絲材感應(yīng)預(yù)熱對(duì)電弧增材制造鋁合金薄壁構(gòu)件組織和性能的影響

周海武， 李 澤， 閆 帥， 任杰亮， 張毅川， 李志勇

中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051

0 引言

鋁及鋁合金具有產(chǎn)量高、易于加工、輕量、導(dǎo)電能力強(qiáng)、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。但是鋁的硬度低、耐磨性差嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步發(fā)展。增材制造技術(shù)（俗稱3D打?。┚C合了數(shù)字建模、機(jī)械加工等方面的先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制將絲材或粉末逐層堆積制成任意形狀的零件，相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工具有加工周期短、工序簡(jiǎn)捷、自由度高、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)［1］。增材制造以熱源類型可分為激光增材制造、電弧增材制造、電子束增材制造等。對(duì)于鋁合金的增材制造，激光熱源因鋁合金表面反射率高導(dǎo)致熱能利用率低，而電子束熱源對(duì)環(huán)境要求較高，因此電弧是鋁合金增材制造較為理想的熱源。電弧增材制造技術(shù)［2-3］源于傳統(tǒng)電弧焊技術(shù)，有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，應(yīng)用成本較低，具有節(jié)省材料、熔池尺寸小、移動(dòng)速度快、形狀限制少、非均勻形核位置多等優(yōu)點(diǎn)。電弧增材制造按照工藝種類［4-5］又可分為熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）增材制造、非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）增材制造、冷金屬過(guò)渡（CMT）增材制造、等離子弧焊（PAW）增材制造、復(fù)合電弧增材制造等。國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于電弧增材制造方面的研究已有很大進(jìn)展。劉望蘭［6］研究了5356鋁合金TIG-WAAM過(guò)程中各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)成形形貌和微觀組織的影響，得出增材制造過(guò)程中同層焊道間隔時(shí)間2 min、層間焊道間隔時(shí)間10 min或者逐層遞增（6 min、10 min、14 min）的試件微觀組織較為均勻，為大量β 相（Mg5Al8）和少量雜質(zhì)相（FeMnAl6）彌散分布在α固溶基體上。

但TIG 電弧增材制造鋁合金也存在一些缺點(diǎn)。電弧的能量密度高，鋁合金本身熱導(dǎo)性強(qiáng)，熔池凝固速率快，導(dǎo)致這一過(guò)程中會(huì)形成大量的氣孔缺陷，而氣孔會(huì)使得應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的形成與擴(kuò)展，降低力學(xué)性能。聶文忠［7］等總結(jié)了電弧增材制造鋁合金零件中氣孔的形成機(jī)理、工藝參數(shù)對(duì)氣孔率的影響、降低電弧增材制造鋁合金零件氣孔率的措施。在現(xiàn)有研究中，絲材預(yù)熱是顯著降低熔絲式增材制造鋁合金氣孔率的方法。絲材預(yù)熱按加熱方式的不同分為電流預(yù)熱、感應(yīng)預(yù)熱等，電流預(yù)熱絲材是將絲材與電源正極相連，基板與負(fù)極相連，在絲材不能被電弧完全熔化時(shí)絲材伸進(jìn)熔池，與基板接通形成電流，利用產(chǎn)生的電阻熱加熱絲材，輔助電弧熔化絲材［4］。Hori［8］等討論了熱絲TIG 焊中使用脈沖電流的優(yōu)化效果，詳細(xì)描述了熱絲TIG 焊中的問(wèn)題及原因，提出了解決相關(guān)問(wèn)題的構(gòu)想。感應(yīng)預(yù)熱絲材［9］則是在送絲機(jī)構(gòu)上加裝高頻感應(yīng)線圈，使絲材先通過(guò)線圈感應(yīng)加熱提高溫度，再伸入電弧下方被熔化，然后沉積成形。范成磊等［10］運(yùn)用實(shí)心線圈法算出感應(yīng)系數(shù)，設(shè)計(jì)制作了感應(yīng)加熱線圈，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了不同參數(shù)下焊絲溫度的變化。

