电弧增材制造
-
2023年3月18日发(作者：网络信息中心)收稿日期
:20191113
作者简介
:
张文明
(1959
),
男
,
辽宁沈阳人
,
教授
.
第32卷第3期2020年6月
沈阳大学学报
(
自然科学版
)JournalofShen
y
an
g
Universit
y(NaturalScience)
Vol.32,No.3
Jun.2020
文章编号
:2095-5456
(
2020
)
03-0194-06
2319铝合金电弧增材制造成型和组织
张文明
,
韩嘉伟
(
沈阳大学机械工程学院
,
辽宁沈阳110044)
摘要
:
选择CMT电弧作为热源完成2319铝合金电弧增材制造
,
通过试验分析送丝速度
、
焊接速度
、
层间等待时间等因素对于成型和组织性能的影响.结果表明
,
送丝速度和焊接速度是2个关键因素
,
两者的关
系会直接影响成型质量与组织性能
,
最佳成型效果的送丝速度为2.0m
·
min-1,
焊接速度为
300mm
·
min-1,
层间等待时间为
80s.通过SEM测试发现
,2319铝合金增材构件的显微组织主要为均匀的
等轴晶与等轴枝晶
,
同时包含少量柱状晶和细小的等轴晶
;
通过EDS分析
,
电弧增材制造的2319铝合金主要
成分Al和Cu的组织形式为固溶体α相和θ相共存.
关键词
:2319铝合金
;
电弧增材制造
;
成型质量
;
显微组织
;
冷金属过渡焊
(CMT)
中图分类号
:TG444文献标志码
:A
电弧增材制造
[
1
](
WAAM
)
是一种利用金属
丝材作为填充材料的新型工艺
,
它以电弧作为热
源
,
通过电脑进行轨迹的设定
,
将材料熔化并沉积
成所需要的尺寸
,
来达到生产需求.不同于激光增
材制造和电子束增材制造
,
电弧增材制造所用的
设备价格经济
,
且使用稳定.和传统工艺相比无需
使用模具
,
能够达到或者优于传统工艺所生产的
零部件
,
且生产效率更为高效.因此
,
在制造大型
复杂结构件的工程中得以应用.WAAM的过程
可分为熔化极和非熔化极.熔化极又可分为长弧
和短弧2种
,
熔化极气体保护焊MIG
(
metal
inert
-
g
as
)
电弧属于长弧
,
而冷金属过渡焊
CMT
(
coldmetaltransfer
)
电弧属于短弧
.非熔化极主
要是钨极惰性气体保护焊TIG
(
tun
g
steninert
-
g
as
)
电弧
.
近年来
,
学者对铝合金的电弧增材制造技术
的研究更加关注.黄丹等
[
2
]
采用TIG电弧作为增
材热源
,
使用5A06丝材和AA6061基板进行试
验
,
主要分析预热温度
、
电流对其成型
、
组织和力
学性能的影响.试验结果表明
,
成形件的高度变化
很明显
,
从起始层的3.4mm开始骤降
,
从第8层
后开始达到稳定状态
,
高度为1.7mm.层间微观
组织为细小的树枝晶和等轴晶.由于每层反复加
热致使层间结合处组织最粗大
,
为柱状树枝晶
,
顶
部组织由于没有经过2次加热
,
所以晶粒最细小
,
由细小的树枝晶转变为等轴晶.成形件的力学性
能呈现各向同性
,
抗拉强度为291MPa
,
伸长率为
36%.从保强等
[
3
]
在气孔缺陷
、
成型尺寸和组织性
能3个方面进行改善
,
以获得更好的力学性能.选
用2319和4043两种铝合金进行试验.在气孔问
题方面选择AC-GMAW工艺
,
提出热输入
、
工作
环境和送丝速度是影响气孔率的3种因素
,
热输
入的影响最为显著
,
同时选择纯氩作为保护气体
能够改善气孔缺陷.采用北京航空航天大学自主
研制的HPVP-GMAW工艺
[
4
]
来控制成型尺寸
,
通过控制送丝速度
(WFS
)
与焊接速度
(
TS
)
的比
来观察成型尺寸的变化
,
最后确定WFS
/
TS在7
~10的范围内成型最佳.闫峘宇等
[
5
]
建立了电弧
增材制造单层单道半椭圆焊缝模型
,
在建立了焊
道熔宽和熔高的回归模型之后
,
得到了焊缝尺寸
与焊接电压
、
增材速度和送丝速度之间的关系
,
对
之前的模型进行了有效验证.
