藥芯焊絲脈沖TIG電弧增材制造電弧特性研究

趙曉燕，楊立軍，黃一鳴, ，黃仕程，李 旺

1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350 2. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350

引 言

金屬增材制造使用的熱源主要有三類： 激光、 電子束及電弧[1]，以電弧為熱源的增材制造因高成形效率，低成本等優(yōu)點(diǎn)而受到重視[2]。金屬增材制造使用的填充材料一般有絲材和粉末兩類，絲材用于電弧增材制造，即為絲材電弧增材制造方法Wire Arc Additive Manufacturing(WAAM)，提高了材料沉積效率，避免了外圍粉末回收的過(guò)程[3]。WAAM電弧熱源主要有TIG電弧、 GMA電弧和等離子弧。GMA電弧WAAM工藝效率相對(duì)較高，但TIG電弧與等離子弧穩(wěn)定性更好。本文面向TIG電弧的WAAM工藝展開(kāi)研究，TIG電弧穩(wěn)定，飛濺與發(fā)塵量小，成形美觀[4-5]。TIG電弧WAAM工藝一般使用實(shí)心絲材填充，但實(shí)心絲材成分調(diào)控靈活性受到絲材可加工性的制約，冶金反應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)工件表面氧化物、 吸附物的工藝適應(yīng)性不好，尤其是去氫能力弱。

本文提出藥芯焊絲TIG電弧WAAM工藝，絲材成分調(diào)控靈活，冶金反應(yīng)豐富[6]，可去除有害物質(zhì)，使熔敷金屬具有更好的力學(xué)性能及工藝性能。藥芯焊絲中一般有酸性與堿性兩種焊絲，酸性焊絲工藝性好，在GMA焊接及增材制造中應(yīng)用廣泛； 而堿性焊絲含有氟化物，發(fā)塵量大，飛濺大，工藝性差，用于GMA焊接及增材制造中受到一定制約。課題組已利用酸性焊絲進(jìn)行了藥芯焊絲 TIG焊電弧特性的研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕z極間距可以使熔滴保持接觸過(guò)渡，焊接過(guò)程穩(wěn)定； 后又進(jìn)行了堿性藥芯焊絲TIG焊工藝研究，與酸性焊絲的焊接效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)堿性藥芯焊絲焊縫中擴(kuò)散氫含量要明顯低于酸性藥芯焊絲焊縫中的擴(kuò)散氫含量[7-8]，堿性焊絲中的氟化物可以有效降低熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量[9]，同時(shí)接觸過(guò)渡可以改善堿性焊絲工藝性差的情況。目前對(duì)于堿性焊絲TIG電弧特性的研究還比較欠缺。本文針對(duì)此情況，以WAAM工藝為背景展開(kāi)研究，使用堿性藥芯焊絲脈沖TIG電弧WAAM方法，將堿性焊絲與脈沖TIG電弧的工藝優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，在脈沖峰值電流階段熔化焊絲形成熔滴，脈沖基值電流階段維持電弧穩(wěn)定[10]，熱輸入控制靈活，參數(shù)可調(diào)程度高，便于精確控制成形[11-12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用高速攝像對(duì)脈沖電弧與熔滴過(guò)渡進(jìn)行拍攝，再利用光譜診斷方法對(duì)電弧溫度及特定元素分布進(jìn)行研究。

1.1 工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

TIG電弧增材制造試驗(yàn)采用JQ.YJ507-1堿性藥芯焊絲，基板為Q235鋼板，圖1為試驗(yàn)裝置示意圖，主要包括送絲系統(tǒng)與高速攝像裝置和光譜采集裝置。試驗(yàn)采用脈沖TIG電弧制作薄壁墻(板)式部件。在工藝試驗(yàn)過(guò)程中，熔敷高度逐層增加，脈沖峰值電流逐漸減小，送絲速度必須隨著減小，才能獲得外觀良好的薄壁件，參數(shù)見(jiàn)表1。脈沖電流頻率約為6 Hz，占空比約為50%，弧長(zhǎng)為5 mm，保護(hù)氣流量10 L·min-1。WAAM過(guò)程非常平穩(wěn)，基本沒(méi)有產(chǎn)生飛濺，獲得了無(wú)夾渣與無(wú)氣孔的薄壁件，如圖2所示。選用PHOTRON FASTCAM Mini UX100型高速攝像機(jī)及其配套系統(tǒng)對(duì)電弧、 熔滴與熔池變化情況進(jìn)行拍攝，攝像頻率為500幀·s-1，分辨率為1 280×616。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

圖2 薄壁成形件(a)： 外觀形貌； (b)： 橫截面形貌Fig.2 Thin-walled part(a)： Appearance shape； (b)： Shape of transversal section