本文選用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）電弧增材制造技術(shù)，采用ER4043焊絲制造鋁合金薄壁構(gòu)件，并在TIG 增材制造基礎(chǔ)上增加了焊絲感應(yīng)預(yù)熱工藝，研究絲材感應(yīng)預(yù)熱對(duì)于鋁合金電弧增材制造的優(yōu)化作用。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)使用自主搭建的TIG 電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)以O(shè)TC500P 型TIG 焊機(jī)為熱源，采用PML送絲機(jī)和SPG-10 型高頻感應(yīng)加熱機(jī)，由IRB 工業(yè)機(jī)器人負(fù)載TIG 焊槍、高頻感應(yīng)加熱頭和送絲嘴。TIG 電弧增材制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊絲由PML送絲機(jī)所連的送絲嘴送出，穿過(guò)高頻感應(yīng)加熱頭的線圈部分，最終到達(dá)TIG焊槍正下方，被電弧熔化后在基板上凝固成形。

圖1 TIG增材制造系統(tǒng)Fig.1 TIG Additive Manufacturing system

采用ER4043鋁硅焊絲，直徑1.2 mm，化學(xué)成分如表1所示。基板為1050 純鋁板，尺寸為15 mm×5 mm×3 mm，化學(xué)成分如表2所示。

表1 ER4043焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of ER4043 welding wire （wt.%）

表2 1050純鋁板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical compositions of the 1050 pure aluminum plate（wt.%）

1.2 工藝參數(shù)及結(jié)果

試驗(yàn)選擇的電流方式為交流脈沖電流，脈沖頻率為2 Hz，保護(hù)氣體流量為15 L/min，送絲方式為前送絲，分別在冷絲和熱絲兩種工藝下增材制造薄壁構(gòu)件。在進(jìn)行增材制造之前，先進(jìn)行單道試驗(yàn)得到的工藝參數(shù)如表3、表4所示。在電流相同的情況下，當(dāng)預(yù)熱溫度較低時(shí)，由于總體熱輸入偏小，絲材熔化速度不均勻，導(dǎo)致焊道成形過(guò)程不穩(wěn)定，形成高度與厚度方向上的較大起伏；當(dāng)預(yù)熱溫度較高時(shí)，總體熱輸入大于勻速熔化絲材需要的熱輸入，絲材熔化過(guò)快，焊道前后寬度差大，在末端塌陷現(xiàn)象嚴(yán)重；當(dāng)預(yù)熱溫度與其他參數(shù)匹配，即冷絲工藝基值電流60 A、峰值電流100 A、送絲速度2.2 m/min，熱絲工藝基值電流60 A、峰值電流80 A、送絲速度2.2 m/min、感應(yīng)預(yù)熱溫度220 ℃時(shí)，成形過(guò)程穩(wěn)定，絲材熔化速率基本保持不變，焊道的連續(xù)性較好，成形尺寸均勻，焊道整體成形高度和寬度基本一致，表面形貌比較均勻，沒(méi)有明顯塌陷，分別用這兩種參數(shù)增材制造薄壁構(gòu)件，結(jié)果如圖2所示。

表3 冷絲工藝單道試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Single-wire test parameters of cold wire process

表4 熱絲工藝單道試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Single-wire test parameters of thermal wire process

圖2 增材制造薄壁構(gòu)件Fig.2 Additive manufacturing of thin-walled components

在制成薄壁構(gòu)件后，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行金相磨拋處理，再用HNO3∶HF∶H2O=1∶1∶10 的試劑腐蝕7 s，然后用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

