基于電磁感應加熱技術的金屬線材熔融沉積工藝研究*＊

朱雪巖 張遠明 呂東喜 王 驥 阮 亮

(①寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波315211;②中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波315200;③浙江省增材制造技術重點實驗室，浙江寧波315200;④寧波藍野醫療器械有限公司，浙江寧波315200)

增材制造(addictive manufacture，AM;又稱3D打印)是指基于微積分思想，通過對三維CAD零件模型進行切片處理，按照生成的規定路徑將材料逐層累加制造實體零件的過程［1－3］。相比于傳統減材、等材加工工藝，它在成形復雜結構件、易變形件等方面具有獨特的優勢，可以實現零件的快速自由制造。

目前，國內外眾多學者多集中于研究以高能束為熱源加熱熔化金屬粉末或線材，通過熔化再凝固的原理來實現金屬零件的直接快速成形的技術。就現有成熟的 選 區 激 光 熔 化 (SLM)［4－5］、電 子 束 選 區 熔 化(EBM)［6］和激光選區燒結(SLS)［7］等增材制造工藝的特點而言，絲材增材制造方法雖然成形精度低、成形穩定性差、設備自動化不高，但其所用原材料適用范圍廣、沉積效率高、制造運行成本低且能夠成形大尺寸零件，是與現有成熟增材制造方法優勢互補的3D打印技術。

近年來，國內研究機構也開始意識到絲材3D打印技術在提高材料利用率、減少能源消耗、加快生產速度等方面有獨特的優勢，并對絲材電弧增材制造技術成形工藝與過程控制進行了系統研究［8］。各機構的研究工作主要集中于絲材增材制造方法的成型物理過程、熔池穩定性、組織演變和性能優化。而基于電磁感應加熱技術的金屬線材增材制造工藝的研究成果尚未見相關報道。

本文采用自主研制的基于感應加熱技術的金屬線材熔融沉積系統，以紫銅線材作為原材料，進行薄壁圓筒件成形試驗研究，并對比分析沉積過程中熔滴所受作用力對成形件宏觀形貌形成的影響，通過微觀結構分析成形件的成形質量，驗證工藝的可行性。

1 基于電磁感應加熱技術的金屬線材熔融沉積系統

基于電磁感應加熱技術的金屬線材沉積系統是由超高頻感應加熱系統、送絲驅動系統和運動控制系統等組成。在該系統中，金屬線材由送絲驅動裝置送入感應線圈，在交變磁場的作用下熔化，以金屬液滴的形式沉積于工作臺基板，進而實現結構件的凝固成形。通過噴頭與工作臺的相對運動，實現對預加工軌跡的控制。圖1所示為該系統的整體結構。

本系統中采用的超高頻感應加熱設備由寧波銘貝電子設備有限公司定制，總功率10 kW，感應頻率0.600 kHz～1.1 MHz。同時，為了提高金屬熔滴的沉積質量，工作臺基板下方安裝預熱溫控裝置。

2 沉積系統熔滴受力分析

如2所示為金屬線材熔融沉積成形過程中，熔滴的受力情況。可以看出，熔滴所受作用力主要有重力G、表面張力Fσ和電磁力Fem。

重力是熔滴沉積到基板的促進力，其表達式為:

式中:Rd為熔滴半徑;ρ為液態熔滴密度;g 為重力加速度。

表面張力是金屬線材端部保持熔滴存在，阻礙熔滴沉積的主要作用力，其表達式為:

式中:R為金屬絲材直徑;σ為表面張力系數。

與上述的兩個作用力相比，電磁力對熔滴沉積過渡的影響更加復雜。加熱的金屬線材在非均勻的交變磁場作用下，由于電磁感應的作用，導致金屬線材內部產生渦流。而渦流自身產生的磁場與感應線圈產生的磁場相互作用，使熔滴受到電磁力的作用。為簡化起見，設在某一時刻熔滴上受到Fem1、Fem2電磁力作用，則水平分量的合力為零，而垂直分量的合力Fem促進熔滴沉積的作用。其表達式［9］為:

