ВПЛИВ ОКИСЛЮВАЛЬНОЇ ДІЇ ЗАХИСНОГО ГАЗУ НА ГЕОМЕТРІЮ ТА ЕНЕРГЕТИКУ ДУГОВОГО 3D-ДРУКУ ВИСОКОМІЦНОЮ СТАЛЛЮ
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2026-2-10Ключові слова:
дротове дугове адитивне виробництво, WAAM, холодне перенесення металу, CMT, високоміцна сталь, MoNiVa; захисний газ, питома об’ємна енергія, комп’ютерний зір.Анотація
Мета роботи. Встановлення закономірностей впливу концентрації вуглекислого газу (0–100 % CO₂) у захисній суміші з аргоном на зовнішню макрогеометрію (ширину, висоту, хвилястість) та енергетичні показники процесу формування тонкостінних структур з низьким тепловкладенням із високоміцної низьколегованої сталі (HSLA) MoNiVa з використанням роботизованого адитивного виробництва за технологією CMT (Cold Metal Transfer).
Методи дослідження. Дослідження проводились із застосуванням роботизованого комплексу з джерелом живлення Fronius TPSi (режим CMT, швидкість подачі дроту 2,0 м/хв, швидкість зварювання 35 см/хв). Для усунення суб’єктивних похибок та аналізу стохастичної макрогеометрії розроблено метод комп'ютерного зору (OpenCV) на основі попіксельного інтегрування оптичних сканів (600 DPI, абсолютна похибка 0,045 мм). Синхронізація геометричних метрик з високочастотним (10 Гц) логуванням енергетичних параметрів дуги дозволила оцінити питому об'ємну енергію (VED).
Отримані результати. Під час тонкостінного наплавлення виявлено фундаментальний масштабний ефект. Використання моногазів виявилося технологічно недоцільним: 100% аргон провокує сильну внутрішню пористість через високу в’язкість розплаву та його швидке твердіння, тоді як 100 % CO₂ спричиняє просторове меандрування, гідродинамічний колапс та катастрофічну втрату 45 % площі поперечного перерізу. Визначено зону надвисокої технологічної стабільності в строгому діапазоні 5–18 % CO₂, де коефіцієнт варіації (CV) ширини досягає мінімуму (1,30–1,87 %) при збереженні пропорційного форм-фактора валика.
Наукова новизна. Вперше формалізовано термогідродинамічний «масштабний ефект» у WAAM-технології для складних HSLA сталей. Доведено, що в умовах низького тепловкладення додавання активного газу не покращує змочування, а навпаки, провокує швидку кристалізацію та утворення оксидних бар'єрів. Математично доведено «енергетичний парадокс» процесу: незважаючи на те, що режим 100 % CO₂ має найнижче лінійне тепловкладення (205,5 Дж/мм) завдяки синергетичному придушенню струму, він потребує найвищої питомої об'ємної енергії (2,09 кДж/см³) через критичне погіршення масопереносу.
Практична цінність. Виявлене технологічне вікно (5–18 % CO₂) та формалізований енергетичний баланс для тонкостінних структур зі сталі MoNiVa слугують готовим фундаментом для мінімізації геометричних дефектів та максимізації енергоефективності на виробництві. Розроблений алгоритм машинного зору придатний для імплементації в системи керування WAAM із замкненим контуром для предиктивного коригування параметрів у режимі реального часу.
Посилання
Zhang, H., Li, R., Liu, J., Wang, K., Qiu, W., Shi, L., & et al. (2024). State-of-art review on the process-structure-properties-performance linkage in wire arc addi-tive manufacturing. Virtual and Physical Prototyping, 19(1), e2390495. https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2390495
Jafari, D., Vaneker, T. H. J., & Gibson, I. (2021). Wire and arc additive manufacturing: Opportunities and challenges to control the quality and accuracy of manu-factured parts. Materials & Design, 202, 109471. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109471
Wang, Y., & Tsai, H. L. (2001). Effects of surface active elements on weld pool fluid flow and weld penetra-tion in gas metal arc welding. Metallurgical and Materials Transactions B, 32, 501–515.
https://doi.org/10.1007/s11663-001-0035-5
Lu, S., Fujii, H., & Nogi, K. (2004). Marangoni convection and weld shape variations in Ar-O2 and Ar-CO2 shielded GTA welding. Materials Science and Engi-neering: A, 380(1-2), 290–297.
https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.05.057
Wu, F., Falch, K. V., Guo, D., English, P., Drakopoulos, M., & Mirihanage, W. (2020). Time evolved force domination in arc weld pools. Materials & Design, 190, 108534.
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108534
Cunningham, C. R., Flynn, J. M., Shokrani, A., Dhokia, V., & Newman, S. T. (2018). Strategies and pro-cesses for high quality wire arc additive manufacturing. Additive Manufacturing, 22, 672–686. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.020
Kah, P., & Martikainen, J. (2013). Influence of shielding gases in the welding of metals. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 64 (9–12), 1411–1421. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4111-6
Teixeira, F. R., Jorge, V. L., Scotti, F. M., Siewert, E., & Scotti, A. (2024). A methodology for shielding-gas selection in wire arc additive manufacturing with stainless steel. Materials, 17(13), 3328.
https://doi.org/10.3390/ma17133328
Silwal, B., Pudasaini, N., Roy, S., Murphy, A. B., Nycz, A., & Noakes, M. W. (2022). Altering the supply of shielding gases to fabricate distinct geometry in GMA additive manufacturing. Applied Sciences, 12(7), 3679. https://doi.org/10.3390/app12073679
Yamaguchi, M., Komata, R., Furumoto, T., Abe, S., & et al. (2022). Influence of metal transfer behavior under Ar and CO2 shielding gases on geometry and sur-face roughness of single and multilayer structures in GMAW-based wire arc additive manufacturing of mild steel. The International Journal of Advanced Manufac-turing Technology. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08231-8
Kanishka, K., Acherjee, B., & et al. (2025). A study on the effect of shielding gases on the GMAW-WAAM process and performance of WAAM-deposited low-carbon steel. International Journal of Materials Re-search. https://doi.org/10.1515/ijmr-2024-0319
Akbarzadeh, E., Yurtışık, K., Gür, C. H., & et al. (2024). Influence of shielding gas on the microstructure and mechanical properties of duplex stainless steel in wire arc additive manufacturing. Metals and Materials Inter-national, 30(7), 1977-1996. https://doi.org/10.1007/s12540-023-01623-3
Marefat, F., Kapil, A., Banaee, S. A., Van Ry-menant, P., & Sharma, A. (2023). Evaluating shielding gas-filler wire interaction in bi-metallic wire arc additive manufacturing (WAAM) of creep resistant steel-stainless steel for improved process stability and build quality. Journal of Manufacturing Processes, 88, 110–124. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.01.046
Yang, G., Deng, F., Zhou, S., Wu, B., Qin, L., & Zheng, J. (2022). Influence of shielding gas nitrogen con-tent on the microstructure and mechanical properties of Cu-reinforced maraging steel fabricated by wire arc addi-tive manufacturing. Materials Science and Engineering: A, 832, 142463. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142463
Rodrigues, T. A., Duarte, V., Avila, J. A., Dias, M. R., Santos, T. G., & Oliveira, J. P. (2019). Wire and arc additive manufacturing of HSLA steel: Effect of thermal cycles on microstructure and mechanical properties. Ad-ditive Manufacturing, 27, 440–450. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.03.029
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
-
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