铝合金因其成本低廉
、
耐蚀性
、
密度小等优点
成为近几十年被广泛应用的材料
,
其焊接性和成
型工艺性良好使得在焊接过程中易达到较好的效
果.CMT电弧焊技术
[
6
]
有效地将焊丝回抽和熔
滴过渡进行结合
,
在熔滴过渡的过程中电弧熄灭
,
焊接电流的骤降也使得焊接热输入大大降低.因
此
,
与TIG电弧焊和MIG电弧焊相比
,CMT电
弧焊技术更适合铝合金这类低熔点金属进行电弧
增材制造.由于2系铝合金
[
7
]
属于硬铝合金
,
强度
硬度性能良好.因此
,
本文选用2319铝合金作为
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填充材料
,
以更适合铝合金增材制造的福尼斯公
司的3200型号CMT焊机
(FroniusTransPuls
S
y
ner
g
ic3200CMT
)
作为成型热源进行试验
,
分
析焊接速度
、
送丝速度
、
层间冷却时间等参数对于
2319铝合金电弧增材制造中成型的影响
,
得到优
于其他焊接方法的构件.
1试验材料与方法
本试验采用2319铝合金焊丝
(⌀1.6mm
,
VBC公司生产
)
作为填充材料
,
将5B06铝合金板
材
(4mm
,
荔硕公司生产
)
作为基板
,
焊丝及基板
的各化学成分质量分数如表1所示
,
使用400
#的
砂纸将表面打磨
,
选择丙酮和无水乙醇
(
均为
AR
,
百盛化工有限公司生产
)
进行清洗
.试验过程
中选择Ar
(
体积分数
99.99%
,
15.2MPa
,
气密
型
,
源恒通公司
)
作为保护气体
,
气体流量为
20L
·
min-1.
表1焊丝与基板各化学成分质量分数
Table1Massfractionofeachchemicalcom
p
osition
ofweldin
g
wireandsubstrate%
材料CuM
g
MnTiFeAl
焊丝6.300.020.200.100.30余量
基板0.105.800.500.100.01余量
首先将基板固定在操作平台上
,
将焊枪移动
到起始位置
,
选择Mach3作为运行软件
,
选择
FroniusTransPulsS
y
ner
g
ic3200CMT作为成型
热源
,
如图1所示
,
与其配合的控制系统如图2所
示.选择TS300~600mm
·
min-1,
WFS从1.6
~6.0m
·
min-1
逐渐改变
,
将层间停留时间设定
为80s
,
每层升高
2mm.
图1FroniusTransPulsS
y
ner
g
ic3200CMT成型热源
Fi
g
.1FroniusTransPulsS
y
ner
g
ic3200CMT
formin
g
heatsource
单道多层直接堆积态
[
8
]WAAM2319铝合金
试件是在本试验基板的第一道焊缝往返增材形成
的
,
它的外形如图3所示
,
尺寸为长150mm
、
宽
6mm
、
高
65mm.由于增材之前基板温度较低
,
WFS过低会导致焊接的不连续.因此
,
选择
5.5m
·
min-1
作为第1层的WFS
,
第
2~4层将
参数逐渐降低至预定参数
,
在第5层以上保持预
定参数进行送丝.因此
,
在观察组织和性能取材
的时候从第5层以上开始进行.焊接过程中
,
应
尽量减少实验室的空气流动
,
防止保护气无法起
到良好作用而产生大量气孔
,
致使其表面两侧产
生黑色渣状物质
,
无法堆积成型.焊丝角度也要
保证和基板处于垂直状态
,
否则堆积10层以上
时
,
在中部区域会产生黑色杂质
,
使其无法再向
上堆积.在堆积过程中还需要控制焊丝干伸长
度
,
在10层之后要不断对焊枪高度进行调整
,
用
来适应堆积墙的高度
,
总共堆积32层.
图2FroniusTransPulsS
y
ner
g
ic3200CMT控制系统
Fi
g
.2FroniusTransPulsS
y
ner
g
ic3200CMT
controls
y
stem
图3单道多层直接堆积态WAAM2319铝合金试件
Fi
g
.3WAAM2319aluminumallo
y
test
p
ieceinsin
g
le-
channelmulti-la
y
erdirectstackin
g
state
将堆积后的墙体通过线切割进行处理
,
制备
10mm×10mm的金相试样并使用砂纸打磨
,
之
后使用Kroll
(V(
HNO3)
∶V
(
HF
)
∶V
(
H2O
)
=
3∶1∶96
)
溶液浸蚀试样
,
时间为
6~8s.使用
HITACHI公司S-4800型号的SEM扫描电镜观
察显微组织并测试能谱图.从堆积方向取长10
mm
、
宽
6mm
、
高
65mm的试样进行硬度试验.
对于剩余试样两侧进行铣削至光滑平整厚度为
2mm
,
之后同样使用线切割沿堆积方向和高度方
向分别取得2个试样进行拉伸试验
,
切割试样如
591第3期张文明等
:2319铝合金电弧增材制造成型和组织
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图4所示.
