不同基板熱沉的鋁合金電弧增材控形

劉景城, 葉晗哲, 徐貴峰, 婁昊, 耿海濱

(1. 福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院, 福建 福州 350108; 2. 銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司, 福建 福州 350028)

0 引言

電弧增材制造是基于逐層沉積、 以全焊縫構(gòu)成最終成形件的制造技術(shù)[1]. 它在傳統(tǒng)焊接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來、 以電弧及焊絲為熔合源、 通過不斷熔融焊絲實現(xiàn)連續(xù)增材, 具有生產(chǎn)成本低、 沉積效率高等優(yōu)勢[2], 在軌道交通、 航空航天等領(lǐng)域備受關(guān)注. 然而, 在持續(xù)熱輸入作用下, 幾何精度控制成為限制電弧增材應(yīng)用的難題.

為提高成形質(zhì)量, 學(xué)者們通過建立起電弧增材工藝參數(shù)與成形幾何之間的預(yù)測關(guān)系[3-7], 并調(diào)配適當參數(shù), 獲得所需成形尺寸[8-9]. 但在持續(xù)熱輸入下, 沉積層熱積累變化明顯, 前后成形幾何差異較大, 尤其當多層沉積時, 首尾兩端容易產(chǎn)生斜坡、 坍塌等缺陷[10], 致使參數(shù)調(diào)配具有一定難度. 通過降低層間溫度、 增加層間等待時間, 能夠降低熱積累效應(yīng), 提高成形質(zhì)量[11-14], 但這不可避免地導(dǎo)致沉積效率降低.

基板在增材制造過程中不僅起到支撐構(gòu)件的作用, 也為熔池提供換熱空間、 消耗熔池?zé)崃? 即起到熱沉作用, 并影響沉積層成形質(zhì)量. 柏久陽等[15]研究基板對電弧堆焊焊道寬度的影響, 認為基板散熱作用在不同高度對焊道熔寬的影響效果不同. Gudur等[16]研究基板預(yù)熱與冷卻不同條件下沉積層形貌變化, 結(jié)果顯示基板預(yù)熱下沉積層寬度與熔深增加、 高度降低、 基板冷卻下沉積層尺寸變化呈相反之勢. 為進一步研究基板熱沉作用對電弧增材多層沉積影響, 同時實現(xiàn)前后成形一致性, 本研究通過對鋁合金開展電弧增材成形試驗, 從熱耗散角度分析基板對沉積層形貌的影響, 并采取可行策略改善多層增材成形質(zhì)量.

1 電弧增材成形實驗

1.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

試驗采用的電弧增材系統(tǒng)由ABB工業(yè)機器人、 Fronius CMT焊接電源、 送絲機、 CMT自動焊槍等設(shè)備組成. 焊絲采用直徑為1.2 mm的ER5356鋁合金, 基板為6061鋁合金. 首先研究熱輸入對成形形貌的影響, 所選取的工藝參數(shù)如表1所示. 其中, 以成形電流為主要變量, 電壓及送絲速度由CMT一元化模式工藝匹配, 基板尺寸(長 × 寬 × 厚)為160 mm × 160 mm × 5 mm.

表1 不同熱輸入下沉積工藝參數(shù)

圖1為不同熱輸入下單層沉積形貌. 由于一元化匹配, 電流與送絲速度正相關(guān), 即熱輸入增加, 金屬沉積量也增加, 整體沉積層尺寸有增大的趨勢. 當電流為90 A時, 起弧處呈現(xiàn)垂露狀, 與中間部分產(chǎn)生頸縮, 且沉積層中間段存在波紋狀起伏. 電流逐漸增大至110 A后, 波紋狀起伏消失, 頸縮略有改善, 但起弧處垂露狀仍存在. 當電流上升至140 A后, 頸縮開始消失, 但熄弧端凹陷更加明顯. 當電流繼續(xù)增大至150 A后, 起弧端至熄弧端路徑上, 沉積層寬度逐漸變寬. 一方面是因為送絲速度提高, 沉積金屬量增加; 另一方面是隨著熱輸入增大, 熔池鋪展性增強, 熔合區(qū)域逐漸變大.

圖1 不同熱輸入下沉積層形貌 Fig.1 Morphology of deposited layer under different heat inputs

如圖1所示, 起弧處, 由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)較高且基板處于冷態(tài), 熱量通過基板熱傳導(dǎo)作用迅速耗散, 造成熔池凝固速度較快、 流動性小、 熔體鋪展時間較短. 因此, 熔體在表面張力作用下聚集, 并迅速凝固而呈垂露狀. 在焊槍移動下, 起弧端已凝固部分與熔滴之間熔體通道被拉長縮窄, 導(dǎo)致連接處因凝固形成頸縮. 在電流較低, 即熱輸入較小時, 熱量輸入難以維持穩(wěn)定的熔池. 熔池波動幅度較大, 在連續(xù)凝固過程中易于出現(xiàn)波紋狀起伏, 嚴重時會造成駝峰缺陷.

