基于响应面法的超级双相不锈钢CMT+P电弧增材制造工艺优化

Optimization of CMT+P wire and arc additive manufacturing process based on response surface methodology for super duplex stainless steel

摘要

采用响应面法的中心复合设计对双相不锈钢冷金属过渡与脉冲复合（cold metal transfer and pulse hybrid， CMT+P）电弧增材工艺进行优化，构建了送丝速度，移动速度及脉冲数量与增材件成形质量（沉积宽度、成形误差和奥氏体含量）之间的数学回归模型。通过方差分析、摄动图以及响应曲面研究了不同工艺参数对成形质量的影响规律。结果表明：沉积宽度和奥氏体含量随移动速度增加而减小，随送丝速度和脉冲数量增加而增加；增加送丝速度或移动速度，成形误差先减小后增大，脉冲数量的影响不显著，得到优化的工艺参数为：送丝速度为3.9 m/min，移动速度为5.5 mm/s，脉冲数量12个。

Abstract

The central composite design （CCD） of response surface methodology is used to optimize the cold metal transfer and pulse hybrid （CMT+P） wire arc additive forming process of duplex stainless steel. A mathematical regression model is constructed between the wire feeding speed， movement speed， pulse number and the forming quality （deposited width， forming error， and austenite content） of the deposited parts. The influence of different process parameters on forming quality is studied through variance analysis， perturbation plots and response surfaces. The results show that the deposited width and austenite content decrease with increasing moving speed， but increase with increasing wire feeding speed and pulse number； By increasing the wire feeding speed or moving speed， the forming error first decreases and then increases， and the impact of pulse number is not significant. The optimized process parameters are wire feeding speed of 3.9 m/min， moving speed of 5.5 mm/s， and pulse number of 12.

Graphical abstract

关键词

超级双相不锈钢 / 电弧增材制造 / 冷金属过渡 / 响应面优化

Key words

super duplex stainless steel / wire arc additive manufacturing / cold metal transfer / response surface optimization

超级双相不锈钢作为最新研发的一代铁素体/奥氏体双相不锈钢，具有更加优异的力学性能和耐腐蚀能力，适合用于在腐蚀性环境服役的设备上，成为海洋油气、海水淡化装置关键部件的首选材料^［1-2］。但是，这种优异的性能与微观组织中的铁素体/奥氏体两相含量相关联，容易受到加工工艺影响，传统铸锻工艺一体化成形，不同部位散热条件差异大易造成组织不均匀、两相比失衡以及有害二次相析出，导致产品的力学性能和耐腐蚀性能恶化，增加后处理又会提高加工成本，这些因素限制了双相不锈钢材料在实际工程领域的应用推广^［3-5］。

增材制造技术是一种基于离散-堆积原理，直接从三维CAD模型出发，采用材料逐渐累加方法制造实体零件的技术。其中电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技术由于设备简单，熔覆效率高，生产成本低，能够制造大尺寸、中等复杂程度部件，得到学术界和工业上的广泛关注^［6-7］。常用的电弧热源（如TIG、MIG等）热输入过高，直接用于双相不锈钢增材制造时，随着增材高度增加散热条件变差，逐层沉积的热量累积容易导致两相比失衡甚至塌陷。冷金属过渡与脉冲复合（cold metal transfer and pulse hybrid， CMT+P）技术将低热输入的CMT与高能量的脉冲集合，兼具CMT短路过渡工艺稳定、飞溅小和脉冲能量集中的特点^［8-9］。由于CMT阶段和脉冲阶段的电流、电压值差异，可以通过增减一个CMT+P周期的脉冲数量，实现热输入的灵活调控，从而获得成形质量良好的增材试样，保证双相不锈钢优异的性能和加工效率，降低生产成本，有广阔的市场前景和研究价值^［10］。

CMT+P电信号波形由两个阶段交替组成，包含多种工艺参数，这些参数之间的影响又不是完全独立，存在复杂的交互作用，使得选取最优的工艺组合十分困难，需要评估不同参数影响程度，重点对显著性因素进行优化。张志强等^［11］通过UNS S32750超级双相不锈钢单道CMT-P焊接实验，探究了保护气类型、焊接速度、送丝速度及CMT/P比值等工艺参数对焊缝成形质量的影响规律，采用优化的工艺参数制备出成形质量良好焊接接头。胡耀等^［12］通过二次通用旋转组合设计建立了2A97铝锂合金CMT+P焊接工艺参数与接头抗拉强度之间的关系，研究焊接电流和焊接速度对接头力学性能的影响。根据回归方程确定优化工艺参数范围，在该范围内焊缝成形良好。Fang等^［13］研究开发了一种在线采集增材制造过程中熔池图像的监测系统，结合短路阶段CMT+P的电流和强度信号采集和分析，研究了保护气流量对HCr20Ni10Mn7Mo不锈钢成形质量的影响。可以发现，关于CMT+P技术的研究多集中在焊接以及少量不锈钢增材上且缺乏系统分析，鲜有关于增材制造双相不锈钢的研究。