對(duì)兩種工藝制造的薄壁構(gòu)件截面進(jìn)行觀察，如圖3所示。測(cè)量?jī)蓚€(gè)構(gòu)件的尺寸，得到結(jié)果如表5所示，由于熱輸入較小，熱絲工藝下平均層高大于冷絲工藝，而平均厚度相差不大，使用熱絲工藝堆積10層后的高度與冷絲工藝下堆積11層的高度相同，熱絲工藝的平均堆積效率高于冷絲工藝，約為冷絲工藝的111%。由圖3可以看出，熱絲工藝制造的薄壁構(gòu)件的整齊程度要強(qiáng)于冷絲工藝，而且兩種構(gòu)件層與層之間都有明亮的條紋區(qū)，采用光學(xué)顯微鏡觀察條紋區(qū)，金相組織如圖4所示。由圖4 可以看出，條紋區(qū)域的晶粒為細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶，沿堆積方向生長(zhǎng)，垂直穿過(guò)條紋區(qū)。分析認(rèn)為這是增材制造過(guò)程中的熔合區(qū)，前一層凝固成形后，在堆積下一層的過(guò)程中，前一層的頂部再次被電弧熔化然后凝固成形，使構(gòu)件具有明顯的層狀分布。

表5 構(gòu)件尺寸Table 5 Member dimensions

圖3 構(gòu)件截面Fig.3 Section of members

圖4 明亮條紋區(qū)金相組織Fig.4 Metallographic organization of the bright stripe zone

2.2 缺陷分析

如圖3所示，分別在構(gòu)件截面取均勻分布的9個(gè)點(diǎn)，在100倍光鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5 可以看出，制成的構(gòu)件中存在裂紋與氣孔缺陷。裂紋的形成一方面是由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大，在凝固收縮過(guò)程中體積變化較為明顯，容易在柱狀晶薄弱晶界處形成裂紋。另一方面是隨著晶界處形成的鋁硅共晶相濃度增加，裂紋敏感度就增加，極易產(chǎn)生凝固裂紋。電弧增材制造鋁合金過(guò)程中氣孔的形成機(jī)理有兩種，一種是氫原子在鋁合金固相中的溶解度遠(yuǎn)小于在鋁合金液相中的溶解度［12］，當(dāng)絲材與基板在電弧下加熱熔化成為液相后開(kāi)始沉積凝固時(shí)液相中氫原子含量大幅度增加，當(dāng)含量超出最大溶解度時(shí)，就形成了氫分子氣泡。由于鋁合金的散熱能力強(qiáng)，液相凝固的速度比較快，來(lái)不及逸出的氫分子氣泡就在固相中形成氣孔。另一種形成機(jī)理是鋁合金的固相與液相的密度不同［13］，在液相沉積凝固的過(guò)程中凝固收縮和枝晶臂供液不足的現(xiàn)象導(dǎo)致固相與液相之間體積出現(xiàn)差異，而固相與液相的熱收縮系數(shù)不同，固相的收縮速率更高，液相在凝固過(guò)程中凝固速率有增大的趨勢(shì)，此時(shí)拉應(yīng)力大于液相與固相界面的表面張力，液相與固相之間就會(huì)有空隙，再加上枝晶數(shù)量的不斷增加和小范圍的凝固阻礙了液相的流動(dòng)，從而形成了收縮性氣孔［12］。從圖5中可以觀察到增加感應(yīng)預(yù)熱焊絲工藝后氣孔缺陷數(shù)量明顯減少，主要原因是熱輸入相較于冷絲工藝下有所減小。氫原子在鋁合金中的溶解度是與溫度正相關(guān)的，熱輸入越大，氫原子被吸收的量就越多，進(jìn)而導(dǎo)致氫氣孔越多。較小的熱輸入可以使晶粒尺寸減小，還能促進(jìn)枝晶形成，從而減少氣孔的形成。

