熔敷電流對(duì)鎂合金CMT熔絲增材成形特征的影響

來(lái)源：第三屆航空航天增材制造大會(huì)優(yōu)秀論文集章節(jié)內(nèi)容
作者：劉思余 陳夢(mèng)凡 柯林達(dá) 沈泳華 程鵬
作者單位：航天八院800所

導(dǎo)讀：采用CMT熔絲增材制造工藝進(jìn)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(duì)鎂合金成形特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，CMT熔絲增材熔敷速度為10mm/s時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響試樣的表面粗糙度，105A試樣表面粗糙度最小、側(cè)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(shí)鎂合金還具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，以及良好的減震性、機(jī)械加工性和可回收性，是一種公認(rèn)的綠色環(huán)保工程結(jié)構(gòu)材料。近年來(lái)，鎂合金已逐漸成為僅次于鋼鐵和鋁的結(jié)構(gòu)功能材料，鎂合金產(chǎn)量的增長(zhǎng)率高達(dá)25%，應(yīng)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(xué)性能偏差較大，同時(shí)還面臨綠色環(huán)保的問(wèn)題。塑性成形工藝雖然可以生產(chǎn)力學(xué)性能良好的鎂合金產(chǎn)品，但對(duì)尺寸有一定限制，無(wú)法完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體成形。隨著我國(guó)航空航天及武器裝備等軍事領(lǐng)域的產(chǎn)品越來(lái)越趨向于材料輕量化、形狀復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)功能一體化，傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工工藝難以實(shí)現(xiàn)，因此急需尋找一種新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鎂合金結(jié)構(gòu)件的整體快速制造。

熔絲增材制造技術(shù)可以通過(guò)逐層堆積的方法完成金屬構(gòu)件的直接成形，具有成本低、周期短、無(wú)需模具等特點(diǎn)，能有效解決鎂合金塑性變形能力差的問(wèn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成形，還能夠同時(shí)達(dá)到節(jié)省材料與時(shí)間的目的。已有學(xué)者針對(duì)鎂合金熔絲增材制造技術(shù)開(kāi)展相應(yīng)基礎(chǔ)試驗(yàn)，獲得一定的研究進(jìn)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(guò)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(guò)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(duì)AZ31鎂合金增材成形質(zhì)量控制進(jìn)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(shù)尚未成熟，如何提高鎂合金增材成形質(zhì)量、獲得鎂合金增材成形規(guī)律，依舊是各國(guó)研究學(xué)者迫切需要解決的問(wèn)題，需要大量基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)以進(jìn)行深入探究。

本文采用CMT熔絲增材制造工藝進(jìn)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(duì)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(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)采用直徑為1.2mm的AZ80鎂合金絲材為試驗(yàn)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(xué)成分符合GB/T 5153標(biāo)準(zhǔn)要求。鎂合金絲材表面光滑、無(wú)打彎，可保證電弧熔絲增材試驗(yàn)的穩(wěn)定性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備
采用6軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)器人熔絲增材制造系統(tǒng)進(jìn)行增材成形試驗(yàn)，該系統(tǒng)主要由ABB-IBR2600ID機(jī)器人、Fronius-CMT焊機(jī)、RA5000焊槍及2軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)構(gòu)成。采用自行開(kāi)發(fā)的CMT鎂合金特征曲線進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)焊機(jī)對(duì)熔敷電流和送絲速度進(jìn)行控制，通過(guò)機(jī)器人對(duì)熔敷速度進(jìn)行控制。

