熔敷電流對鎂合金CMT熔絲增材成形特征的影響

來源：第三屆航空航天增材制造大會優(yōu)秀論文集章節(jié)內(nèi)容
作者：劉思余 陳夢凡 柯林達 沈泳華 程鵬
作者單位：航天八院800所

導讀：采用CMT熔絲增材制造工藝進行相同熔敷速度、不同熔敷電流單道多層鎂合金試樣的制備，研究熔敷電流對鎂合金成形特征的影響規(guī)律。結果表明，CMT熔絲增材熔敷速度為10mm/s時，熔敷電流在85A~125A范圍內(nèi)可成形表面平整度好的單道多層鎂合金試樣，105A時成形外觀最佳；試樣中間穩(wěn)定區(qū)域高度略高于兩端起、熄弧位置，熔敷電流為95A~125A時可將高度偏差控制在2.6mm以內(nèi)；隨熔敷電流從85A增加到125A時，熔敷層層間層高從2.39 mm減小到2.16 mm，而熔敷層層寬則從8.61 mm增加到14.23 mm；熔敷電流過大或過小均會影響試樣的表面粗糙度，105A試樣表面粗糙度最小、側壁邊緣平滑，粗糙度為0.16 mm。

鎂合金密度小，僅為1.78~1.83g/cm3，約是鋼材的四分之一、鋁合金的三分之二。同時鎂合金還具有較高的比強度和比剛度，以及良好的減震性、機械加工性和可回收性，是一種公認的綠色環(huán)保工程結構材料。近年來，鎂合金已逐漸成為僅次于鋼鐵和鋁的結構功能材料，鎂合金產(chǎn)量的增長率高達25%，應用前景十分可觀。目前鎂合金的生產(chǎn)方式主要包括鑄造工藝和塑性成形工藝。雖然鎂合金的鑄造性能較好，但鎂合金鑄件內(nèi)部存在夾渣、氣孔、疏松等缺陷，產(chǎn)品致密度較低，力學性能偏差較大，同時還面臨綠色環(huán)保的問題。塑性成形工藝雖然可以生產(chǎn)力學性能良好的鎂合金產(chǎn)品，但對尺寸有一定限制，無法完成復雜結構件的整體成形。隨著我國航空航天及武器裝備等軍事領域的產(chǎn)品越來越趨向于材料輕量化、形狀復雜化和結構功能一體化，傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工工藝難以實現(xiàn)，因此急需尋找一種新方法來實現(xiàn)鎂合金結構件的整體快速制造。

熔絲增材制造技術可以通過逐層堆積的方法完成金屬構件的直接成形，具有成本低、周期短、無需模具等特點，能有效解決鎂合金塑性變形能力差的問題。與傳統(tǒng)的鑄造鎂合金和變形鎂合金相比，該方法不僅可以直接完成復雜結構件的一體化成形，還能夠同時達到節(jié)省材料與時間的目的。已有學者針對鎂合金熔絲增材制造技術開展相應基礎試驗，獲得一定的研究進展。Han等采用PAW增材工藝制備的AZ91D 鎂合金試樣表面存在斷續(xù)、駝峰等成形缺陷。Y Guo等通過TIG熔絲增材工藝制備的鎂合金薄壁試樣兩端高度差較大。P Wang通過工藝優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，CMT+Pulse工作模式制備的鎂合金熔敷層更有利于增材成形。本文作者前期針對AZ31鎂合金增材成形質量控制進行研究，最終得到成形良好、表面平滑的直壁試樣。然而目前鎂合金熔絲增材制造技術尚未成熟，如何提高鎂合金增材成形質量、獲得鎂合金增材成形規(guī)律，依舊是各國研究學者迫切需要解決的問題，需要大量基礎研究數(shù)據(jù)以進行深入探究。

本文采用CMT熔絲增材制造工藝進行鎂合金單道多層增材試樣的制備，研究相同熔敷速度條件下，熔敷電流對鎂合金熔絲增材制造成形特征的影響，為鎂合金增材產(chǎn)品的推廣與應用提供技術依據(jù)。

1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
試驗采用直徑為1.2mm的AZ80鎂合金絲材為試驗材料，厚度為15mm的AZ31鎂合金板材作為基板。所用鎂合金絲材和板材的化學成分符合GB/T 5153標準要求。鎂合金絲材表面光滑、無打彎，可保證電弧熔絲增材試驗的穩(wěn)定性。

