电弧增材制造技术(wire arc additive manufacture, WAAM)是增材制造技术[1]的一种，该技术利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊、钨极惰性气体保护焊以及等离子体焊等焊接设备产生的电弧为热源，通过丝材的添加，在数控程序的控制下，根据三维CAD数据模型由点-线-面-体逐层堆积成形出复杂零件[2-5]. 其具有设备简易、丝材熔敷率高、生产周期短、生产成本较低等明显优势.与普通的熔化极气体保护焊(如MIG和MAG)相比，冷金属过渡(cold metal transfer，CMT)焊接方法可以避免热输入大、变形大、飞溅难以避免等问题，焊接工艺性好，在金属材料的电弧增材制造领域具有很大应用空间[6-7].
随着社会的不断发展，为适应新时代社会的发展，要求学生全面提高素质能力，对学生增加了学业的压力，每个学校都以成绩制定门槛，只有取得好成绩，学生才能走进理想的大学，在严肃的教育下，无形地增加了学生的学习压力。与此同时，还有很多家长及教师，对自己的孩子以及学生有着更高的期盼，从而对青少年苛刻要求，使学生在心理上产生了极大的负担，使其不能灵活面对问题，长此以往，抑制了青少年发挥自身的个性特点，产生了影响学生成长的心理问题，例如抑郁、过度紧张等。
如何进一步优化电弧增材制造的工艺，明晰CMT电弧增材制造中组织的变化规律以及获得成形误差低的零件毛坯、降低后续加工成本具有重要意义. Williams等人[8]通过CMT冷金属过渡配合机器人焊接系统制备了长度大于2.5 m的沉积零件，极大地促进了CMT增材制造在大型构件上的应用. Kazanas等人[9]研究了ER70S-6焊丝CMT增材制造中焊枪倾斜度、送丝速度(wire feed speed，WFS)和焊接速度(travel speed，TS)的比值对成形有效宽度(effective wall thickness，EWT)的影响，解释了薄壁倾斜成形中熔池流动与成形之间的关系.Almeida等人[10]研究了Ti-6Al-4V焊丝CMT增材制造中送丝速度和焊接速度的比值对成形宽度与沉积有效率的影响，开发了CMT沉积Ti-6Al-4V的工艺模型，成形试样的沉积有效率在80%以上.因此，明晰工艺参数与成形精度之间的规律将会极大提高电弧增材制造技术的发展，扩大其应用领域.
测试系统软件以LabVIEW为开发平台，包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储和显示模块。系统测试软件流程图，如图4所示。
近年来，各地政府越来越重视乡村旅游的发展，规划特色民宿，展现出具有地域文化的乡村休闲旅游产品，是当前乡村旅游的重要发展方向。乡村旅游逐渐受到欢迎，游客在乡村旅游中通常会首选民宿作为住宿方式，这是游客对于个性化以及高品质住宿生活的消费升级体验。传统的农家乐已经无法满足人们的旅游需求，新型的乡村旅游民宿民俗迅速发展，展现了独特的旅游文化和民俗风情，是当前乡村旅游市场的主要发展方向。
文中主要分析了不同的焊接工艺参数下材料的表面成形精度、组织与性能关系，为CMT增材制造提供成形精度控制，组织演变等方面的理论支持.
试验的成形设备为焊接机器人成形系统，焊机采用Fronius公司的CMT Transpulse Synerigic 5000焊机. 所用焊丝牌号为H03Cr19Ni12Mo2Si (ER 316L)，焊丝直径为1.0 mm，焊丝化学成分如表1所示. 保护气体采用 97%Ar + 2%H2 + 1%CO2，气体流量为18 L/min.基板材料为316L不锈钢，尺寸为210 mm × 30 mm × 2 mm.
表1 ER316L焊丝的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of ER316L stainless steel
Si Ni Cr Mn P Mo S Cu Fe≤ 0.03 0.30 ～ 0.65 11.0 ～ 14.00 18.0 ～ 20.00 1.00 ～ 2.50 ≤ 0.03 2.00 ～ 3.00 ≤ 0.03 ≤ 0.75 余量C
试样成形采用“一”字形单向往复单道多层沉积，成形试样长190 mm，高度220 mm，成形试样如图1所示.在预试验的基础上设计了9组焊接参数，焊接参数如表2所示.从试样中部垂直堆焊方向截取金相试样，金相试样大小为长40 mm，宽10 mm，厚度为实际堆焊宽度，拉伸试样取成形试样中部位置，如图1. 拉伸试样长145 mm，宽度为31 mm，平行段长度为65 mm，宽度为16 mm.
