧调节了熔池形貌，缩短了凝固时间，从而提高了沉积层的表面精度。这些发现表明，振荡电弧有助于改善沉积物的表面质量。Tu等人[18]对2 mm厚的Inconel 718/316L异种薄板进行了振荡气体钨极电弧（O-GTA）焊接。与传统GTA焊接相比，振荡电弧工艺将未混合区面积从2.0 mm²减小至0.9 mm²，焊区面积从9 mm²扩大至14 mm²。所得O-GTA接头最大抗拉强度达694 MPa，延伸率为27%，表明振荡电弧焊接能够抑制元素偏析并提高接头力学性能。Xie等人[19]采用ER5356焊丝对7A52铝合金研究了O-GTA焊接工艺参数对电弧行为和焊道成型的影响。根据他们的结果，当振荡速度升至0.04 rad/s时，弧根漂移0.10 mm。在振荡角度为1.9°时，焊道形状系数达到3.11，而将钨极高度提高到5 mm则加剧了电弧偏转并损害工艺稳定性。然而，上述研究尚未考虑液滴过渡的影响，尽管它们初步揭示了振荡电弧工艺参数对电弧行为和焊道成型的影响。

已有报道指出，振荡电弧运动影响焊接和电弧增材制造中的电弧稳定性和沉积行为[20]、[21]，但大多数以往研究侧重于焊道成型、薄壁沉积或结构制造[22]。与自由成形增材制造不同，增材修复工艺是在现有基板上沉积材料以恢复局部区域。定向能量沉积已应用于部件修复、铸件修复和原位再制造[2]、[4]、[11]。在核电领域，定向能量沉积和堆焊技术也已被研究用于安全级部件和反应堆压力容器钢[6]、[7]。受核电关键部件局部修复需求的驱动，本研究开展了实验室规模的、以工艺为核心的O-GTA送丝增材修复试验，以Q235钢板作为简化的替代修复基板，MG-S88A丝作为送丝材料。在大气压下采用局部氩气保护，产生单道单层焊道。在沉积过程中，焊枪沿垂直于修复方向进行周期性摆动往复运动。实验矩阵旨在量化振荡幅度、振荡频率和驻留时间对电压-电流响应、工艺稳定性、液滴过渡、宏观焊道几何形状和表面形貌的影响。预期结果将为沉积层成型控制、工艺参数优化以及O-GTA送丝增材修复工艺的进一步发展提供工艺依据，用于核电关键部件的局部修复。

章节摘要

材料与方法

采用尺寸为200 mm×100 mm×5 mm的Q235钢板作为基板材料进行模拟电弧增材修复试验。使用直径为1.2 mm的MG-S88A高强度钢丝作为消耗填充材料。O-GTA送丝增材修复系统的整体配置如图1所示。在所有增材修复试验中，电弧电流固定为210 A。这些试验在开放实验室的大气环境中进行。

电弧振荡参数对工艺稳定性的影响

采用电弧电压-电流（U-I）工作点的离散程度来定量评估增材修复工艺的稳定性。图3展示了所有试验工况下U-I特征点的分布。可以观察到，工况a、b和f的数据离散程度存在明显差异。在振荡幅度L=15 mm的工况a中，测量点沿电压方向延伸，电压主要在12.4 V至16.4 V之间波动。

讨论

为揭示振荡幅度、振荡频率和双侧驻留时间对O-GTA送丝增材沉积过程中液滴过渡行为和沉积层成型的影响，本研究系统分析了液滴脱开前的动态运动。以丝端生长的液滴作为定量表征的研究对象。在振荡平面内建立了二维坐标系来分解分析。

结论

本研究聚焦于以Q235钢板为基板、MG-S88A焊丝为填充材料的O-GTA送丝增材修复工艺。研究了包括振荡幅度、振荡频率和双侧驻留时间在内的不同电弧振荡参数对沉积工艺稳定性、液滴过渡和沉积形貌的影响。在本研究的实验条件下，主要结论如下：

• 1.
  电弧振荡参数对工艺稳定

CRediT作者贡献声明

付睿：撰写——初稿，数据整理。刘艳：软件。谢伟锋：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。

数据可用性

数据可在申请后提供。

资金来源

本研究得到国家自然科学基金的资助（批准号：51705072）。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能会影响本文所报告的工作。

付睿|谢伟锋|刘艳

东北电力大学机械工程学院，吉林 132012，中国