工藝參數(shù)對電弧增材制造成形質(zhì)量的影響

范劍超霍玉雙樊海衛(wèi)

(1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.中航鈦業(yè)有限公司，山東 淄博 255086)

0 引言

增材制造技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，是一種利用三維模型數(shù)據(jù)加工各種結(jié)構(gòu)和復(fù)雜幾何形狀的技術(shù)，也稱為3D打印技術(shù)[1]。金屬增材制造技術(shù)是以金屬為原材料的增材制造技術(shù)，主要分為電弧增材制造、激光增材制造以及電子束增材制造3種[2-3]。有些產(chǎn)品由于材料熔點(diǎn)高，難以加工且無法采用鑄造、模具澆鑄等方法生產(chǎn)，可以采用增材制造技術(shù)直接生產(chǎn)，而不需要模具。相對于減材制造技術(shù)而言，增材制造技術(shù)具有節(jié)約原材料、生產(chǎn)時間短、成本低、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。電弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)技術(shù)是一種以焊絲為原材料，利用逐層累加原理的增材制造技術(shù)，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[5]。20世紀(jì)90年代，電弧增材制造技術(shù)才體現(xiàn)出自身優(yōu)勢，相比于激光、電子束，其具有制造成本低、成形效率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。WAAM是利用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten Inert Gas Welding，TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Melt Inert Gas Welding，MIG)、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)、等離子弧焊(Plasma Arc Welding，PAW)、冷金屬過渡焊(Cold Metal Transfer，CMT)和埋弧焊(Submerged Arc Welding，SAW)等焊接技術(shù)逐層熔覆堆積制造產(chǎn)品，成形件是由全焊道構(gòu)成，具有致密度高、化學(xué)成分均勻的優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

21世紀(jì)以來，隨著我國科技的快速發(fā)展和焊接機(jī)器人的應(yīng)用，電弧增材制造技術(shù)也得到快速發(fā)展。利用焊接機(jī)器人進(jìn)行增材制造具有靈活、高效、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能較大程度提高生產(chǎn)效率、競爭力、產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本[9-11]。LIBERINI等[12]研究了熱輸入對ER70S-6焊絲電弧增材制造成形件的影響，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對成形件外貌影響較大，而對微觀組織結(jié)構(gòu)影響較小。TABERNERO等[13]采用PAW、CMT、TIG等3種焊接方法研究了電弧增材制造成形質(zhì)量，其中CMT在不銹鋼增材制造中沉積速率最高，TIG獲得的成形件力學(xué)性能最好，PAW成形件在橫向和縱向都具有較好的力學(xué)性能。王曉光等[14]基于CMT工藝分析了316L不銹鋼電弧增材制造的成形與組織性能，發(fā)現(xiàn)焊接速度、送絲速度、熱輸入對成形件影響最大。NATALIIA等[15]研究了工藝參數(shù)對零件成形特性和加工過程的影響。首次提出了一種非線性函數(shù)預(yù)測工藝參數(shù)對最終成形表面質(zhì)量的影響。郭亞軒等[16]研究發(fā)現(xiàn)焊接電流和焊接速度是影響成形件質(zhì)量的關(guān)鍵因素，合理的層間冷卻時間能有效提升成形件表面精度。倪加明等[17]研究了鎂合金電弧增材制造成形質(zhì)量，當(dāng)沉積電流為120～140 A，沉積速度為10～12 mm/s時，成形質(zhì)量良好，成形件表面光滑。

雖然近年來電弧增材制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，但是仍存在成形精度低、表面成形質(zhì)量差、成形不穩(wěn)定等問題，工藝參數(shù)是造成這些問題的主要原因。但目前，對于碳鋼焊絲電弧增材制造的全面工藝參數(shù)組合研究較少。文章研究了電弧增材制造工藝參數(shù)，通過分析不同工藝參數(shù)下成形件尺寸、成形質(zhì)量，為電弧增材制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供參考。

1 設(shè)備與工藝方案

1.1 設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)中所用焊接機(jī)器人設(shè)備主要包括Pulse MIG-350RP機(jī)器人專用焊接電源、FANUC SYSTEM R-30iB機(jī)器人控制柜、FANUC Robot M-10iD/12機(jī)器人本體、變位機(jī)等。實(shí)驗(yàn)基板選用310 mm×130 mm×6 mm的低碳鋼Q235，焊絲選用直徑為1.2 mm的碳鋼焊絲，其化學(xué)成分見表1。通過文獻(xiàn)[1]可知，混合保護(hù)氣有助于減少飛濺，因此保護(hù)氣體為82%Ar+18%CO2。電弧增材制造成形件長度為200 mm。