图1 316L不锈钢CMT电弧增材制造成形试样
Fig. 1 316L stainless steel forming specimen arc additive manufactured by CMT
表2 316L不锈钢成形工艺参数
Table 2 Forming parameters of 316L stainless steel
编号 焊接电流I/A焊接速度vTS/(m·min-1)1 102 10.7 4.30 0.60 2 102 10.7 4.30 0.65 3 102 10.7 4.30 0.70 4 114 11.3 4.80 0.60 5 114 11.3 4.80 0.65 6 114 11.3 4.80 0.70 7 127 11.6 5.40 0.60 8 127 11.6 5.40 0.65 9 127 11.6 5.40 0.70电弧电压U/V送丝速度vWFS/(m·min-1)
金相试样经研磨、抛光后用维列拉腐蚀剂浸蚀，浸蚀时间为40 s. 用MR5000型光学显微镜和NANOSEM 450场发射扫描电子显微镜观察显微组织，并用EDS确定不同组织中元素变化及偏析情况.使用SVS3020 3Dvision采集成形试样轮廓，测量成形宽度以及侧面成形轮廓，对像素Getdata模糊处理后获取轮廓坐标，利用牛顿-莱布尼兹公式计算得出沉积有效率.
图2为不同成形工艺参数下CMT电弧增材制造316L不锈钢试样金相组织形貌.成形试样由γ-Fe和δ铁素体组织组成.δ铁素体生长方向基本平行于沉积方向，即热流方向；铁素体形貌有树枝状和蠕虫状两种，不同参数下的铁素体形貌与数量变化不大. 合金有沿沉积方向择优生长的柱状晶组成，液态金属凝固时，温度梯度G和生长速率R共同决定了凝固组织的形态以及尺寸，随着G(温度梯度)/R(生长速率)比值的减小，凝固方式主要由平面生长向枝晶生长转变.在较高的热输入下，G/R较小，熔池金属的凝固更倾向于枝晶生长. 此外，柱状晶的生长方向与沉积方向也即温度梯度方向基本一致，此为铁基合金和镍基合金增材制造常见组织特征. Kura等人[11]研究表明熔池凝固时，枝晶将以最接近温度梯度的方向凝固，而层层沉积时，热流方向主要沿沉积方向，所以枝晶的方向基本与沉积方向平行.
合金凝固时合金元素的比例以及温度梯度是影响凝固组织的主要方式. 在316L CMT电弧增材成形时，由于焊丝被瞬间加热熔化，并在已成形合金表面迅速凝固和冷却，其凝固组织与平衡凝固存在差异. 林鑫等人[12]的研究表明316L激光快速成形中γ奥氏体相优先形核.而Umeda等人[13]研究了Fe-Cr-Ni三元系合金的凝固特征，发现随着冷却速率的下降优先形核依次为γ胞状等轴晶，γ胞状等轴晶+δ柱状晶，δ柱状晶. 结合文中试验合金元素的比例以及根据Inoue等人[14]关于铁素体形成机制的研究，文中CMT电弧增材成形的316L试样组织的凝固方式是δ铁素体优先析出，这主要是因为CMT成形工艺具有较低的热输入，其电弧功率密度相对激光较小，成形中熔池内温度梯度较小，因此凝固过程中晶粒的生长速率低于激光成形. 此外，显微组织观察发现不同焊接工艺参数下的试样组织变化基本不大，这也说明了在整个焊接参数内熔池内晶粒生长速率变化也不大，这可能与CMT工艺的热源特性有关.
图2 不同成形工艺参数下CMT电弧增材制造316L不锈钢试样金相组织形貌
Fig. 2 Metallographic structure of 316L stainless steel specimen wire arc additive manufactured by CMT under different forming parameters
图3 CMT电弧增材制造316L不锈钢试样的EDS线扫描
Fig. 3 EDS line scanning of 316L stainless steel specimens wire arc additive manufactured by CMT
图3为CMT电弧增材制造316L不锈钢试样 的SEM照片与EDS线扫描结果. 结果表明，Cr元素主要富集在铁素体，Ni元素主要富集在奥氏体，此外也发现在成形试样基体上有少量直径小于5 μm的圆形夹杂物.