1.2 變基板熱沉成形工藝實驗

通過上述分析可知, 基板熱沉作用會對沉積層形貌產(chǎn)生很大影響. 因此, 通過保持其余參數(shù)不變, 以改變基板尺寸的方式調(diào)節(jié)熔池散熱條件, 研究不同熱沉條件對電弧增材沉積幾何的影響. 根據(jù)熱輸入試驗結(jié)果, 在選取合適工藝參數(shù)進行試驗時需要考慮以下幾方面: 1) 熱輸入較低會使沉積層成形前后一致性較差, 且容易產(chǎn)生波紋狀起伏, 如試驗1、 試驗2; 2) 在多層成形時, 較高的熱輸入容易使熔池過熱, 熔體流動性增強, 易出現(xiàn)流淌、 坍塌等現(xiàn)象, 導(dǎo)致成形失敗; 3) 試驗4, 即120 A電流組中間段成形幾何較為穩(wěn)定, 沉積層尺寸差異較小, 無波紋狀起伏, 熄弧處凹陷區(qū)也較小, 同時能夠降低物質(zhì)輸入等其他因素對成形幾何的影響, 在試驗時使基板熱沉成為顯著性變量. 因此, 選取120 A電流組的參數(shù)進行單層變基板熱沉試驗. 在變基板熱沉試驗、 寬度變化試驗和厚度變化試驗中, 基板長度、 寬度和厚度分別固定為300、 150和5 mm.

在多層增材成形試驗過程中, 考慮冷態(tài)基板對首道次成形的影響, 往往在首道次選擇更大的熱輸入, 以使沉積層同基板保持良好熔合. 若在厚板時選用薄板的工藝參數(shù)或是其他熱輸入不足情況下, 首道次沉積層往往出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象, 使在多層沉積時, 薄壁墻體在熱應(yīng)力作用下發(fā)生翹曲而脫離基板. 而倘若多層時熱輸入過大又易造成熔池過渡向下重熔, 發(fā)生流淌. 在低層需要高的熱輸入, 多層需要低的熱輸入, 但電流與送絲速度正相關(guān), 低熱輸入意味著低的送絲速度, 上下沉積質(zhì)量差異過大影響前后一致性; 且前期多層沉積試驗結(jié)果表明, 沉積一定高度后, 100 A電流參數(shù)下的成形尺寸一致性較好. 綜合考慮后, 多層試驗采用100 A電流參數(shù)組, 以減小熱輸入及物質(zhì)輸入對尺寸影響.

圖2是未進行工藝調(diào)整的單向多層沉積件, 其未考慮上述提及的熱輸入與基板熱沉匹配問題, 從而出現(xiàn)虛焊、 斜坡、 流淌等缺陷, 成形質(zhì)量較差. 為改善多層增材成形質(zhì)量, 針對冷態(tài)基板在起弧端增加起弧電流, 改善頭部垂露狀缺陷與頸縮; 尾部則進行熄弧停留, 即行走至熄弧處后短暫停留, 使材料將熄弧端補足; 同時, 對前3層采用逐層遞減的熱輸入, 后續(xù)熱輸入不變, 以避免因熱輸入過大出現(xiàn)熔池流淌等現(xiàn)象. 經(jīng)多次試驗調(diào)整, 最終成形工藝參數(shù)如表2所示.

圖2 多層成形缺陷Fig.2 Defects of multilayer forming

表2 多層成形工藝參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 基板熱沉對單層成形影響

圖3為不同基板尺寸下單層試驗沉積層形貌圖. 隨著基板尺寸增加, 沉積層寬度減小、 高度增加、 潤濕角減小, 意味著熔池鋪展性減弱, 凝固速率更快, 并且起弧處垂露狀和頸縮現(xiàn)象較為明顯. 結(jié)合上述分析, 是因為基板尺寸越大, 其散熱能力越強; 當散熱能力大于熱輸入時, 熔池難以形成過熱, 凝固速度加快, 熔池鋪展性變差, 起弧處垂露狀及頸縮就越為明顯. 從圖中可以看出, 隨著基板寬度變化, 起弧端雖仍存在差異, 但差異并沒有使基板厚度變得明顯. 因此, 接下來對實際測量的沉積層尺寸進行分析.