表1 基板及焊絲化學(xué)成分表 %

1.2 工藝方案

在電弧增材制造中，成形件是由多層焊道堆積而成的，單道單層焊道是單道多層電弧增材制造的基礎(chǔ)。單道單層焊道的成形質(zhì)量及幾何尺寸對單道多層電弧增材制造成形質(zhì)量有著顯著的影響。為了提高成形件的生產(chǎn)效率和利用率，同時為了保證焊道的連接效果及成分的均勻性，應(yīng)選定合適的熔寬。當(dāng)焊道寬度過大時，成形件表面不平整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻；當(dāng)焊道寬度過小時，對焊道的連接不利，成形件利用率低。所以，控制焊道的熔寬對成形件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此，實(shí)驗(yàn)首先通過單變量方法，選定較好的單道單層焊成形工藝參數(shù)組合，再在工藝參數(shù)組合下研究單道多層焊電弧增材制造，采用控制變量法進(jìn)行最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇，具體參數(shù)見表2。

表2 工藝方案參數(shù)表

方案1研究焊接電流對焊道成形質(zhì)量的影響，焊接電流在90～170 A之間每隔10 A增加一次，其余參數(shù)保持恒定。方案2研究電弧電壓對焊道成形質(zhì)量的影響，電弧電壓在18～22 V之間每隔1 V增加一次，其余參數(shù)保持恒定。方案3研究焊接速度對焊道成形質(zhì)量的影響，焊接速度在3～11 mm/s之間每隔1 mm/s增加一次，其余參數(shù)保持恒定。方案4研究干伸長對焊道成形質(zhì)量的影響，干伸長在7～23 mm之間每隔2 mm增加一次，其余參數(shù)保持恒定。方案5研究電弧增材制造路徑對成形件成形質(zhì)量的影響，電弧增材制造路徑采用單方向焊、往復(fù)焊兩種方式，其余參數(shù)保持恒定。方案6研究層間停留時間對成形件成形質(zhì)量的影響，層間停留時間在30～120 s之間每隔30 s增加一次，其余參數(shù)保持恒定。方案7研究不同電弧增材制造方式對成形件質(zhì)量的影響，采用往復(fù)直焊和往復(fù)擺焊兩種方式進(jìn)行研究，其余參數(shù)保持恒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接電流對成形質(zhì)量的影響

不同焊接電流下的焊道成形情況如圖1所示，焊道熔寬尺寸如圖2所示。隨著焊接電流的增大，焊道的熔寬明顯增大。分析表明:當(dāng)電流增大時，電弧力會增大，熱輸入量增大，熔池內(nèi)焊絲熔化量成比例增大，熔寬增加。焊接電流太小時，不易起弧，易熄弧，電弧不穩(wěn)，易產(chǎn)生未焊透、夾渣、焊瘤、冷裂紋等缺陷；焊接電流過大時，焊道較寬，易引起燒穿、咬邊、氣孔、熱裂紋等缺陷，并增加金屬飛濺，造成浪費(fèi)，還可造成焊道和熱影響區(qū)金屬晶粒粗大(易發(fā)生熱脆化)，影響其物理性能。通過對比發(fā)現(xiàn)，焊接電流在130 A時焊道成形較好，焊道熔寬適中，焊接過程相對穩(wěn)定，所以接下來的實(shí)驗(yàn)中焊接電流均選用130 A。

圖1 不同焊接電流下的焊道成形情況圖/A

圖2 不同焊接電流下成形件熔寬尺寸圖

2.2 電弧電壓對成形質(zhì)量的影響

不同電弧電壓下的焊道成形情況如圖3所示，焊道熔寬尺寸如圖4所示。當(dāng)電弧電壓升高時，焊道熔寬增大，電壓＞21 V時，焊道寬度明顯增大。分析認(rèn)為當(dāng)電弧電壓增大時，電弧功率隨著增大，熱輸入量增大，電弧延伸量增大，分布半徑增大，熔寬增大。通過對比發(fā)現(xiàn)，電弧電壓在20 V時焊道成形較好，焊道熔寬適中，焊接過程相對穩(wěn)定，所以接下來的實(shí)驗(yàn)中電壓均選用20 V。