图4WAAM2319铝合金试件切割试样
(
单位
:mm
)
Fi
g
.4WAAM2319aluminumallo
y
cuttin
g
sam
p
le
(
unit
:
mm
)
2结果与讨论
2.1WAAM2319铝合金试件成型控制
按照上述实验参数进行实验
,
可以得知送丝
速度
(WFS
)、
焊接速度
(
TS
)
是主要的控制因素
,
层间停留时间
、
焊丝干伸长度
、
基板的洁净程度等
也对成型有一定的影响
,
如果基板未清洁或者清
洁不佳就会使表面出现黑色渣状物质导致无法堆
积成型
,
文献
[911
]
也得出此结论
.焊丝的干伸
长度要控制在12mm以下
,
过长的干伸长度会导
致保护气的保护效果变差
,
产生大量气孔.而干伸
长度过短会导致焊丝粘结在基板上无法抽动.层
间停留时间主要是对于层间温度的控制
,
需要保
证60s以上
,
否则导致两端过热发黑.WFS和TS
作为主要因素
,
两者具有一定的关联
,WFS过慢
而TS过快会导致焊接的不连续
,
如一串豆状的
颗粒.WFS过快而TS过慢会导致焊机抽丝困
难
,
造成堆积而焊枪无法行进.因此
,
将WFS的
最低速度设定在1.6m
·
min-1
以上
,TS的最低
速度设定在300mm
·
min-1
以上
,
以保证增材过
程的正常进行.不同送丝速度与焊接速度构件的
尺寸数据见表2.得出最佳的成型效果的一组是
WFS为2.0m
·
min-1,
TS为300mm
·
min-1.
表2不同送丝速度与焊接速度构件的尺寸数据
Table2Dimensionaldataofcom
p
onentswith
differentWFSandTS
WFS
m
·
min-1
TS
mm
·
min-1
层宽
mm
层高
mm
2.03006.863.6
2.04005.664.8
2.05004.865.1
2.53007.468.8
2.54007.065.0
2.55005.161.6
3.03009.064.6
3.04006.865.6
3.05006.265.8
2.2WAAM2319铝合金试件显微组织
电弧增材制造的2319铝合金的显微组织影
响因素为温度梯度和其冷却速度
,
除第1层外
,
每
一层对于前一层都相当于进行一次短暂的热处
理.依照传统冶金学的原理可将显微组织划分为
熔化区
、
部分熔化区和热影响区
[
11
].本次试验从
堆积的高度方向将分为上中下3个部分来分析
,
如图5所示.
(
a
)
上部
(
b
)
中部
(
c
)
下部
图5WAAM2319铝合金SEM图
Fi
g
.5WAAM2319aluminumallo
y
SEMs
p
ecimen
构件的下部
(
图5c
)
为靠近基板处的组织
,
它
的晶粒较为细小
,
这是由于CMT工艺的独特方
式
,
在熔滴过渡的末端电流降为0
,
熔滴接触基板
时骤冷
,
过冷度高促使细小的等轴晶形成
,
如图6
所示.晶粒长大需要能量
,
由于增材方向是与基板
方向垂直
,
所以晶粒有向上生长的趋势.与母材垂
直方向不断有热输入
,
晶粒呈柱状晶.构件的中部
组织见图5b
,
由于电弧增材制造存在层间等待时
间
,
温度开始下降时
,
中间部位温度下降速度最
快
,
所以晶粒得不到足够的能量
,
未来得及成为柱
状晶
,
成为了等轴晶
;
因为铝合金具有很好的导热
能力
,
两侧部位得到中间部位传递过来的能量
,
形
成一部分等轴枝晶
,
还会形成一小部分二次支晶
,
不过两者相差很小.这是CMT工艺与GMAW
工艺等之间的区别
,
在熔滴过渡到基板时
,
电流几
乎为零
,
限制了热输入
,
不会使晶粒变得粗化.
其次
,
根据Don
g[
12
]
的研究得知
,Ti和Zr的
少许添加
,
也是产生细小等轴枝晶的原因.由于晶
691沈阳大学学报
(
自然科学版
)
第32卷
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粒是沿着温度升高方向生长的
,
因此会形成高度
方向的柱状晶
,
本试验与文献
[13
]
得出的结论一
致.但是
,
由于层间等待时间期间没有持续的热量
输入
,
温度急剧下降
,
没有足够的能量供应柱状晶
继续向上生长而逐渐凝固.残余在工件内部的热
量只能起到热处理的作用
,
使原本的柱状晶逐渐
向两侧扩展形成大量的等轴晶.但由于堆积层数
的逐渐增加
,
工件内部的热量不断积累
,
晶粒尺寸
也会增大
,
冷却速度的不同导致有些等轴晶会变
成等轴枝晶.出现柱状晶的区域是冷却速度最慢
的区域
,
而出现细小等轴晶的区域则是冷却速度
最快的区域.因此
,
处于融合线附近的显微组织主
要由均匀分布的等轴晶和等轴枝晶组成
,
同时包
含少许柱状晶和非常细小的等轴晶.