圖3 不同基板尺寸下沉積層形貌Fig.3 Morphology of deposited layer under variable substrate sizes

單層不同基板下沉積層尺寸如圖4所示. 基板寬度變寬后, 基板總熱容量變大, 在成形過程中具有更大的散熱空間, 使熔池凝固時間、 在基板上鋪展時間變短, 造成沉積成形幾何趨向于寬度減小, 余高增高. 同樣, 基板厚度增大, 沉積層尺寸具有相似的變化趨勢. 經(jīng)對比發(fā)現(xiàn), 基板厚度對成形幾何的影響遠大于基板寬度, 當基板厚度增加至15 mm, 焊縫寬度為5.7 mm; 基板寬度為250 mm時, 焊縫寬度仍有6.8 mm. 考慮為初始的基板厚度與寬度尺寸差異較大, 橫向上相比縱向上具有更多的散熱空間. 當增加基板厚度時, 縱向上散熱空間成倍增加, 熱傳導(dǎo)效應(yīng)變化更為明顯, 因此, 沉積層尺寸變化也更為明顯. 由此可以證實, 以改變基板尺寸的方式調(diào)節(jié)成形散熱條件, 能夠改變沉積層成形形貌.

圖4 單層不同基板下沉積層尺寸Fig.4 Forming sizes of single layer under variable substrates

2.2 基板熱沉對多層成形影響

圖5是在首尾控形方法基礎(chǔ)上進行變基板寬度試驗獲得的多層沉積件, 采用基板寬度分別是100、 150、 200 mm. 從圖中可見, 不同寬度基板上的成形薄壁件整體均勻一致, 層與層之間界線清晰可見. 首尾高度相差較小, 并未出現(xiàn)坍塌、 流淌等缺陷. 相較圖2中的成形件, 成形質(zhì)量得到極大改善, 表明首尾控形策略是可行的.

圖5 變基板寬度多層沉積成形件Fig.5 Multilayer deposition forming parts with variable width substrates

變基板寬度多層沉積試驗逐層測得層寬與層高數(shù)據(jù)如圖6所示. 圖6(a)中, 沉積層尺寸整體呈現(xiàn)底部若干層層寬變化大, 進入穩(wěn)定沉積階段后層寬保持基本不變. 在前5層中, 不同寬度基板由于散熱條件改變, 對成形尺寸產(chǎn)生較大差異. 基板越窄, 其橫向散熱越差. 在100、 150、 200 mm 3種寬度中, 100 mm的基板首層沉積層尺寸較大, 與穩(wěn)定成形階段層寬差距較小, 由底層進入穩(wěn)定沉積階段更容易; 增加基板寬度至150 mm, 首層沉積層層寬與穩(wěn)定成形階段層寬差距達2.5 mm, 尺寸變化幅度較大, 若熱輸入不足, 該過渡階段將延長; 200 mm寬度基板雖然首層沉積層寬度與150 mm寬度基板相當, 但在更好的橫向散熱條件下, 其熱輸入表現(xiàn)出前述的不足情況, 進入穩(wěn)定成形階段緩慢, 約在10層后, 層寬尺寸才達到穩(wěn)定, 但整體層寬尺寸變化梯度減小, 合理配置熱輸入及散熱條件, 也能達到良好的一致性. 圖6(b)中, 層高整體表現(xiàn)出底部若干層的數(shù)值較大, 逐漸過渡至穩(wěn)定階段后保持基本不變. 首層的層高隨著基板寬度增加而降低; 在低層, 層高隨著層數(shù)變化的趨勢隨著基板寬度增加而放緩, 其中200 mm寬度基板層高變化梯度較小, 約在10層后, 層高才達到穩(wěn)定. 基板寬度越大, 即基板散熱越強, 需要逐層熱積累及縮窄熔池散熱通道來平衡. 因此, 其進入穩(wěn)定成形階段層數(shù)也較大. 當沉積層數(shù)不斷增加后, 基板對沉積層的作用效果逐漸減弱, 在約10層往后, 不同寬度基板下, 其成形尺寸差距不大, 層寬穩(wěn)定在約8 mm, 層高約2 mm.

圖6 變基板寬度多層沉積層尺寸Fig.6 Sizes of multilayer deposition with variable width substrates

變基板厚度多層沉積成形件如圖7所示. 其中, 基板厚度分別為5、 10、 15 mm, 成形質(zhì)量也較好, 前后一致性較高. 在15 mm厚度基板上, 起弧處由于冷態(tài)基板的導(dǎo)熱作用, 焊縫同基板未完全結(jié)合, 導(dǎo)致虛焊, 多層沉積時在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生分離. 不同于往復(fù)路徑增材, 單向增材成形時, 缺陷往往由于單向運動而產(chǎn)生累加作用, 使細微缺陷逐層放大. 觀察成形薄壁墻層間條狀紋路可以看到, 在起弧處沉積層高度高于中間段, 經(jīng)一小段下坡過渡至平穩(wěn), 至熄弧處如不做處理, 將導(dǎo)致原先凹陷熔池因材料未繼續(xù)補充, 凝固后形成凹陷, 后續(xù)便會出現(xiàn)逐層下滑的趨勢, 并不斷放大最終導(dǎo)致控形失敗.