1.2 光譜診斷

光譜采集采用AvaSpec-3648-USB2-RM型光纖式數(shù)字光譜儀，測(cè)量范圍為440～720 nm。光纖探頭外接一個(gè)中空長(zhǎng)直探針并將其固定在二維的移動(dòng)滑臺(tái)上面，以鎢極軸線作為中心，分別沿其左右方向進(jìn)行電弧空間定點(diǎn)采集，每層掃描15個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)間距為1 mm； 共采集五層，分別距離工件表面0.5，1.5，2.5，3.5和4.5 mm，如圖3所示。采集得到的光譜信息傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后處理分析。

圖3 光譜分層掃描示意圖Fig.3 Schematic diagram of spectral scanning

1.2.1 電弧溫度場(chǎng)分析方法

對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)，選擇合適的譜線，利用Boltzmann作圖法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于滿足局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)的等離子體，可以通過(guò)測(cè)量譜線強(qiáng)度而求得等離子體溫度。LTE狀態(tài)的等離子體的譜線強(qiáng)度表達(dá)式如式(1)[13]

(1)

(2)

1.2.2 活性元素分布光譜診斷

藥芯焊絲成分復(fù)雜，藥粉中含有多種元素，藥粉中某些成分易受熱噴發(fā)沾染在鎢極上，對(duì)鎢極造成損傷，影響增材制造工藝性能與成形件質(zhì)量。本研究試驗(yàn)中焊絲采用接觸過(guò)渡方式，避免藥粉噴發(fā)到鎢極上損傷鎢極，改善堿性焊絲工藝性能。為驗(yàn)證上述設(shè)想，選擇焊絲藥粉中特有的易蒸發(fā)元素進(jìn)行標(biāo)定，研究藥粉成分在電弧中的分布情況，進(jìn)而分析藥粉成分對(duì)鎢極的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 電弧與熔池高速攝像分析-熔滴過(guò)渡的渣橋現(xiàn)象

試驗(yàn)拍攝了4組脈沖電流的電弧與熔池圖片，選取電弧特征差異大的50/100 A與50/190 A的圖片進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熔滴有斷續(xù)和連續(xù)兩種方式過(guò)渡，如圖4是熔滴沿渣柱斷續(xù)過(guò)渡高速攝像的圖片。

從圖4可以看出，兩種參數(shù)下電弧形態(tài)在脈沖電流時(shí)都呈鐘罩形，只是尺寸上有較大差異，190 A脈沖峰值電流時(shí)的電弧要比100 A脈沖峰值電流的電弧明顯大一些。

在圖4(a)(b)中，脈沖峰值電流期間鋼皮熔化，形成熔滴附著在焊絲上，沿著焊絲向上運(yùn)動(dòng)，藥粉則形成渣柱與熔池接觸，這種現(xiàn)象稱為“滯熔”現(xiàn)象。對(duì)熔滴受力分析，因焊絲不是導(dǎo)電一極，熔滴主要受到表面張力和重力的作用，而熔滴向上運(yùn)動(dòng)極可能是由于熔滴側(cè)下方靠近電弧，熔滴側(cè)下方液態(tài)金屬受高溫作用蒸發(fā)產(chǎn)生反作用力，推動(dòng)熔滴向上運(yùn)動(dòng)。同時(shí)推測(cè)持續(xù)送絲將渣柱與熔滴推入熔池，藥粉成分在電弧前側(cè)沒(méi)有或很少熔化與蒸發(fā)，因此要關(guān)注藥粉成分在電弧中的分布以及是否對(duì)鎢極產(chǎn)生影響，可通過(guò)光譜診斷方法來(lái)探究。脈沖基值電流期間，電弧對(duì)熔滴的熱作用減弱，熔滴繞渣柱運(yùn)動(dòng)，同時(shí)焊絲送進(jìn)，熔滴與渣柱向熔池運(yùn)動(dòng)，形成渣橋過(guò)渡。

另外一種熔滴過(guò)渡方式如圖5，焊絲熔化與熔池連接形成金屬液橋，熔滴以連續(xù)態(tài)穩(wěn)定過(guò)渡，形成液橋過(guò)渡。熔滴過(guò)渡過(guò)程既有渣橋又有液橋，可稱為“雙橋”現(xiàn)象。

圖4 熔滴沿渣柱斷續(xù)過(guò)渡的脈沖電弧與熔滴過(guò)渡(a)： 50/190 A; (b)： 50A/100 AFig.4 Transition pulsed arc and droplet transition along slag column(a)： 50/190 A； (b)： 50/100 A

圖5 液橋過(guò)渡(a)： 50/190 A; (b)： 50A/100 AFig.5 Liquid bridge transition(a)： 50/190 A； (b)： 50/100 A