图4为成形试样的EDS元素能谱分析结果.Posch等人[15]在CMT单层堆焊G2293NL不锈钢时发现了4 μm以下的夹杂物，分析认为是Al-Si-O类复杂化合物. Marya等人[16]在激光增材制造316L时也发现了直径小于5 μm的圆形夹杂物，分析认为是亚微米级空隙.因此图4中观察到的小尺寸夹杂物一方面可能是焊接中的显微气孔，另一方面可能是形成的复杂化合物.
由表可见：1) 整体来看，No3轴承受力最大，No5轴承受力最小；2) 软件计算结果与实测值相差很小，最大误差仅3.2%，表明程序采用的力学计算模型合理，计算结果可靠。
图4 CMT电弧增材制造316L不锈钢试样的夹杂物的EDS分析(vWFS = 4.80 m/min, vTS = 0.6 m/min)
Fig. 4 EDS analysis of inclusions in 316L stainless steel specimens wire arc additive manufactured by CMT
图1所示为CMT沉积成形的试样.分别用试样宽度、侧面成形误差、沉积有效率三个参数来分析焊接电流、电弧电压、焊接速度和送丝速度与试样侧面成形精度的关系. 焊接热输入(Q)为
式中：U为电弧电压；I为焊接电流；K为焊接功率有效率；vTS为焊接速度；Li为不同位置成形试样截面实际宽度；L为成形试样截面最短宽度；n为取样样本个数；A为截面有效面积；S为截面面积；ƞ为沉积有效率；E为侧面成形误差. 不同参数下的K为常数.
图5所示为成形试样轮廓，成形试样放大后，由像素点矩阵形成的轮廓较为模糊，为得到与实际较为接近的试样表面轮廓，通过模糊处理像素，采集试样表面轮廓. 侧面成形误差(side forming error，Sfe)定义为最大外轮廓宽度与最小内轮廓之差的平均值，如式(2)所示，即误差越小，成形试样精度越高.试样宽度采用试样成形轮廓的平均宽度，式(3)为沉积有效率ƞ的定义，示意图如图6所示.
图5 成形试样轮廓
Fig. 5 Profile of forming sample
图6 成形试样有效率示意图
Fig. 6 Schematic diagram of efficiency of formed sample
图7所示为成形试样宽度、侧面成形误差、沉积有效率与热输入的关系. 当CMT电弧增材成形时，当焊接热输入相对较低而vWFS一定时，随着vTS的减小，即热输入的增加，成形试样的宽度逐渐增大，侧面误差逐渐减小，沉积有效率逐渐增大. 沉积有效率的变化与侧面成形误差的变化相反，如图7a. 当焊接热输入相对较高而vWFS一定时，随着vTS的减小即热输入的增加，成形试样的宽度逐渐增大，侧面成形误差逐渐增大，沉积有效率逐渐减小. 此时沉积有效率的变化与侧面成形误差的变化相反，如图7c.
农业水价改革事关农民减负增收和水管单位生存，也直接影响农业生产和水利事业的发展。自治区水利厅、物价局从减轻农民水费不合理负担问题出发，坚持逐步调整水价和加强水价管理并重、集中整治乱收费和健全管理制度并举的原则，逐步完善水价管理办法，规范灌区价格行为，实行“一价制”水价和“一票到户”收费政策，刹住了农业供水中间环节乱收费、乱摊派之风，使农民不合理水费负担明显减轻，赢得了农民群众和水管单位的一致好评。
危险源指在企业生产中存在的具有危害性的作业环境、设备因素、人员不规范作业行为、违章操作习惯等的统称。危险源识别则是对这些因素的实际情况进行分析，寻找其中可能带来安全隐患或造成安全事故的危险点。危险识别的目的在于查找危险因素，进而结合管理制度加强风险控制，以促进企业生产的规范化、科学化管理，避免出现安全事故，保障安全生产的顺利进行。
图7 成形试样宽度、侧面成形误差、沉积有效率与热输入的关系
Fig. 7 Relationship between the width, side forming error, deposition efficiency and heat input
当焊接热输入介于 1 800 ～ 2 200 J·K/m 之间而vWFS一定时，随着vTS的减小即热输入的增加，成形试样的宽度逐渐增大，侧面误差先减小后增大，沉积有效率先增大后减小，沉积有效率的变化与侧面成形误差的变化相反，如图7b.成形试样平均宽度最大为5.78 mm，侧面成形误差为0.55 mm.成形试样平均宽度最小为4.05 mm，侧面成形误差最小为0.22 mm.