圖3 不同電弧電壓下的焊道成形情況圖/V

圖4 不同電弧電壓下成形件熔寬尺寸圖

2.3 焊接速度對成形質(zhì)量的影響

不同焊接速度下的焊道成形情況如圖5所示，焊道熔寬尺寸如圖6所示。隨著焊接速度的增加，焊道的熔寬會隨之減小。分析原因認(rèn)為，隨著焊接速度的提高，焊接能量降低，熔池內(nèi)單位長度上的焊絲金屬熔敷量減少，從而使焊道熔寬隨之降低。當(dāng)焊接速度＞8 mm/s時，焊道出現(xiàn)彎曲，表面出現(xiàn)了氣孔缺陷。通過對比發(fā)現(xiàn)，焊接速度在5 mm/s時焊道成形較好，焊道熔寬適中，所以接下來的實(shí)驗(yàn)中焊接速度均選用5 mm/s。

圖5 不同焊接速度下的焊道成形情況圖/(m·s-1)

圖6 不同焊接速度下成形件熔寬尺寸圖

2.4 干伸長對成形質(zhì)量的影響

不同干伸長下的焊道成形情況如圖7所示，焊道熔寬尺寸如圖8所示。干伸長增加，焊絲的電阻熱隨之增大，焊絲熔化速度也相應(yīng)加快，熔池內(nèi)金屬熔化量稍有增加，因此焊道的熔寬隨著干伸長略有增大。

圖7 不同干伸長下的焊道成形情況圖/mm

圖8 不同干伸長下成形件熔寬尺寸圖

當(dāng)干伸長＞20 mm時，焊接過程中飛濺增大，焊接過程不太穩(wěn)定，焊道成形變差。通過對比發(fā)現(xiàn)，干伸長在15 mm時焊道成形較好，焊道熔寬適中，所以接下來的實(shí)驗(yàn)中干伸長均選用15 mm。

2.5 電弧增材制造路徑對成形質(zhì)量的影響

通過對單道單層焊的實(shí)驗(yàn)研究，最終確定工藝參數(shù)組合:焊接電流為130 A，電弧電壓為20 V，焊接速度為5 mm/s，干伸長為15 mm。在此工藝參數(shù)下進(jìn)行電弧增材制造實(shí)驗(yàn)，電弧增材制造層數(shù)為25層，分析電弧增材制造路徑、層間停留時間和電弧增材制造方式對電弧增材制造成形件的影響。

單方向焊成形件右端高度測量如圖9所示，其余部分尺寸測量方法與之相同。有少許飛濺及水銹產(chǎn)生，分析其原因是Ar純度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。成形件尺寸如圖10所示，壁厚為6 mm，流淌高度差(成形件兩端和中間的最大高度差)為14.5 mm。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)單方向焊方法成形質(zhì)量較差，成形件的起弧端明顯高于熄弧端，成形件材料利用率低，這是因?yàn)槠鸹《穗娏鬏^大，焊絲熔化堆積，熄弧端電流逐漸減小，焊絲熔化不足造成的。

圖9 單方向焊成形件右端高度圖

圖10 不同電弧增材制造路徑下成形件尺寸圖

采用往復(fù)焊的方式，即第1層焊道的熄弧端是第2層焊道的起弧端，第2層焊道的熄弧端是第3層焊道的起弧端，以此類推，直至電弧增材制造層數(shù)達(dá)到25層。成形件右端高度如圖11所示，其余部分測量方法與之相同。成形件尺寸由圖10可知，往復(fù)焊成形件高度為37 mm，壁厚增加為8.5 mm，流淌高度差減小為5 mm，單方向焊成形件熄弧端明顯比其余部位低，兩端高度差高達(dá)16.5 mm，往復(fù)焊成形件的起弧端與熄弧端相互彌補(bǔ)，成形件兩端高度差僅有1 mm，因此往復(fù)焊方式成形質(zhì)量明顯好于單方向焊方式，往復(fù)焊成形件的材料利用率比單向焊要高。

圖11 往復(fù)焊成形件右端高度圖

2.6 層間停留時間對成形質(zhì)量的影響

層間停留時間為30 s時，成形件中間高度測量如圖12所示，其余部分尺寸測量方法與之相同。成形件尺寸如圖13所示，成形件總高度為37 mm，壁厚為8.5 mm，流淌高度差為5 mm，成形件側(cè)面流淌，成形差，焊道出現(xiàn)凹凸彎曲，成形件的材料利用率不太理想。分析主要原因可能是層間停留時間短，上一層焊道還未冷卻，就開始了下一層的堆焊，對上一層焊道進(jìn)行了重熔，導(dǎo)致液體金屬發(fā)生流淌。