圖5 截面取點(diǎn)金相組織Fig.5 Metallographic structure of the cross-section

2.3 顯微組織分析

分別用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、XRD 分析儀對(duì)構(gòu)件進(jìn)行微觀組織觀察。圖6為200倍光學(xué)顯微鏡下兩種工藝制成的構(gòu)件基體端、熔覆層的組織。可以看出，在基體與第一層堆積的界面以及堆積層與堆積層之間均有區(qū)別明顯的分層區(qū)域，即熔合區(qū)，熔合區(qū)的晶粒相較于熔覆層更加細(xì)小，分析認(rèn)為是由于熔合區(qū)的相對(duì)冷卻速度更快，過(guò)冷度大，因此形成的晶粒更為細(xì)小。同理，增加了熱絲工藝的增材制造過(guò)程調(diào)小了電流，相比于冷絲工藝減小了熱輸入，增加了過(guò)冷度，使得熱絲工藝制造出的構(gòu)件的晶粒尺寸更細(xì)小。

用掃描電鏡觀察熔覆層的顯微組織，并分別對(duì)兩個(gè)構(gòu)件的截面做XRD分析，如圖7所示。并對(duì)點(diǎn)1 和點(diǎn)2 兩個(gè)位置做EDS 點(diǎn)掃描，結(jié)果如表6所示。從表6可以得到晶粒的主要成分為α-Al固溶體，晶界之間為Al-Si 共晶，結(jié)合XRD 分析的結(jié)果可知晶間化合物為Al9Si。ER4043焊絲中Si元素的含量為5%，而晶粒之間Si 的含量遠(yuǎn)高于這一數(shù)值，這是由于凝固階段Si 元素?cái)U(kuò)散速度慢，晶粒先凝固成形，然后晶界形成，來(lái)不及擴(kuò)散的Si 元素就留在晶界中，產(chǎn)生晶間偏析。

表6 EDS分析結(jié)果（原子百分比，%）Table 6 Results of the EDSanalysis（at.%）

圖7 熱絲構(gòu)件SEM與XRD分析結(jié)果Fig.7 SEM of hot-wire process components and the XRD analysis results

2.4 硬度測(cè)試

分別取構(gòu)件的基體端～第2 層、4～6 層、9～11 層三個(gè)部位，以200 μm為間隔，平行距離1 mm對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行3次硬度測(cè)試，取平均值，測(cè)得的結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯瑹峤z工藝構(gòu)件與冷絲工藝構(gòu)件在基體端硬度大致相同，隨著沉積層數(shù)的增加，熱絲工藝構(gòu)件的硬度逐漸明顯大于冷絲工藝構(gòu)件，增加25%～35%。分析認(rèn)為，堆積的層數(shù)越多，熱量積累越多，過(guò)冷度越大，獲得的晶粒更加細(xì)小，硬度就逐漸增加。熱絲工藝下熱輸入更小，有利于晶粒細(xì)化，較小的晶粒排列更為整齊，分布均勻，增加了構(gòu)件的硬度。測(cè)試得到的硬度存在誤差，范圍在0～2.5 HV，產(chǎn)生誤差的原因一方面是測(cè)試過(guò)程中儀器與操作所致，另一方面是組織分布不夠均勻。

圖8 硬度測(cè)試結(jié)果Fig.8 Hardness test results

3 結(jié)論

（1）焊絲感應(yīng)預(yù)熱工藝能有效提高增材制造鋁合金的成形質(zhì)量，獲得的構(gòu)件成形更加均勻，平均堆積效率相較于冷絲工藝增加了11.1%。

（2）電弧增材制造出的4043鋁合金具有明顯的層狀特征，熔合區(qū)宏觀表現(xiàn)為明亮條紋。條紋區(qū)的金相組織以排列整齊的柱狀晶為主。

（3）增加焊絲感應(yīng)預(yù)熱工藝后制造出的構(gòu)件氣孔數(shù)量遠(yuǎn)低于冷絲工藝構(gòu)件，主要是熱輸入小、氫原子吸收量低的原因。

（4）增加了焊絲感應(yīng)預(yù)熱工藝后熔池?zé)彷斎敫?，晶粒?xì)化，在堆積區(qū)域中上部相較于冷絲工藝構(gòu)件硬度增加了25%～35%。