1.2 試驗設備
采用6軸聯(lián)動的機器人熔絲增材制造系統(tǒng)進行增材成形試驗，該系統(tǒng)主要由ABB-IBR2600ID機器人、Fronius-CMT焊機、RA5000焊槍及2軸旋轉工作平臺構成。采用自行開發(fā)的CMT鎂合金特征曲線進行試驗，通過焊機對熔敷電流和送絲速度進行控制，通過機器人對熔敷速度進行控制。

1.3 試驗方法
采用CMT熔絲增材制造工藝，保持熔敷速度不變，通過調(diào)整熔敷電流來研究不同熔敷電流對鎂合金增材成形特征的影響。采用往復循環(huán)路徑進行單道多層鎂合金薄壁試樣的制備，熔敷電流為75 A~135 A，熔敷速度為10 mm/s，層間間隔為45 s，焊槍送絲嘴與基板及試樣上表面的距離為15 mm，保護氣體為99.99 %純氬，氣體流量為18 L/min，具體工藝參數(shù)見表1。成功制備的鎂合金試樣整體外觀尺寸約長190mm、高110mm。線能量主要由下式求得：

式中q為熱輸入、η為CMT電弧的熱效率（80%）[20]、I為熔敷電流、U為熔敷電壓、v為熔敷速度。

表1 變化工藝參數(shù)

試樣制備結束后對7組鎂合金單道多層薄壁增材試樣的成形外觀進行觀察。使用精度為0.02mm的游標卡尺對試樣高度和寬度進行測量，并計算熔敷層層間高度及寬度，高度和寬度測量位置如圖1。在試樣中間區(qū)域選取橫截面觀察試樣，分析穩(wěn)定段的成形輪廓及表面粗糙度。

圖1  成形尺寸測量方法

2 實驗結果與分析

2.1 熔敷電流對成形外觀的影響
5組不同熔敷電流的鎂合金單道多層增材試樣成形如圖2所示。熔敷電流為85A~125A試樣的表面平整、兩端高度基本一致，無明顯增材缺陷。熔敷電流85A試樣表面平整度較差；熔敷電流依次增加到105A時，試樣表面平整度變好、層間紋路逐漸清晰、明確；熔敷電流進一步增加，試樣層間紋路清晰度下降，125A試樣表面分層界線模糊不清，無法分辨。分析認為，熔敷電流較小時熔化金屬無法得到充分鋪展，導致熔敷層形狀穩(wěn)定性較差；當熔敷電流增加時，熔化金屬鋪展性和流動性提升，熔敷層形狀得到改善；同時熔敷電流增加送絲速度也隨之增加，單位時間內(nèi)的熔化金屬量增加，過多的熔化金屬極易導致熔池流淌、熔敷層坍塌現(xiàn)象，不利于試樣成形。結果表明，熔敷電流為105A時，制備的鎂合金電弧熔絲增材試樣成形外觀最佳。

圖2  不同熔敷電流鎂合金試樣成形

熔敷電流為75A和135A時制備的試樣側表面及上表面如圖3。增材過程中，2組試樣上表面均出現(xiàn)寬度不一致現(xiàn)象，無法完成單道多層薄壁試樣的制備。熔敷電流75A時的熱輸入較�。�52.2 J/mm），導致熔化金屬的鋪展性和流動性較低，熔敷層形狀變差、寬度出現(xiàn)較大波動，無法進行薄壁試樣的制備；而熔敷電流135A時的熱輸入過大（140.4 J/mm），層間熱量累積過多導致熔敷層出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，且試樣表面存在飛濺，難以成形。

（a）熔敷電流75A

（b）熔敷電流125A

圖3  75A和135A制備的試樣成形

2.2 熔敷電流對起熄弧高度的影響
采用不同熔敷電流增材成形的鎂合金薄壁試樣高度尺寸如圖4。5組試樣中間穩(wěn)定區(qū)域高度一致性較好，略高于兩端起、熄弧位置。在熔敷速度不變的條件下，CMT熔絲增材電流為85A時，試樣上表面高度偏差最大，距離兩端起熄弧15mm處存在凹坑，最大高度偏差為4.1mm。熔敷電流95A~125A時，試樣上表面高度偏差控制在2.6mm以內(nèi)；且電流大于105A后，高度偏差隨熔敷電流增加略呈下降趨勢，125A試樣最大高度偏差為1.8mm。熔敷電流較小時，熄弧點處熔化的液態(tài)金屬流動性較差、表面張力也較小，使起弧點與熔敷層中間段存在尺寸偏差，而熄弧處受熱量累積的影響，金屬流動性增強、成形得到改善，而往復循環(huán)的路徑使起弧點與熄弧點交替出現(xiàn)在試樣兩端，能夠有效改善試樣的成形質量。電流增加時，熄弧點處熱輸入也增加，熔化金屬流動性變好使起弧點與熔敷層中間段尺寸偏差大幅減小，試樣較為平整。

