電弧增材高頻微錘擊系統及工藝特性的初步物理模擬

胡超雄，肖珺，陳樹君

(北京工業大學,汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心，北京 100124)

0 前言

近幾年來，電弧增材制造技術的研究和應用發展迅速，電弧增材類似堆焊過程，物理本質上仍然是金屬局部的快速熔化、冷卻和凝固，復雜的熱循環使得電弧增材構件面臨焊接過程類似的問題：殘余應力和變形，內部缺陷、晶粒粗大引起的力學性能下降等[1-6]。因此，如何改善金屬增材制造材料組織，提高其力學性能成為電弧增材領域一個重要挑戰。借鑒電弧焊接過程隨焊錘擊、碾壓可以有效改善焊縫微觀組織，提高力學性能，在電弧熔絲增材過程同步施加微區錘鍛或沖擊作用，是提高增材零件組織性能的可行途徑。Colegrove等人[7]在電弧增材制造過程中對材料進行了滾壓處理。結果表明，軋制后樣品內的殘余應力小于未處理樣品的殘余應力，且離基材越近，效果越明顯。同時，在隨后的沉積過程中，軋制后的材料再加熱會在材料內部引起晶粒細化。Gu等人[8]通過層間軋制和后沉積熱處理研究了鋁合金孔隙率的變化。結果表明，在不同的軋制載荷下，材料中的孔數均大大減少。與此同時，Gu等人[9]還發現在不同載荷下層間軋制處理后，Al-6.3Cu合金的硬度和強度得到顯著提高。

噴丸和超聲沖擊處理(UIT)已用于焊接應用，以減少局部殘余應力和改善焊接機械性能。Li等人[10]研究了低溫(80 ℃，120 ℃和160 ℃)超聲表面軋制對HIP Ti-6Al-4V合金材料表面層組織和性能的影響。結果表明，低溫超聲表面處理的樣品在材料表面改性層中發生明顯的塑性變形，并伴有一些細化的晶粒和致密的位錯。H?nnige等人[11]研究了新型機械錘擊(MHP)工具的潛力，以補充或取代軋制作為層間冷加工技術。結果表明，MHP是一種在Ti-6Al-4V 電弧增材過程實現晶粒細化的合適技術。

這些方法都有各自的優點，但應用于增材制造過程同步錘擊，有著共同的局限性：體積大，設備較笨重，空間可達性和行走速度都受限，其次錘擊力和錘擊頻率互相制約，大錘擊力則頻率過低，高頻錘擊則錘擊力小。文中提出了一種新型基于小型直線促動器的隨焊微錘鍛技術，具有結構緊湊，高頻大力輸出的特點。文中將介紹該系統的基本工作特性，并通過試驗進行初步的驗證。

1 試驗系統方法

1.1 系統結構及錘擊能力測試

文中設計的機器人微錘鍛系統如圖1所示，可見體積非常緊湊小巧，可以集成與焊槍集成于一個機器人，也可以裝載到另一輔助機器人進行多機協同。末端的滾動機構可以保證高速行走在焊縫表面。緊湊設計的錘鍛裝置可以保證盡可能離熔池更近的去進行錘擊，有利于高溫凝固區的處理，同時增強對液體熔池的振蕩沖擊。該節主要對系統的錘擊能力進行驗證，即在高頻率下獲得足夠的錘擊力。線性促動器的輸出壓力可通過峰值為0 ～ 10 V的脈沖波形控制信號進行調節，錘擊頭內置有壓力傳感器實時測量錘擊力大小。圖2所示為10 V峰值驅動電壓，200 Hz頻率下的力輸出結果，最大錘擊力超過2 000 N，而且錘擊頭動態響應性能及錘擊力上升斜率令人滿意。錘擊力大小和驅動控制電壓近似呈線性變化，3 V驅動電壓下錘擊力約650 N，6 V驅動電壓下錘擊力約1 300 N。實測該系統穩定輸出的錘擊頻率可達2 kHz以上。

圖1 基于線性促動器的微錘鍛系統

圖2 脈沖錘擊力測試

1.2 材料與方法

文中主要介紹所研制的新型錘擊系統，并進行簡單物理模擬驗證試驗，并未進行實際電弧增材過程的同步錘擊，主要是驗證系統的錘擊能力和效果。故而采用鋁合金TIG定點焊接試驗進行模擬，所采用的基板材料為6061鋁合金，基板尺寸300 mm×150 mm×5 mm，采用交流150 A焊接10 s。