圖12 30 s成形件中間高度圖

圖13 不同層間停留時間下成形件尺寸圖

層間停留時間為60 s時，成形件中間高度測量如圖14所示，其余部分尺寸測量方法與之相同。成形件尺寸由圖13可知，成形件總高度增加為40 mm，壁厚為7 mm，流淌高度差為6 mm。由于層間停留時間增加，焊道冷卻時間增大，余高增加，因?yàn)楹附z熔化量不變，所以壁厚有所減小，側(cè)面流淌和焊道彎曲的成形問題得到改善，材料利用率有所提升，從第10層開始出現(xiàn)側(cè)面流淌，第10層以后成形差。分析主要原因?yàn)閷娱g停留時間短，隨著電弧增材制造層數(shù)的增加，熱量積累逐漸增加，導(dǎo)致焊道重熔出現(xiàn)流淌，成形高度低，成形差。

圖14 60 s成形件中間高度圖

層間停留時間增加至120 s時，成形件中間高度測量如圖15所示，其余部分尺寸測量方法與之相同。成形件尺寸由圖13可知，成形件總高度為41 mm，壁厚為7 mm，流淌高度差為5 mm，側(cè)面流淌和焊道彎曲的成形問題變化不大，成形件側(cè)面仍有金屬流淌，焊道仍有彎曲。層間停留60 s時，熔池內(nèi)液態(tài)金屬已經(jīng)凝固，因此繼續(xù)增加停留時間，對成形件尺寸影響不大，綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮生產(chǎn)效率和成形質(zhì)量等多方面問題，層間停留時間為60 s最佳。

圖15 120 s成形件中間高度圖

2.7 焊接方式對成形質(zhì)量的影響

針對實(shí)驗(yàn)中成形件側(cè)面流淌和焊道彎曲問題進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行電弧增材制造時，成形件表面會出現(xiàn)褐色的氧化生成物。分析認(rèn)為其原因是保護(hù)氣體純度不夠，含有少量水分，在實(shí)驗(yàn)過程中與金屬發(fā)生氧化生成的，焊道的流淌和彎曲可能是這些氧化生成物導(dǎo)致。所以，實(shí)驗(yàn)中清理焊道表面的氧化生成物，成形質(zhì)量較好。因此，保護(hù)氣的純度將影響成形質(zhì)量，以后實(shí)驗(yàn)需使用更高純度的保護(hù)氣。成形件總高度為46 mm，壁厚為7.5 mm，流淌高度差為6 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，處理過氧化生成物的成形件的成形質(zhì)量良好，側(cè)面流淌和焊道彎曲問題得到解決，熔池流動性較好，電弧穩(wěn)定，成形件側(cè)面平整，焊道平直，成形件高度及壁厚均略有增加，成形件的材料利用率得到提升。分析得出，這些氧化生成物會影響焊道的成形，在焊絲熔化后，這些氧化物會導(dǎo)致焊絲熔化不均勻，影響液體金屬的流動路徑，從而導(dǎo)致焊道彎曲和流淌。

采用直焊方式成形件形貌如圖16所示，擺焊方式成形件形貌如圖17所示，成形件尺寸如圖18所示。成形件高度為37.5 mm，壁厚增加為9 mm，流淌高度差為5.5 mm。但成形件側(cè)面的褐色氧化生成物較多，需要后期加工處理。分析可知，采用擺焊方式的成形件成形質(zhì)量較好，電弧增材制造過程穩(wěn)定，焊道間結(jié)合緊密，焊道平直，相比于直焊方式下的成形件，表面光滑。采用擺焊方式進(jìn)行增材制造，有助于提高成形件的利用率，可用于對成形件厚度有較高要求的零件制造，提升生產(chǎn)效率，后期使用時二次加工的工作量減小，有利于提高材料的利用率。

圖16 往復(fù)直焊成形件形貌與高度圖

圖17 往復(fù)擺焊成形件形貌與高度圖

圖18 往復(fù)直焊和往復(fù)擺焊成形件尺寸圖

3 結(jié)論

通過上述研究，得到以下結(jié)論:

(1)基于碳鋼焊絲電弧增材制造的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為焊接電流120～130 A、電弧電壓18～20 V、焊接速度5 mm/s、干伸長15 mm、層間提升距離2 mm、層間停留時間60 s。

(2)在電弧增材制造中，合理的層間停留時間為60 s，有助于減少層間的熱量累積，從而減少金屬流淌，避免焊道彎曲，提高成形質(zhì)量。

(3)相比于直焊方式，采用擺焊方式進(jìn)行電弧增材制造能有效提升成形件的壁厚以及成形質(zhì)量，有助于提高材料的利用率和生產(chǎn)效率。