在不同沉积路径下采用冷金属过渡电弧增材制造技术制备了H13钢成形件，基于热-弹塑性有限元法对成形件的热历程进行了分析，并通过试验研究了成形件的显微组织和硬度。结果表明：同向和双向路径沉积得到5层单道和单层5道成形件的热历程基本一致，双向沉积5层单道成形件第3层中间点的峰值温度远高于双向沉积单层5道成形件第3道中间点，5层单道成形件的热累积效应更明显；5层单道成形件的板条状马氏体组织比单层5道成形件的粗大；同向沉积5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积成形件，同向沉积和双向沉积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5层单道成形件的平均硬度略低于单层5道成形件。

1 试样制备与试验方法

     基板和填充焊丝材料均为H13模具钢，焊丝直径为1.2mm。沉积前用角磨机打磨基板表面，除去表面氧化层。采用机器人辅助冷金属过渡焊接技术进行电弧增材制造，其中焊枪固定在6轴 ABB IRB1600型机器人上，按照同向和双向路径分别沉积5层单道和单层5道成形件，具体沉积路径如图1所示。

      在沉积过程中，用热电偶温度数据记录仪对图2中黑点所示位置的热循环温度进行实时采集，测温范围为0~1200℃。

      使用线切割方法在成形件中图3所示的A~F位置上截取金相试样，其中A~C取样位置为5层单道中第2层，D~F取样位置为单层5道中第2道，图中箭头表示相应位置的热量传导方向。金相试样经研磨、抛光处理，用CuSO4、HCl、H2O溶液腐蚀后，采用扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。用数字显微硬度计对成形件焊道中心线的显微硬度进行测试，相邻测试点间隔为1mm，载荷为1.98N，保载时间为10s。

2 有限元模拟

      采用ABAQUS有限元分析软件对不同路径下的沉积过程进行热-弹塑性有限元分析，以热力顺序耦合的方法对沉积过程的热循环进行模拟。由于在沉积过程中热源具有瞬时性和集中性，导致沉积层及热影响区存在较高的温度和应力梯度，因此在沉积层及其附近采用加密网格，网格的最小尺寸为0.6mm。5层单道模型的单元总数为16728，节点总数为20461；单层5道模型的单元总数为31116，节点总数为35440，有限元模型的具体网格划分如图4所示。计算中采用DC3D8线性传热单元对温度场进行模拟，在模型中基板底部3点设置位移约束。

3 结果与讨论

3.1 热循环温度

      由图5可以看出：5层单道和单层5道双向成形件基板测温点的测量结果与模拟结果基本吻合，相对误差小于10%，在试验过程中因基板与卡具间存在热交换，导致温度模拟结果略高于测量结果；在5层单道沉积过程中，随着沉积层高度的增加，热源与基板间的距离变大，热量主要通过空气传导，热量散失速率慢，因此测量点的热积累效应明显，温度有明显上升的趋势；在单层5道沉积时，热源与基板直接接触，热量散失速率快，热积累效应不明显，温度上升趋势缓慢，随着沉积过程的进行，热积累导致温度趋于稳定。

     由图6可以看出：模拟得到双向沉积时第1层(道)起弧点的热循环曲线略高于同向沉积时，这是由于同向沉积时焊枪返回起弧点的过程有助于成形件的散热所致；2种沉积路径下，第1层(道)起弧点处的热循环曲线趋势相同，均有5个温度峰值，其中第1,3,5个峰值温度基本重合。第2,4层双向沉积时，热源与前一层的运动方向相反，第1层(道)起弧点在沉积奇数层后的冷却时间变长，导致沉积偶数层时该点的峰值温度滞后于同向沉积时的峰值温度。双向沉积第4层(道)和第5层(道)相当于对第3层(道)中间点进行再加热。由图7可以看出，双向沉积5层单道第3层中间点的峰值温度远大于双向沉积单层5道第3道中间点的峰值温度，该现象说明5层单道成形件中的热累积效应比单层5道成形件更明显。

3.2 显微组织

     由图8和图9可以看出，成形件的显微组织主要为致密板条状马氏体(M)，5层单道成形件中间位置(位置B)处存在长条块状铁素体(F)。电弧的

能量分布随着偏离熔池中心距离增加呈指数衰减，单道电弧的中心温度远远高于边界位置，热量从熔池中心向边缘扩散，导致熔池中存在较大的温度梯度，因此马氏体的生长方向主要与温度梯度方向一致。沉积层中不同位置的温度梯度方向不同，马氏体的生长方向也显著不同。2种沉积路径下的热输入相同，所以成形件的显微组织基本相同。由于5层单道成形件的中间点的峰值温度高于单层5道成形件的峰值温度，即5层单道成形件在沉积过程中经历的平均温度更高，因此其马氏体组织较粗大。

3.3 硬度

     由图10可知，同向沉积5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积5层单道成形件，其平均硬度分别为435，419HV。结合热循环曲线分析，可能是因为双向沉积过程中的热积累更严重，造成成形件组织中铁素体含量增加，因此双向沉积5层单道成形件的平均硬度较低。同向沉积和双向沉积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，平均硬度分别为442，441HV。与单层5道成形件相比，5层单道成形件的平均硬度略低，这与5层单道成形件组织中存在的硬度较低的大尺寸铁素体有关。

4 结论

     (1) 同向和双向路径沉积得到5层单道和单层5道成形件的热历程基本一致，热循环曲线变化规律相似；双向沉积第1层(道)起弧点的温度略高于

同向沉积，双向沉积5层单道成形件第3层中间点的峰值温度远高于双向沉积单层5道成形件第3道中间点，5层单道成形件中的热累积效应更明显。

      (2) 2种路径沉积得到的5层单道和单层5道成形件的显微组织均主要为致密的板条状马氏体，但5层单道成形件的马氏体组织较粗大；在温度梯度的影响下，成形件不同区域的马氏体生长方向不同。

     (3) 同向沉积5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积5层单道成形件，同向沉积和双向沉积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5层单道成形件的平均硬度略低于单层5道成形件，这与组织中存在的硬度较低的大尺寸铁素体有关。