1.3 試驗(yàn)方法
采用CMT熔絲增材制造工藝，保持熔敷速度不變，通過(guò)調(diào)整熔敷電流來(lái)研究不同熔敷電流對(duì)鎂合金增材成形特征的影響。采用往復(fù)循環(huán)路徑進(jìn)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(hù)氣體為99.99 %純氬，氣體流量為18 L/min，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1。成功制備的鎂合金試樣整體外觀尺寸約長(zhǎng)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(jié)束后對(duì)7組鎂合金單道多層薄壁增材試樣的成形外觀進(jìn)行觀察。使用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺對(duì)試樣高度和寬度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算熔敷層層間高度及寬度，高度和寬度測(cè)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(cè)量方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔敷電流對(duì)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(wú)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(shí)，試樣表面平整度變好、層間紋路逐漸清晰、明確；熔敷電流進(jìn)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(wú)法分辨。分析認(rèn)為，熔敷電流較小時(shí)熔化金屬無(wú)法得到充分鋪展，導(dǎo)致熔敷層形狀穩(wěn)定性較差；當(dāng)熔敷電流增加時(shí)，熔化金屬鋪展性和流動(dòng)性提升，熔敷層形狀得到改善；同時(shí)熔敷電流增加送絲速度也隨之增加，單位時(shí)間內(nèi)的熔化金屬量增加，過(guò)多的熔化金屬極易導(dǎo)致熔池流淌、熔敷層坍塌現(xiàn)象，不利于試樣成形。結(jié)果表明，熔敷電流為105A時(shí)，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(shí)制備的試樣側(cè)表面及上表面如圖3。增材過(guò)程中，2組試樣上表面均出現(xiàn)寬度不一致現(xiàn)象，無(wú)法完成單道多層薄壁試樣的制備。熔敷電流75A時(shí)的熱輸入較小（52.2 J/mm），導(dǎo)致熔化金屬的鋪展性和流動(dòng)性較低，熔敷層形狀變差、寬度出現(xiàn)較大波動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行薄壁試樣的制備；而熔敷電流135A時(shí)的熱輸入過(guò)大（140.4 J/mm），層間熱量累積過(guò)多導(dǎo)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shì)，125A試樣最大高度偏差為1.8mm。熔敷電流較小時(shí)，熄弧點(diǎn)處熔化的液態(tài)金屬流動(dòng)性較差、表面張力也較小，使起弧點(diǎn)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(dòng)性增強(qiáng)、成形得到改善，而往復(fù)循環(huán)的路徑使起弧點(diǎn)與熄弧點(diǎn)交替出現(xiàn)在試樣兩端，能夠有效改善試樣的成形質(zhì)量。電流增加時(shí)，熄弧點(diǎn)處熱輸入也增加，熔化金屬流動(dòng)性變好使起弧點(diǎn)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(duì)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(shì)；而熔敷層層寬從8.61 mm增加到14.23 mm，呈上升趨勢(shì)。由于鎂合金流動(dòng)性較差，熔敷電流越小線能量也越小，導(dǎo)致熔化的鎂合金無(wú)法獲得較好的鋪展性和流動(dòng)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(shì)。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(dòng)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(shì)。

圖5 熔敷速度對(duì)熔敷層尺寸的影響

2.4 熔敷電流對(duì)表面粗糙度的影響
通過(guò)將試樣橫截面照片進(jìn)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(duì)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(shí)，試樣側(cè)壁邊緣較直且較為平滑；熔敷電流減小或增大，試樣側(cè)壁邊緣左右波動(dòng)均會(huì)加劇，其中125A試樣右側(cè)中下部邊緣波動(dòng)最為突出。主要因?yàn)槿鄯箅娏鬏^大時(shí)，熔敷層制備時(shí)底部試樣略窄，無(wú)法支撐熔化金屬，發(fā)生流淌導(dǎo)致側(cè)壁波動(dòng)較大。而熔敷電流較小時(shí)，試樣表面平整度較差、存在較大波動(dòng)，也會(huì)影響側(cè)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(jì)算時(shí)先利用最小二乘法對(duì)輪廓曲線進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線方程：

橫截面輪廓曲線上所有點(diǎn)到擬合直線的距離和為：

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

熔敷電流對(duì)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(shí)，105A試樣表面粗糙度最低，僅為0.16mm。電流低于105A時(shí)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(shí)，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(dá)0.3mm，這與熔化金屬含量及線能量增加有關(guān)，過(guò)多的液態(tài)金屬使熔池流淌、影響表面粗糙度。結(jié)果表明，熔敷電流過(guò)大或過(guò)小均會(huì)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(duì)表面粗糙度的影響

3結(jié)束語(yǔ)

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(guò)對(duì)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(jié)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(shí)，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(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響試樣的表面粗糙度，105A試樣表面粗糙度最小、側(cè)壁邊緣平滑，粗糙度為0.16 mm。