圖4  5組鎂合金試樣成形高度

2.3 熔敷電流對熔敷層尺寸的影響
5組不同熔敷電流鎂合金熔絲增材試樣熔敷層尺寸如圖5。隨熔敷電流從85A增加到125A，5組試樣的熔敷層層間層高從2.39 mm降低到2.16 mm，呈下降趨勢；而熔敷層層寬從8.61 mm增加到14.23 mm，呈上升趨勢。由于鎂合金流動性較差，熔敷電流越小線能量也越小，導致熔化的鎂合金無法獲得較好的鋪展性和流動性，發(fā)生快速凝固，因而鎂合金增材試樣熔敷層層間層高隨熔敷電流的增加呈下降趨勢。而熔敷電流增加，送絲速度和線能量都隨之增加，使熔化金屬的含量增加、流動性也得到提升，最終液態(tài)鎂合金能夠得到較好的鋪展，獲得較大的熔敷層層寬。即在熔敷速度不變的條件下，隨CMT熔絲增材熔敷電流的增加，鎂合金試樣寬度呈上升趨勢。

圖5 熔敷速度對熔敷層尺寸的影響

2.4 熔敷電流對表面粗糙度的影響
通過將試樣橫截面照片進行圖像二值化處理及截面輪廓曲線提取，得到CMT熔絲增材工藝成形的鎂合金增材試樣截面如圖6。對比圖中5組不同熔敷電流鎂合金試樣輪廓曲線發(fā)現(xiàn)，熔敷電流為105A時，試樣側壁邊緣較直且較為平滑；熔敷電流減小或增大，試樣側壁邊緣左右波動均會加劇，其中125A試樣右側中下部邊緣波動最為突出。主要因為熔敷電流較大時，熔敷層制備時底部試樣略窄，無法支撐熔化金屬，發(fā)生流淌導致側壁波動較大。而熔敷電流較小時，試樣表面平整度較差、存在較大波動，也會影響側壁平滑度。

圖6  不同熔敷電流鎂合金試樣截面

試樣表面粗糙度計算時先利用最小二乘法對輪廓曲線進行線性擬合，得到擬合直線方程：

橫截面輪廓曲線上所有點到擬合直線的距離和為：

式中d為橫截面輪廓曲線上點到擬合直線的距離，n為橫截面輪廓曲線上點的數(shù)量，根據(jù)下述公式進行試樣表面粗糙度R[21]的計算：

熔敷電流對鎂合金試樣表面粗糙度的影響如圖7。熔敷速度不變，熔敷電流為85A~125A時，105A試樣表面粗糙度最低，僅為0.16mm。電流低于105A時的表面粗糙度略高，85A和95A試樣表面粗糙度平均值分別為0.20mm和0.23mm。熔敷電流高于105A時，試樣表面粗糙度隨電流增加而增加，125A試樣的表面粗糙度達0.3mm，這與熔化金屬含量及線能量增加有關，過多的液態(tài)金屬使熔池流淌、影響表面粗糙度。結果表明，熔敷電流過大或過小均會影響鎂合金熔絲增材薄壁試樣的表面粗糙度。

圖7  熔敷電流對表面粗糙度的影響

3結束語

本文采用相同熔敷速度、不同熔敷電流的CMT增材工藝制備5組鎂合金增材樣件，通過對比分析獲得熔敷電流與鎂合金熔絲增材制造成形特征之間的影響規(guī)律，最終得到的主要結論如下。

1. 熔敷速度10mm/s、熔敷電流85A~125A，CMT熔絲增材工藝可制備表面平整度好的單道多層鎂合金試樣，105A試樣的成形外觀最佳。

2. 熔敷電流從85A增加到125A時，鎂合金熔絲增材試樣熔敷層層間層高從2.39 mm減小到2.16 mm，而熔敷層層寬則從8.61 mm增加到14.23 mm。

3. CMT單道多層鎂合金試樣中間穩(wěn)定區(qū)域高度略高于兩端起熄弧位置，熔敷電流95A~125A試樣上表面高度偏差控制在2.6mm以內(nèi)。

4. 熔敷電流過大或過小均會影響試樣的表面粗糙度，105A試樣表面粗糙度最小、側壁邊緣平滑，粗糙度為0.16 mm。