本工作以送丝速度、移动速度及脉冲数量为响应变量，基于响应面法的中心复合设计制定双相不锈钢CMT+P电弧增材制造工艺优化方案，通过方差分析表、摄动图以及响应曲面研究不同工艺参数下增材试样沉积宽度、成形误差和奥氏体含量变化规律，建立成形质量与工艺参数之间的回归模型，得到优化的双相不锈钢CMT+P电弧增材制造工艺参数，为后续研究增材双相不锈钢的组织、性能提供理论支撑。

1 实验材料与方法

实验用沉积材料为ER 2594双相不锈钢焊丝，直径为1.2 mm，基板为尺寸150 mm×50 mm×8 mm的SAF 2507双相不锈钢板，二者化学成分见表1。实验依托自主开发的增材加工系统开展，选用Fronius CMT TPS-2700焊机为电弧热源，进行送丝速度与脉冲数量调节，三轴数控实验台控制移动速度和方向。实验前用砂纸对基板表面进行打磨，并用酒精清洗，去除表面油污和杂质。

基于前期单道单层沉积实验结果^［11］，筛选出CMT+P电弧增材成形工艺中3个重要影响参数：送丝速度（WFS），移动速度（v），脉冲数量（P）作为优化参数，将沉积宽度（W）、成形误差（K）及奥氏体含量（A_c）作为响应值，表2为主要工艺参数与其编码水平。利用Design-Expert软件设计20组不同工艺参数的中心复合实验方案，见表3，其他参数设置为焊丝干伸长15 mm，纯度99.99% Ar作为保护气，流量18 L/min，焊枪沿“一”字路径往复运动，单次行程100 mm，每沉积一层焊枪抬升2 mm，等待自然冷却到100 ℃以下时反方向移动进行下一道沉积，如此交替直到完成全部增材实验，工作原理如图1所示。

在实验完成后，在壁体中部和距离两端各20 mm处分别取样用游标卡尺测量壁厚，取平均值作为沉积宽度。使用线切割从沉积壁中部垂直于移动方向截取10 mm宽试样，图2（a）为采用CMT+P工艺电弧增材制造双相不锈钢薄壁试样的横截面典型宏观形貌。从横截面形貌提取出截面轮廓线条，如图2（b）所示，使用Get-Data软件进行像素模糊处理转化为坐标数据，将稳定成形区域轮廓数据带入Origin软件中用式（1）计算成形误差。

K=\frac{\mathrm{1}}{n}{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n(L_i-L)（1）

式中：K为成形精度；n为取样个数；L_i 为试样截面不同取样位置实际宽度值；L为试样截面最小宽度值。

根据体视学互换原理，测量和计算某一物相的面积分数等于该物相的体积分数^［14-15］。镜面抛光的双相不锈钢增材试样经Beraha溶液（30 mL HCl+60 mL H₂O+1 g K₂S₂O₅）蚀刻8~10 s后，采用光学显微镜在500倍下拍摄金相形貌，每组工艺参数试样至少采集10张相同倍数金相图像。采用Image-pro软件对金相图进行处理，包括灰度转化、二值化、奥氏体相提取和面积分数计算。图3为处理前后增材双相不锈钢金相图，图3（a）中白色区域即为奥氏体相。计算测得的奥氏体相所占面积分数即为该区域的奥氏体含量，多次统计取平均值以减小随机误差。最后对实验结果进行统计，利用Design-Expert软件进行分析，研究工艺参数对成形质量的影响规律，建立二者之间数学回归预测模型，根据设置的优化目标得到相对最优的参数组合。