圖7 變基板厚度多層沉積成形件Fig.7 Multilayer deposition forming parts with variable thickness substrates

通過逐層測量, 得到變基板厚度下多層增材沉積層尺寸如圖8所示. 圖8(a)中, 沉積層層寬整體表現(xiàn)出在底部若干層數(shù)值較小, 然后逐層增長至穩(wěn)定成形階段一致性較好的層寬. 當基板厚度增加時, 即基板縱向散熱能力提升, 層寬進入穩(wěn)定階段的過程被延長. 5 mm厚的基板, 第2層層寬已經(jīng)接近穩(wěn)定成形階段的層寬尺寸; 10 mm厚基板在第5層時, 層寬尺寸才接近穩(wěn)定成形階段的層寬; 增大基板厚度至15 mm, 第8層才達到穩(wěn)定成形階段. 更厚的基板使基板熱容量、 熱耗散能力提高, 基板散熱與持續(xù)熱輸入、 熱積累達到平衡的過程被延長. 圖8(b)中, 層高整體呈現(xiàn)出在低層時數(shù)值較大, 隨著層數(shù)增加逐漸過渡至穩(wěn)定階段后保持基本不變. 低層時, 隨著基板厚度增加, 散熱增強, 層高減小; 5 mm厚基板層高在第3層時已接近穩(wěn)定成形階段的層高尺寸; 而10、 15 mm厚基板的層高尺寸過渡至穩(wěn)定成形階段所需層數(shù)更大. 越厚的基板, 散熱能力越強, 用以調(diào)配平衡的熱輸入或熱積累更高, 因此穩(wěn)定成形階段層數(shù)也更多. 在相同層數(shù)時, 厚基板具有更強的熱沉能力. 但隨著高度逐漸增加, 熔池逐步遠離基板, 基板熱沉作用對熔池影響逐漸減弱. 基板尺寸越大, 基板熱沉作用越強, 熔池過熱程度越小, 熔池流動性降低. 當達到一定成形高度后, 熱源遠離基板, 熔池整體散熱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫α骱洼椛鋼Q熱為主, 此時, 底部基板作用減弱, 不同尺寸基板的成形環(huán)境差異性逐漸減小, 沉積層尺寸亦逐漸趨近.

圖8 變基板厚度多層沉積層尺寸Fig.8 Sizes of multilayer deposition with variable thickness substrates

在厚度為20 mm的基板上, 采用相同參數(shù)但無控形策略增材試樣的效果如圖9所示. 從圖中可見, 起弧處至熄弧處整個路徑上存在2個明顯斜坡, 層間部分區(qū)域界線模糊, 有流淌傾向. 同時, 由于基板厚度大, 整個成形路徑上熱耗散遠高于薄板, 沉積層同基板處于弱結(jié)合狀況, 使整個沉積墻體經(jīng)錘打后從基板上脫落. 即使同一層內(nèi), 其成形路徑上散熱環(huán)境亦存在明顯差異. 路徑起點處由于起始狀態(tài)下整體溫度較低, 熔池對外熱耗散能力遠高于路徑終點. 在逐層累積下, 路徑起點處成形高度遠高于路徑終點. 且路徑終點處由于熱積累效應(yīng), 熔池前沿過熱趨勢大, 導(dǎo)致流動性增大, 下塌趨勢逐漸顯著, 成形質(zhì)量變差. 綜合上述控形效果, 進一步表明首尾控形策略的可行性.

圖9 單向多層增材成形缺陷Fig.9 Defects in single-track multilayer additive forming

3 結(jié)語

1) 由于鋁合金高導(dǎo)熱性及基板熱沉效應(yīng), 在單層沉積時, 起弧處容易出現(xiàn)垂露狀頭部與頸縮現(xiàn)象. 對熱輸入試驗各沉積層起弧端、 中間段和熄弧端綜合比對, 發(fā)現(xiàn)120 A電流參數(shù)下成形一致性較好.

2) 基板熱沉?xí)绊懗练e層成形幾何. 在一定范圍內(nèi)基板尺寸越大, 熱耗散能力越強, 熔池凝固速度越快, 沉積層寬度越小, 高度越高. 并且由于熱沉空間差異, 基板厚度相比寬度對成形幾何影響更為明顯. 基板熱沉能力對成形幾何影響隨著沉積高度增加而逐漸減弱. 不同基板熱沉條件下多層沉積成形尺寸最終趨于穩(wěn)定.

3) 采用增大起弧電流、 熄弧端懸停的首尾控形策略能夠改善多層沉積件成形質(zhì)量, 能夠避免產(chǎn)生“虛焊”、 熔池流淌、 坍塌等缺陷.