拍攝的四組不同脈沖電流參數(shù)的高速攝像圖片中都存在這兩種過(guò)渡方式，其中在50/100 A電流參數(shù)下，出現(xiàn)渣橋過(guò)渡的頻率最高，推測(cè)是因?yàn)槠潆娀∶娣e小，電弧更容易作用到熔滴側(cè)下方而不是籠罩整個(gè)熔滴，熔滴側(cè)下方蒸發(fā)的金屬蒸氣產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)熔滴沿著焊絲向上運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)渣橋過(guò)渡。

2.2 電弧特性光譜分析

2.2.1 藥芯焊絲TIG電弧增材制造電弧溫度場(chǎng)分析

采用圖2點(diǎn)陣法測(cè)量得到各點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)，觀察電弧譜線，440～520 nm波段內(nèi)的ArⅡ譜線分辨率較高且線形較好，滿足Boltzmann作圖法的譜線選擇要求，譜線形狀如圖6。選取ArⅡ的454.50，460.96，472.69和484.78 nm這四條譜線用于計(jì)算，計(jì)算采用的譜線的光譜學(xué)參數(shù)如表2所示。

在熔敷第一層時(shí)，脈沖峰值電流為190 A，電弧底部平鋪于基板之上； 隨著層數(shù)增加，脈沖峰值電流逐漸減小，由160 A減小為130 A和100 A，到第四層后脈沖峰值電流固定為100 A，電弧逐漸局限于薄壁墻的頂部，且隨著電流逐漸變小，電弧尺寸隨之縮小。計(jì)算得到薄壁件不同脈沖峰值電流時(shí)期各點(diǎn)溫度，并擬合繪制電弧溫度分布圖，如圖7。

熔敷過(guò)程中焊絲從鎢極軸線的前(左)側(cè)送入，吸收電弧熱量且對(duì)電弧有擾動(dòng)作用，電弧前側(cè)溫度要低于后(右)側(cè)，電弧前側(cè)尺寸也要稍小于后側(cè)。電弧最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在鎢極下方1～2 mm的范圍，大約為13 000～15 000 K，不同脈沖峰值電流參數(shù)下的最高溫度差別不大，只是最高溫度分布區(qū)域面積有所不同，脈沖峰值電流越大則最高溫度區(qū)域面積越大。

圖6 藥芯焊絲TIG電弧增材制造特征光譜標(biāo)定Fig.6 Spectrum about TIG arc additive manufacturingfilled by fluxed-cored wire

表2 Ar Ⅱ譜線的光譜學(xué)參數(shù)Table 2 Spectroscopic constants of Argon ion transitions

圖7 不同脈沖峰值電流電弧溫度場(chǎng)分布(a)： 190 A； (b)： 160 A； (c)： 130 A； (d)： 100 AFig.7 Distribution of arc temperature field under different pulse peak current(a)： 190 A； (b)： 160 A； (c)： 130 A； (d)： 100 A

在脈沖基值電流時(shí)期，由于電流小，電弧面積相比峰值時(shí)期要小得多，如圖8。在脈沖基值期間，由于電弧面積減小，焊絲與電弧相互作用減弱，電弧溫度場(chǎng)基本關(guān)于鎢極軸線呈對(duì)稱分布。總體而言，TIG電弧保持電弧穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，焊絲熔滴也平穩(wěn)地過(guò)渡到熔池，保證熔敷過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖8 脈沖基值電流電弧溫度場(chǎng)分布Fig.8 Distribution of arc temperature fieldunder pulse base current

2.2.2 藥芯焊絲活性元素分布

藥芯焊絲中含有大量藥粉，若在電弧中受熱噴發(fā)易污染鎢極，影響成形件質(zhì)量，因此本研究采用接觸過(guò)渡的方式避免藥粉噴發(fā)對(duì)鎢極的污染[8]。為了探究藥粉成分在電弧中分布情況，選用藥粉中特有元素的譜線進(jìn)行研究。對(duì)比不填絲與填絲兩種情況采集到的電弧光譜，選擇Na元素作為標(biāo)定對(duì)象，研究藥粉成分在電弧中的分布范圍。光譜儀測(cè)得增材成形過(guò)程中580～640 nm波段譜線圖形如圖9所示，存在兩條明顯的線譜，均為NaⅠ譜線，其中波長(zhǎng)為589.6 nm的 NaⅠ譜線線形好，選擇該譜線進(jìn)行標(biāo)記。