当不同参数下的成形试样宽度变化越大，则沉积有效率变化越大；当不同参数下的成形试样宽度变化越小，则沉积有效率变化就越小，甚至没有变化.文中，试样沉积有效率都达到了90%以上，成形有效率的变化范围小于5%.
图8为沉积试样截面的硬度等高图. 图9为不同参数CMT电弧增材制造316L不锈钢试样沿沉积方向的硬度变化, 图10为沿宽度方向的硬度变化. 可以看出沿着沉积方向与宽度方向的硬度均在200 HV左右，硬度变化幅度不大. 但是仔细观察仍可观察到当焊接电流、电弧电压、送丝速度相对较小时，随着焊接速度vTS的增加，硬度变化幅度较小.当焊接电流、电弧电压、送丝速度相对较大时，随着焊接速度vTS的增加，硬度变化幅度较大，且此现象在沉积方向的变化更明显.
图8 显微硬度等高图
Fig. 8 Microhardness contour map
电弧增材成形时，热流方向主要沿着沉积方向向下，同时后续成形中的多次往复加热也会对已成形材料造成热处理作用，这也可能是材料在沉积方向硬度变化较小的原因. Amine等人[17]也发现了在相近的参数下激光单道多层沉积316L合金沿着沉积方向硬度变化小于横向硬度变化的现象.
图11 为不同参数下材料的拉伸性能数据.考虑到一些电弧增材制造的复杂零件不需二次加工就直接使用，故试样只按标准切割，表面不做任何处理.但表面焊层间的凹槽会在承受轴向拉伸载荷时引起应力集中，故试验测出的抗拉强度数据会比实际试样的抗拉强度偏低. 当电流一定时，焊接速度越大，抗拉强度越大，电流较小时，试样的抗拉强度较大，因此热输入在沉积方向对材料的影响较大. 在试验中 316L奥氏体不锈钢电弧增材制造的试样最大抗拉强度可达到580 MPa，可达到焊丝测试抗拉强度的95%.
图9 不同参数下CMT电弧增材制造316L不锈钢试样沿沉积方向的硬度变化
Fig. 9 Hardness change of 316L stainless steel specimen wire arc additive manufactured by CMT along the deposition direction under different parameters
以上结果分析得知，文中试验中不同参数下成形试样的组织与硬度变化都不大，但不同参数下合金的抗拉强度有一定的差异(＜ 10%)，考虑到增材制造沉积的特性，这说明热输入对材料沉积方向的性能有较大影响，在316L合金层堆焊成形时，无论沿着沉积方向还是宽度方向合金硬度并没有明显的增减，这也说明了316L合金CMT单道多层增材成形时具有均匀的组织和性能.
图10 不同参数CMT电弧增材制造316L不锈钢试样沿宽度方向的硬度变化
Fig. 10 Hardness change of 316L stainless steel specimens with different parameters along width direction
图11 成形试样的拉伸性能数据
Fig. 11 Tensile properties of forming specimens
(1) 316L不锈钢CMT增材成形时，影响成形精度的主要因素是送丝速度、焊接速度和热输入.随着焊接速度的减小，成形试样宽度逐渐增大. 在不同的送丝速度下，随着热输入的增加，侧面成形误差呈现先减小后增大的趋势，侧面成形误差最小值为0.22 mm，沉积有效率都达到了90%以上.
(2) CMT电弧增材制造316L不锈钢的组织为γ-Fe和δ铁素体组成，δ铁素体生长方向沿着沉积方向，具有明显的定向凝固特征.
按三战区司令官的要求，八十六军只要坚守六天，就算圆满完成任务，现在已经是第八天了，鬼子的进攻毫无减弱的趋势。
(3) 不同参数下成形试样中铁素体与奥氏体的形态、分布变化不大，组织均匀，晶粒尺寸变化也不大，且沿着沉积方向与宽度方向试样硬度变化均不大.
(4) 热输入对成形试样沉积方向的抗拉强度有较大影响.
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