2 结果与分析

2.1 数学模型建立与方差分析

利用Design-Expert软件对表3中的响应值结果进行函数拟合，构建沉积宽度、成形误差以及奥氏体含量的数学模型。

通过方差分析（ANOVA）对增材件尺寸及成形质量模型中的影响因素进行分析（置信水平为95%）。在方差分析表中，主要通过模型参数组合（M）及其失拟项（lack of fit）的显著性，信噪比（adequate precision）的大小来判别所构建数学模型可行性。p-value小于0.05代表模型显著，具有统计意义，信噪比值大于4且失拟项不显著时认为该模型正确可行，回归方程拟合性好。另外模型和实验的相关性R²值越接近1代表该模型相关性越好，F-value越大说明模型中考察因素对结果的影响越显著^［16-17］。具体结果如表4~6所示，表中sum of squares为平方和、DF为自由度、mean square为均方值。

从表4可以看出，沉积宽度模型的p值（<0.0001）小于0.05，故模型显著，具有统计学意义，失拟度（lack of fit）值为4.58，结果为不显著，说明模型可靠。且拟合回归方程的相关系数R²值为0.9648比较接近于1，以上分析表明模型的拟合方程可以接受。其中，送丝速度（A）和移动速度（B）对沉积宽度的影响均比较显著，且影响程度接近，其次是脉冲个数（C）、二阶移动速度（B²）和二阶脉冲个数（C²），影响沉积宽度的工艺参数权重次序为：B>A>C，交互项AB、AC、BC以及二阶送丝速度（A²）对沉积宽度的影响不显著。因此在模型中需要消除来保证预测精度，推导出的沉积宽度W的响应回归预测方程如式（2），式中系数保留到小数点后四位。

W=\mathrm{7.5862}+\mathrm{1.2127}A+\mathrm{1.8498}B+\mathrm{0.2025}C+\mathrm{0.1618}{B}^{\mathrm{2}}-\mathrm{0.9025}{E}^{-\mathrm{2}}{C}^{\mathrm{2}}（2）

同理，对成形误差和奥氏体含量的回归模型进行方差分析，结果表明两个模型也显著。进一步对其中的影响因素分析，由成形误差方差分析表（表5）发现，送丝速度和移动速度的交互项AB对成形误差的影响高度显著，其次是二阶送丝速度和二阶移动速度，而送丝速度、移动速度和脉冲个数的P值分别为0.1340、0.4037、0.7276，但模型失拟项不显著，信噪比为9.5829，R²值为0.9047，说明模型的预测程度同样可接受，得到成形误差的响应回归方程如式（3）：

K=\mathrm{0.1157}-\mathrm{0.3507}A+\mathrm{0.2271}B+\mathrm{0.0234}C-\mathrm{0.1023}AB+\mathrm{0.1269}{A}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.0179}{B}^{\mathrm{2}}（3）

从表6中对奥氏体含量的方差分析可知，工艺参数与奥氏体含量满足线性回归模型，脉冲数量和移动速度的影响较显著，作用相反，送丝速度影响最小，对奥氏体含量的影响程度大小依次为：C>B>A，奥氏体含量的响应回归预测如式（4）：

A_{\mathrm{c}}=\mathrm{46.3034}+\mathrm{1.0235}A-\mathrm{1.2117}B+\mathrm{0.5276}C（4）

2.2 工艺参数对响应值的影响

成形误差直接影响了增材件表面质量及后续机械处理的加工余量，结合沉积宽度和成形误差预测模型可以由设计尺寸得到需要的沉积宽度，从而选择相应的工艺参数，提高了材料利用率，降低加工时间和成本。因此除了衡量增材制造不同工艺参数对响应值（沉积宽度、成形误差、奥氏体含量）影响的显著性，还要分析不同工艺参数与响应值直接具体的作用规律。响应面分析中常用摄动图来描述工艺参数偏离设计中心点时对应的响应量变化规律，横坐标即表示偏离中心点程度；三维响应曲面图来研究不同工艺参数之间两两交互作用对于响应值的影响^［18］。

2.2.1 工艺参数对沉积宽度的影响

工艺参数对沉积宽度变化规律的影响如图4所示。由图可以看出，随着送丝速度的增加，薄壁试样的沉积宽度逐渐增加。主要有两方面原因，一是在使用的CMT焊机中增加送丝速度，电流电压值也随之上升，根据式（5）的热输入计算方法可知总的热输入增加，延长了液态金属流动时间，熔池更易铺展；同时增加送丝速度还导致单位时间熔覆金属量变多，相同移动距离下熔池宽度变大，冷却后沉积宽度也就越大。

