Metal-cored Wire + Arc Additive Manufacturing of thick layered structures with GMAW process

Abstract

Neste trabalho estuda-se a aplicação de materiais e equipamentos convencionas da indústria de revestimentos metálico por soldagem a arco na fabricação de componentes metálicos por manufatura aditiva. Ao utilizar-se estes processos convencionais e material de adição na forma de arame, denomina-se a técnica de manufatura como Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM), sobre a qual este trabalho disserta. Em contraste ao utilizado convencionalmente em WAAM, arames tubulares do tipo metal-cored são estudados neste trabalho. Foi escolhido um arame metal-cored de aço ao Manganês (0,4 % C, 15 % Mn) com 1,2 mm de diâmetro. Utilizou-se duas variantes do processo MIG/MAG com alimentação dinâmica e controle de corrente (CMT e CMT Pulse), ambas com velocidade de alimentação (3,5 m/min) e deslocamento (10 cm/min) constantes. Como metodologia de estudo, se propôs a deposição de corpos de prova em forma de paredes espessas (15 mm x 40 mm x 100 mm). Para atingir a geometria proposta, foram depositadas 20 camadas, com altura média de 2 mm, para cada corpo de prova. A estratégia de deposição consistiu em sobreposição de camadas com origem e incrementos de altura constantes. Ao final de cada camada se impôs a extinção do arco e um tempo de espera entre camadas constante. Analisou-se a dinâmica térmica da construção dos corpos de prova com uso da técnica de filmagem termográfica por infravermelho. Foram realizadas aquisições dos sinais elétricos do processo, filmagem em alta velocidade da deposição de material, análise do perfil de composição química e microdureza. Não foram observadas dificuldades na utilização de arames metal-cored em comparação a arames maciços convencionais. O arame metal-cored apresentou boa soldabilidade nas condições de soldagem e estratégia de deposição escolhidos, mesmo utilizando-se programa sinérgico não dedicado. Corpos de prova com dimensões similares ao objetivo foram alcançados para ambas variantes de processo. Como fase de validação, construiu-se corpos de prova em ambiente industrial, na empresa alemã DURUM Verschleiss Schutz. Os resultados demonstraram que, embora ajustes em movimentadores e bancadas de trabalho sejam necessários, há possibilidade de utilização dos equipamentos convencionais de uma empresa do ramo de revestimentos por soldagem para fabricação de peças por WAAM.

Abstract: This work studies the application of conventional materials and equipment of the arc cladding and welding industry aimed to the manufacturing of metallic components by additive manufacturing. The combination of using these conventional arc processes and wire as feedstock matches the manufacturing technique known as Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM). The performance of metal-cored wires for WAAM application was studied in this study, in contrast to conventional solid wires. A 1.2 mm diameter metal-cored Manganese steel wire (0.4 % C, 15 % Mn) was chosen. Two variants of the GMAW process with dynamic feed and current control (CMT and CMT Pulse) were used, both with constant feed speed (3.5 m/min) and travel speed (10 cm/min). As a study methodology, it was proposed the deposition of thick-walled samples (15 mm x 40 mm x 100 mm). To achieve the proposed geometry, 20 layers were deposited, with an average height of 2 mm, for each sample. The deposition strategy consisted of overlapping layers with constant origin and height increments. At the end of each layer the arc is turned off and a constant idle time between layers were imposed while the torch goes back to the origin. The thermal dynamics of the construction of the specimens were analyzed using the infrared thermographic filming technique. Acquisition of the process electrical signals, high-speed filming of material deposition, analysis of the chemical composition profile and microhardness were performed. No difficulties were observed in the use of metal-cored wires compared to conventional solid wires. The metal-cored wire showed good weldability in the chosen welding conditions and deposition strategy, even using a non-dedicated synergic program. Samples with similar dimensions to the objective were achieved for both process variants. As a validation phase, samples were built in an industrial environment at the German company DURUM Verschleiss Schutz. The results showed that, although adjustments in movers and workbenches were necessary, there is the possibility of using the conventional equipment of a welding and cladding company for WAAM parts manufacturing.