式中:μ為金屬線材的導磁系數;I0為感應線圈中的電流;Rd為熔滴半徑;i為感應線圈的第i圈;n為感應線圈的總圈數;bi為第i圈的半徑;Z為熔滴幾何中心的高度;Zi為感應線圈第i圈的高度;Fem為熔滴在軸向上某點所受的電磁力;G(x)為無因次函數，與金屬絲材半徑和高頻電流的透入深度之比有關。

3 試驗方案

表1 S201特制紫銅氬弧焊絲化學成分(質量分數，%)

本文以S201特制紫銅氬弧焊絲為原材料，其直徑為2 mm，化學成分如表1所示。為了抑制工作臺因受熱而產生的翹曲變形，本研究采用厚度15 mm的304不銹鋼作為基板。

隨后，通過工藝試驗研究不同的過渡距離條件下所得成形的薄壁圓環實體的層間結合情況。感應頻率、基板預熱溫度等基本工藝參數是根據前期工藝試驗結果得到，具體試驗參數如表2所示。

表2 試驗參數表

4 試驗結果與分析

4.1 成形件宏觀形貌分析

式(3)表明當熔融位置、頻率與電流一定時，金屬熔滴受到電磁力的作用大小完全由感應線圈的幾何形狀和參數有關。根據靜力平衡學理論SFBT(static force balance theory)［10］可知，在沉積過程中，當促進熔滴沉積的合力大于阻礙熔滴沉積的合力時，熔滴將打破平衡狀態，脫落到熔池中。當金屬絲材處于感應線圈的幾何中心時，電磁力的水平分量相互抵消，垂直分量促進熔滴豎直脫落，沉積到基板實現凝固成形;當金屬絲材因外力有較大彎曲變形時，送入段位于感應線圈幾何中心之外，熔滴所受電磁力不再為對稱分布，使得電磁力合力Fem方向明顯背離絲材軸向方向，如圖3所示。

從圖3中可以看出，金屬線材的無規則物理變形及送絲裝置的擠壓作用，使得受到的合力方向發生無規律變化，導致熔化的熔滴在線材端部出現左右擺動現象，進而導致脫落的熔滴從不同的方向沉積到成形件上。沉積穩定性差、脫落周期不固定導致成形件的宏觀形貌粗糙且不均勻。從圖4a、b可以看出，熔滴明顯偏離計算機規劃的理論軌跡，并因沉積后的溫度梯度問題發生自下而上的凝固使成形表面呈現出了環狀臺階。從薄壁圓筒成形件的局部放大圖4b、d的對比中不難看出，金屬線材通過校直裝置穩定送入感應線圈的幾何中心后，電磁力有效促進熔滴過渡沉積，成形件宏觀形貌相對較好，其成形質量明顯優于未校直線材情況下的成形制件。

4.2 過渡距離對層間結合性能影響

利用線切割將在噴頭至基板不同距離條件下成形的薄壁圓筒制件分別切割獲取橫截面，并用拋光機打磨拋光，再使用Quanta 250掃描電鏡進行觀測，其層間結合情況如圖5所示。

由圖5并按照4個標準對成形件的層間結合情況進行評估分析，其中，0代表成形件成形失敗;1代表層間明顯分離(圖5a);2代表層間有明顯的接合面(圖5b);3代表層間完全融合(圖5c)。評估結果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著噴頭至基板距離的縮短，成形件層間結合逐漸變好。在試驗過程中發現當噴頭到基板的距離小于5 mm時，感應線圈對成形件頂部的熱作用較強，導致成形件整體塌陷而使成形失敗;而當噴頭到基板的距離大于30 mm時，熔滴直接以大顆粒狀態冷卻沉積，而不能實現工件的沉積成型。

在后續的試驗研究中，在增加氣體加速系統、氣體保護系統、多軸運動系統等試驗平臺升級改造的基礎上，進一步優化感應線圈的幾何參數、噴頭結構以獲得更好的成形精度與成形質量，實現結構復雜度更高的難熔金屬線材(如 Cu、Al、Ti等)的自由成形。

5 結語

(1)以特制氬弧焊絲為對象，驗證了基于感應加熱技術的金屬熔融沉積增材制造工藝的可行性。

(2)針對宏觀成形形貌分析，確立了該工藝成形過程中電磁力對熔滴沉積的作用機理。

(3)在一定范圍內，減少噴頭至基板的距離有利于增強成形件的層間結合性能，提高成形制件質量。