E=\eta \frac{UI}{v}（5）

式中：E为单位热输入；U为电压；I为电流；v为移动速度；η为热转化率。

虽然增加脉冲个数提高了热输入，但是造成沉积宽度增加，但过了中心点之后增加趋势减缓，这是由于热输入大于进丝量熔化需要的热量，持续地高热输入造成熔池中热量累积，加上脉冲的扰动影响，熔池充分扩展到底部沉积层宽度后无法支撑熔池发生流淌现象，而底部沉积层受进丝量和基板散热条件作用，宽度增加到一定程度时，熔池边缘冷却凝固不再继续向外流动。因此增加脉冲个数，宽度的增加幅度逐渐降低，最终保持不变。对于移动速度而言，沉积宽度随其增加而减小，即对沉积宽度起到负作用。这主要是因为增加移动速度，单位热输入和熔覆金属量均降低，熔池尺寸减小，同时冷却速度加快，未能充分铺展就凝固，沉积形貌窄而高。不连续沉积层宏观形貌如图5所示，从图中可见，特别当总的热输入较低时，过大的移动速度将导致沉积不连续，出现“驼峰”现象（图5（b））。

图6为送丝速度和移动速度对沉积宽度交互作用的响应曲面图，由图可以看出随着送丝速度的增加或移动速度的减小，沉积宽度增加，高送丝速度和低移动速度相结合有助于获得较大的沉积宽度。这主要是因为提高送丝速度时，总的热输入增加，而低的移动速度进一步提高了单位热输入，单位时间进入熔池的熔覆金属量增加，且有足够的热输入对其进行熔化，熔池体积增大铺展情况改善，造成增材试样沉积宽度增加。

2.2.2 工艺参数对成形误差的影响

图7为工艺参数对成形误差变化规律的影响，从图中可以看出，随着送丝速度和移动速度增加，增材试样的成形误差均先减小后增大，但影响机理却不相同。随着送丝速度增加，升高的电流电压给熔池注入更多的热量，导致已沉积层顶端重熔区增大，提高搭接率，由于沉积层顶部轮廓为弧形，熔合线对于弦长增大，即式（1）中L增加成形误差减小。继续增加送丝速度，同对沉积宽度影响一样，增加熔融金属量，延长液态熔池持续时间，容易发生壁面流淌，L_i 增大成形误差增大，表面成形质量恶化。

增加移动速度，单位热输入降低，微熔池体积减小，需要的冷却时间缩短，熔池未充分铺展就凝固，窄而高的沉积层侧壁面曲率半径增大，成形误差减小。移动速度继续增加，过窄的沉积宽度无法提供稳定支撑，后续沉积层中轴线发生倾斜，增大了成形误差。随着脉冲数量增加成形误差略有减小，变化幅度不是很大，与方差分析结果一致，脉冲数量的P值（0.7276）远大于0.05，影响不显著。增加脉冲数量虽然能提高热输入，造成沉积宽度增加，但在送丝速度、移动速度不变的情况下，微熔池体积一定，液态金属表面张力使得沉积层表面弧度维持在一个小的波动范围，而更多热量传到已沉积层发生重熔，改善了搭接区的台阶效应。

图8为移动速度和送丝速度对成形误差交互作用的响应面图，在送丝速度为3 m/mim时，随着移动速度的增加成形误差变大，而在送丝速度为5 m/mim时，随着移动速度的增加成形误差变小。同样的，移动速度为4 mm/s时，成形误差随着送丝速度的增加变大，而当移动速度为8 mm/s，成形误差变化趋势与之相反。这是因为就局部沉积区域而言移动速度和送丝速度对成形误差的影响作用相反，即送丝速度增大熔融金属和热输入都增大，移动速度增大相对于单位长度熔融金属量和热输入都减小，说明送丝速度和移动速度应匹配，同增同减，任一工艺参数过大或过小均会造成沉积过程不稳定。

2.2.3 工艺参数对奥氏体含量的影响

不同工艺参数组合下增材试样微观形貌如图9所示，编号与实验序号一致。结合金相图与工艺参数对奥氏体含量变化的影响（图10）可以看出，送丝速度和脉冲数量对奥氏体含量起正作用，而移动速度增加起负作用，即奥氏体含量随送丝速度和脉冲数量增加而增加，随移动速度增加而减少。同时可以发现，奥氏体含量随脉冲数量变化更显著，符合表6方差分析结果。这是因为ER 2594焊丝属于超级双相不锈钢，凝固后的组织完全为δ-铁素体相，当温度低于铁素体固溶线后奥氏体才形核析出，奥氏体含量主要由热输入和冷却速率决定。