图6基板处的细小等轴晶SEM图
Fi
g
.6Finee
q
uiaxedcr
y
stalatthe
substrateSEMs
p
ecimen
构件的上部
(
图5a
)
熔合线附近的微观组织
最为复杂
,
因为在增材制造过程中的瞬时温度峰
值会超过548℃
(
2319铝合金的共晶温度
),
所以
组织会发生改变
,θ相会发生重熔减少
,
等轴枝晶
也因为获得能量重新变为等轴晶.此结论与文献[
14
]
所得结论一致
.但这个温度持续时间很短
,
只
能一小部分发生改变.部分熔化区以下的热影响
区由于温度不会超过共晶温度
,
不会发生组织上
的改变.由于电弧增材制造过程通常会超过1h
,
对比GMAW工艺在第2层会对第1层的热影响
区产生组织破坏
,CMT工艺还有一个热处理的
作用
,
使等轴晶的晶粒更为细小均匀
,
从而提高
性能.
WAAM过程属于非平衡态冷却
,
所以会产
生枝晶结构
,
当使用热电偶控制层间温度时
,
原子
能够扩散充分
,
减少枝晶结构甚至消除
,θ相全部
存在在晶界上.
在2319铝合金中
,Al元素的含量最多
,
含量
第二多的是Cu元素
,
也正是因为Cu元素的存
在
,2系铝合金才被称为硬铝合金.根据Al和Cu
二元相图可知
,Cu可以溶解在Al基体之中形成
固溶体
,
当温度低于548℃
,
Cu元素质量分数处
于5.65%~52.5%时
,Cu和Al将形成固溶体α
相和θ相.它们沿着晶界生长
,
最初呈颗粒状
,
当
吸收外界能量后会长大
,
呈现骨骼状
,
最终受到晶
界与能量的限制呈网状.EDS能谱图如图7a所
示
,
样品Al质量分数为61.59%
,
Cu质量分数为
38.31%.能谱图主要呈现3个峰
,
其中Al和Cu
为样品的主要成分
,C峰由于制备样品时使用了
碳导电胶
(
主要成分是C
),
使样品表面被污染所
致.样品中Cu的质量分数为38.31%
,
处于
5.65%~52.5%之间
,
可确定此时样品中Cu和
Al已经形成固溶体α相和θ相.同时
,
通过SEM
图
(
图7b
)
观察可以确定存在形式为固溶体α相
和θ相共存
,
与文献
[15
]
得出的结论一致
.瞬时温
度超过548℃时
,
固溶体α相和θ相的形态将会
发生改变
,
而且多出现在缺陷处.随着WAAM过
程的进行
,
构件之中的温度很难下降
,
长时间的热
输入使θ相也变得粗大
,
溶质原子贫化区
[
16
]
就会
出现在θ相附近
,
造成组织的不均匀性
,
直接影响
的是构件的力学性能.
(
a
)
EDS
(
b
)
SEM
图7样品的SEM-EDS图
Fi
g
.7SEM-EDSchartoftestsam
p
le
791第3期张文明等
:2319铝合金电弧增材制造成型和组织
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3结论
1
)
2319铝合金在电弧增材制造过程中
,
对
于成型影响最大的因素为送丝速度和焊接速度
,
且二者需要互相匹配
,
相差过多会导致增材效果
变差.最佳的成型效果的是送丝速度为
2.0m
·
min-1,
焊接速度为
300mm
·
min-1.
2
)
2319铝合金的晶粒主要由等轴晶和等轴
支晶组成
,
包含少量的柱状晶和极其细小的等轴
晶
,
可以看到明显的分层现象
,
但组织的差别不
大
,
使得力学性能较好.
3
)
经过
EDS分析可知
,
电弧增材制造的
2319铝合金主要成分Al和Cu的组织形式为固
溶体α相和θ相共存.
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891沈阳大学学报
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第32卷
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2319AluminumAllo
y
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g
and
Microstructure
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g
,
Shen
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y
,
Shen
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110044
,
China
)
Abstract:
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(
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)
【
责任编辑
:
李艳
,
智永婷
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(
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【
责任编辑
:
李艳
,
智永婷
】
991第3期张文明等
:2319铝合金电弧增材制造成型和组织
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