圖9 藥芯焊絲特征元素Fig.9 Characteristic elemental spectrum of flux-cored wire

利用圖3的光譜分層掃描方法，探測(cè)各個(gè)點(diǎn)是否有589.6 nm的NaⅠ譜線存在，利用對(duì)Na元素存在點(diǎn)的標(biāo)記擬合繪出不同脈沖峰值電流下藥粉元素在電弧中的分布情況，如圖10。在縱向上，電流為190 A時(shí)，Na元素最高運(yùn)動(dòng)到了鎢極下方1 mm處，電流越小，藥粉運(yùn)動(dòng)高度越低，在不同的脈沖峰值電流下藥粉均沒(méi)沾染到鎢極上，熔敷過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行。

圖10 脈沖峰值電流下活性元素分布(a)： 190 A； (b)： 160 A； (c)： 130 A； (d)： 100 AFig.10 Distribution of active elements under different pulse peak current(a)： 190 A； (b)： 160 A； (c)： 130 A； (d)： 100 A

Na元素偏電弧后側(cè)分布，說(shuō)明焊絲自電弧前側(cè)送入熔池后，在電弧前側(cè)的電弧中沒(méi)有出現(xiàn)藥粉強(qiáng)烈的噴發(fā)現(xiàn)象，而是進(jìn)入熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)； 從圖2的成形橫截面也可以看出，冶金反應(yīng)很充分，形成的氣體和熔渣及時(shí)上浮，沒(méi)有在內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、 夾渣等缺陷； 由于電弧持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于進(jìn)入熔池的熔滴和藥粉成分向后運(yùn)動(dòng)，因此上浮的熔渣成分在電弧偏后側(cè)的熔池表面與電弧接觸，易蒸發(fā)的元素受熱蒸發(fā)進(jìn)入電弧。這應(yīng)當(dāng)是藥粉成分在熔池和電弧中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

脈沖峰值電流越大，藥粉在電弧空間分布的范圍越廣，由脈沖峰值電流降到脈沖基值電流時(shí)，電弧面積迅速變小，藥粉成分不會(huì)迅速消失，在基值電弧空間大部分范圍內(nèi)都存在藥粉成分，且脈沖峰值電流越大其對(duì)應(yīng)的基值電弧內(nèi)藥粉成分越多，測(cè)得不同脈沖峰值電流對(duì)應(yīng)的脈沖基值電流時(shí)期藥粉元素分布如圖11所示。

圖11 脈沖基值電流下活性元素分布(a)： 50 A(脈沖峰值電流190 A)； (b)： 50 A(脈沖峰值電流160 A)；(c)： 50 A(脈沖峰值電流130 A)； (d)： 50 A(脈沖峰值電流100 A)Fig.11 Distribution of active element under pulse base current(a)： 50 A (Pulse peak current is 190 A)； (b)： 50 A (Pulse peak current is 160 A)；(c)： 50 A (Pulse peak current is 130 A)； (d)： 50 A (Pulse peak current is 100 A)

從上述光譜診斷結(jié)果來(lái)看，電弧溫度場(chǎng)未發(fā)生較大的畸變，意味著電弧比較穩(wěn)定； 藥芯焊絲中的藥粉成分也未對(duì)鎢極造成沾染，在熔池中進(jìn)行了較為充分的冶金反應(yīng)，這種采用接觸過(guò)渡的藥芯絲材脈沖TIG電弧WAAM工藝是成功的。

3 結(jié) 論

利用高速攝像與光譜診斷方法對(duì)脈沖TIG藥芯焊絲WAAM電弧特性進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1) 在所研究的藥芯絲材TIG電弧WAAM工藝的接觸過(guò)渡過(guò)程中藥芯絲材存在 “滯熔”現(xiàn)象，導(dǎo)致焊絲存在渣橋過(guò)渡與液橋過(guò)渡兩種接觸過(guò)渡方式，脈沖峰值電流越小，越容易出現(xiàn)渣橋過(guò)渡； 兩種過(guò)渡方式中渣橋的出現(xiàn)意味著藥芯成分在進(jìn)入熔池前未發(fā)生明顯的蒸發(fā)。

(2) 對(duì)電弧的光譜診斷表明，電弧前側(cè)的電弧溫度低于電弧后側(cè)，但整體的電弧溫度場(chǎng)畸變較小，電弧比較穩(wěn)定； 藥芯成分首先以渣橋方式進(jìn)入熔池，發(fā)生冶金反應(yīng)，在熔池后側(cè)蒸發(fā)進(jìn)入電弧。

(3) 采用接觸過(guò)渡方式，焊絲不作為導(dǎo)電的一極，較好解決了堿性焊絲工藝性差的問(wèn)題，藥粉成分未對(duì)鎢極造成不利影響，保證了藥芯絲材TIG電弧WAAM工藝的順利實(shí)施。

致謝：感謝天津理工大學(xué)李云濤副教授和2018級(jí)碩士研究生許劍的幫助。