采用自然冷却并控制层间温度小于100 ℃，所以奥氏体含量主要受热输入影响，如前文所讲，增加送丝速度和脉冲数量提高了电流、电压，虽然都能提高热输入，但是增加送丝速度导致更多的进丝量，会消耗一部分热量用于熔化丝材，注入熔池的能量降低。增材制造的工艺特点使得电弧接触到的位置丝材和部分已沉积层熔化形成微熔池，电弧移动后熔池快速冷却完成逐层沉积。移动速度增大，电弧在任一位置停留时间缩短，根据式（5）增加移动速度单位热输入降低，熔池体积减小，同时对已沉积层热影响区减小，热循环峰值温度降低，重熔区温度梯度增大，这些因素都导致沉积层高温持续时间缩短，奥氏体相转变不充分，成形件中奥氏体含量降低。

移动速度和脉冲数量交互作用对奥氏体含量影响的响应面见图11，由图可见奥氏体含量随移动速度增加而减少，随脉冲数量增加而增加，即两者作用相反，响应曲面出现一角高一角低的形貌。脉冲的影响更显著，两者无交互作用，符合方差分析表和摄动图分析结果。不同于激光、电子束等高能量密度热源极快的加热和冷却速率导致过量铁素体形成，电弧热源由于高温的电弧光斑接触面积大，逐层沉积时在构建方向对材料多次再加热，发生复杂热循环，高度增加，散热条件变差，冷却速率降低，组织中会析出过量奥氏体，其中一部分为二次奥氏体，高热输入还会导致元素烧损，这些都会使得耐点蚀性能变差。因此调节热输入，控制双相不锈钢微观组织均衡的铁素体/奥氏体比例是保证优异性能的前提。

2.3 工艺参数优化与验证

在验证模型的可靠性，并分析了各响应变量对响应值的影响规律之后，对增材工艺参数进行优化。基于预实验和本文响应面实验的结果，工艺参数在优化范围内选取均能稳定成形，无塌陷、熄弧，利用Design-Expert软件进行多目标优化，送丝速度、移动速度及脉冲数量设为in range，为了提高成形质量和材料有效利用率，成形误差设置为minimize，奥氏体含量设为target 50%，得到30组工艺参数。按照提高加工效率，减少增材过程热输入对微观组织影响的原则，筛选出移动速度快、脉冲数值小的组合方案，得到优化工艺参数：送丝速度为3.9 m/min，移动速度为5.5 mm/s，一个周期脉冲数量12个，预测沉积宽度为7.29 mm，成形误差0.2552 mm，奥氏体含量49.9%。按照优化的工艺参数进行验证增材实验，得到单道八层增材薄壁件如图12所示，其沉积宽度为7.64 mm，成形误差为0.2957 mm，奥氏体含量为52.2%，预测的相对误差分别为4.58%、13.69%、4.41%，说明响应面分析得到的回归模型具有较高的预测精度。

3 结论

（1）优化得到工艺参数组合为送丝速度为3.9 m/min，移动速度为5.5 mm/s，脉冲数量12个，并进行了实验验证，结果表明，预测的沉积宽度，成形误差和奥氏体含量与实验测量值的误差分别为4.58%、13.69%和4.41%。

（2）CMT+P电弧增材制造工艺参数对双相不锈钢成形件尺寸和质量的影响显著性不同，其中对沉积宽度的影响显著性顺序为移动速度>送丝速度>脉冲数量；工艺参数对成形误差的影响从大到小依次为送丝速度、移动速度和脉冲数量；工艺参数对奥氏体含量的影响显著性为脉冲数量>移动速度>送丝速度。

（3）增大送丝速度与和脉冲数量，沉积宽度均增加，增大移动速度则反之，特别随着脉冲个数增多宽度增加趋势减缓；提高送丝速度或移动速度，成形误差先减小后增大，而脉冲起到负作用，成形误差即随着脉冲增大而减小；提高送丝速度或脉冲数量奥氏体含量持续增加，脉冲数量对奥氏体含量变化的影响更显著，改变移动速度的影响与之相反。

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基金资助

天津市自然科学基金(22JCYBJC01280)

中央高校基本科研业务费自然科学重点项目(3122023039)

国家自然科学基金(51905536)

中国民航大学研究生科研创新项目(2022YJS034)