隨焊錘擊改善電弧增材組織提升性能的可能機制在于兩方面：一是錘擊頭對當前錘擊位置處已凝固高溫金屬的錘擊作用；二是高頻錘擊振動傳導至前方熔池，振蕩熔池可能促進氣孔逸出，細化晶粒。因此文中設計了兩種模擬試驗方案：①TIG定點焊接，TIG焊槍離開機器人馬上錘擊焊點位置，實際延時約1 s；②TIG定點焊接 + 焊點30 mm處同時錘擊，分別驗證錘擊對高溫凝固區和液態熔池的作用效果，分別如圖3和圖4所示。試驗中采用兩臺機器人配合完成。兩種方案中，驅動電壓都在3V，6 V和9 V三檔變化，每一檔電壓設定50 Hz，100 Hz和200 Hz頻率進行試驗和分析。

圖3 TIG定點焊接附加焊點位置延時錘擊

圖4 TIG定點焊接附加同步近距錘擊

2 試驗結果與分析

2.1 定點焊延時錘擊

圖5顯示了6061鋁合金在不同錘擊頻率下的顯微金相。從圖中可以看出，當錘擊頻率在0～200 Hz的范圍內逐漸增加時，合金的初生相逐漸退化，枝晶連續斷裂。 如果不進行錘擊處理，則合金的主要相是粗大且發達的枝晶。當錘擊頻率為50 Hz時，粗大的樹枝狀晶體破裂，局部出現大的玫瑰狀晶粒，與處理的初生相相比，其顯著降低。 當頻率增加到100 Hz時，短棒晶體開始出現。當頻率達到200 Hz時，初級相由斷裂的樹枝狀晶體和玫瑰形晶體組成。 因此，頻率的增加促進了錘擊處理的晶粒細化效果。

圖5 不同錘擊頻率下6061鋁合金的顯微金相

在此模式下，選定效果良好的200 Hz頻率，改變驅動電壓調節錘擊力，則錘擊效果變化并不明顯，錘擊力過大時反而容易錘出內部裂紋，如圖6所示。這是因為TIG定點焊焊點受到母材的高度拘束，大錘擊力容易導致內部應力過大而產生裂紋。

圖6 200 Hz,9 V錘擊下出現裂紋

2.2 定點焊同步錘擊激振熔池

圖7顯示了6061鋁合金在不同振幅下的顯微組織。從圖中可以看出，當驅動控制電壓從3 V變為9 V時，初級相的形態逐漸退化，并且枝晶連續破碎。未經處理時，合金的主要相為粗大，發達的枝晶。當振幅為3 V時，初級相不會顯著變化，但是當振幅增加至6 V時，粗大的樹枝狀晶體會破裂，并出現局部短棒狀晶體，并且凝固的組織開始細化。當振幅進一步增加到9 V時，樹枝狀晶體完全破裂，并且初級相由破裂的樹枝狀晶體和玫瑰狀晶體組成。因此，振幅的增加促進了振動的細化效果。

圖7 不同激振振幅下6061鋁合金的顯微金相(100 Hz)

通過觀察振動作用下的試驗結果，可以看到熔池的振動可以顯著改善合金的凝固組織，并且振幅的增加使細化效果增強。這是因為在合金的凝固過程中對熔體進行了振動處理。一方面，這種振動的施加促進液態金屬熔池對流，并使熔體內部的溫度波動，從而使枝晶的根部熔化，然后作為形核進入熔體的其余部分。另一方面，該振動還將對液態金屬造成干擾，從而引起液相和枝晶之間的相對運動，并且隨著振動的進行，液相連續沖向枝晶的根部，使其破裂。某些液相之間的移動速度存在一定差異，因此會產生“粘滯剪切”效應[12]。在這種作用下，生長中的樹突尖端將被剪切成一個自由核，然后擴散并增加成核速率。

圖8顯示了6061鋁合金在不同振動頻率下的顯微組織。從圖中可以看出，當振動頻率為50 Hz和200 Hz時，與未處理相相比，合金的初生相形態降低，枝晶局部破碎，但是 頻率變化對晶粒細化的影響很小；但是，當頻率為100 Hz時，很明顯樹枝狀晶體斷裂并且出現玫瑰晶體。這可能是由于100 Hz的振動頻率最接近樹枝狀晶體的共振頻率。此時，熔體中產生的相對運動和碰撞更加頻繁，并且樹枝狀斷裂的程度得到改善。

圖8 不同激振頻率下6061鋁合金的顯微金相(6 V)

3 結論

(1)與非振動處理焊接試樣相比，加入振動后晶粒細化，單個試樣可以清楚地看到樹枝狀斷裂，從粗柱狀晶體到細等軸晶體變化。

(2)錘擊固化的焊縫會破壞結晶方向，破壞生長的樹枝狀晶體，并形成大量晶核以細化晶粒。錘擊頻率變化對晶粒細化的影響比錘擊力的變化更明顯。試驗中200 Hz錘擊頻率效果最佳。

(3)在焊點附件同步錘擊時，錘擊作用實際是振動傳導激振熔池，錘擊力越大，實際振動振幅越大，對晶粒細化的影響比振動頻率更為明顯，振幅越大，晶粒細化效果越好。