氬氦混合氣對(duì)鋁合金CMT電弧增材制造過程成形質(zhì)量的影響

張瑞，王克鴻

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

電弧增材制造技術(shù)主要將焊接電弧作為熱源，金屬焊絲作為增材材料，電弧產(chǎn)生的熱量將焊絲熔化，然后按設(shè)定的增材路徑在選定的基板上由下而上層層堆積，直至形成零件[1]。隨著航空航天、國防軍工等重要技術(shù)領(lǐng)域?qū)Π嘿F金屬零件的性能、精度、成本和周期的要求越來越高[2]，增材制造技術(shù)因其在直接成形金屬零件方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

CMT(cold metal transfer)技術(shù)是將熔滴過渡與焊絲回抽技術(shù)相結(jié)合，熔滴過渡時(shí)電弧熄滅，焊接電流降至幾乎為零，從而大大降低焊接熱輸入，這種焊接工藝特點(diǎn)非常適合低熔點(diǎn)金屬(鋁合金)的增材制造研究[3-4]。氣孔是鋁及其合金電弧增材制造過程中容易出現(xiàn)的缺陷，它的存在降低了構(gòu)件的致密性和耐腐蝕性，減小了有效承載面積，容易形成應(yīng)力集中，從而降低構(gòu)件的強(qiáng)度和塑性，因此必須嚴(yán)格控制氣孔。與氬氣相比，氦氣密度更低，但電離電位高，傳熱性好[5]，在相同電弧長(zhǎng)度條件下，氦氣保護(hù)氛圍下的電弧電壓比氬弧的高(即電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度高)，使電弧有較大的功率，除了有更好的保護(hù)作用外，也使得熔池流動(dòng)性更強(qiáng)，更利于氣體從熔池中溢出。

本文通過鋁合金電弧增材制造實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同氬、氦比例混合氣下電弧增材成形質(zhì)量對(duì)比分析，研究結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鋁合金構(gòu)件的制造提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)中使用6mm厚6060鋁合金做為基板，選用直徑1.2mm的ER5356鋁合金焊絲作熔敷填充材料。基板和焊絲成分見表1、表2。5356為鋁鎂焊絲，強(qiáng)度高，塑性好，有良好的抗腐蝕性。

表1 6060鋁合金基板成分 wt%

表2 5356鋁合金焊絲成分 wt%

焊接方法為CMT，增材速度為50 cm/min，送絲速度為5 m/min，焊絲桿伸長(zhǎng)10 mm，保護(hù)氣分別為純氬氣、85%Ar+15%He、70%Ar+30%He、50%Ar+50%He、25%Ar+75%He、100%He，保護(hù)氣流量20 L/min，每層焊槍提升量1.5 mm，層間等待時(shí)間60 s，共計(jì)25層。

實(shí)驗(yàn)利用CCD圖像采集系統(tǒng)在固定位置處采集帶標(biāo)定物的金相截面照片，對(duì)照片進(jìn)行二值化變換、輪廓提取、輪廓像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作后獲得直角坐標(biāo)系中具有實(shí)際尺寸試樣的輪廓線(圖1(a))，再對(duì)獲得的實(shí)際輪廓曲線進(jìn)行直線擬合(圖1(b))，計(jì)算輪廓線與擬合后直線的誤差值。

圖1 試樣輪廓線

采用X射線檢測(cè)的方法，觀察直徑>0.2 mm的宏觀氣孔在試樣中的數(shù)量和分布情況。同時(shí)針對(duì)氣孔直徑<0.2 mm的顯微氣孔，實(shí)驗(yàn)使用掃描電鏡觀察，由于試樣尺寸較大，視場(chǎng)區(qū)域不足，需要將得到的圖片進(jìn)行拼接，恢復(fù)試樣原本整體形貌。截取試樣中間平整部分，截取圖片后再使用ImageJ軟件進(jìn)行圖像處理，計(jì)算顯微氣孔率(圖2)。

圖2 掃面電鏡下試樣氣孔分布全貌圖

實(shí)驗(yàn)主要使用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡對(duì)金相試樣進(jìn)行顯微組織分析。首先使用電火花線切割機(jī)垂直增材方向獲得金相試樣，經(jīng)過240#、320#、400#、600#、800#金相砂紙打磨，并用W5、W1的研磨膏在拋光機(jī)上拋光，最后使用20%的氫氟酸溶液腐蝕30s左右，用酒精清洗后吹干。在對(duì)拉伸試樣斷口形貌和金相試樣顯微氣孔的觀察時(shí)本實(shí)驗(yàn)使用的是FEI Quanta 250F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成形尺寸精度分析

如圖3所示，當(dāng)氦氣比例較低時(shí)，試樣上表面平整度較高。氦氣比例增大到30%后，試樣的上表面開始呈現(xiàn)高低起伏，上表面平整度開始下降，成形精度降低。見表3，隨著保護(hù)氣中氦氣比例的增加試樣寬度有微小增加，高度降低，是由于氦氣做保護(hù)氣時(shí)，相同焊接電流和電弧長(zhǎng)度條件下，氦弧的電弧電壓比氬弧的高(即電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度高)，使電弧有較大的功率，熱輸入也較大。另外氦氣電弧能量密度增大，電弧收縮，熔透率增大，導(dǎo)致熔深變深，對(duì)于多層單道試樣最上層熔池的擾動(dòng)增強(qiáng)，使得上表面不平整。

圖3 不同保護(hù)氣成分下單道多層試樣照片

表3 不同保護(hù)氣成分下試樣截面尺寸

根據(jù)圖4和表3可以看出隨著氦氣比例的增減試樣表面粗糙度先增加后減小，但整體表面粗糙度大于純氬氣。這是由于氦氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，He氣的密度僅僅只有Ar氣的1/10，要達(dá)到相同的保護(hù)效果，He氣的流量應(yīng)是Ar氣的3～4倍,這就是因?yàn)椴捎肏e作為保護(hù)氣體，電弧不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺[5]。焊縫表面粗糙比例較小時(shí)，焊道熱輸入增加，原本層間有凹凸的部分開始出現(xiàn)部分消除，但由于熱輸入并不足以使焊道間完全消除凹凸部分的影響，并且熱輸入增大導(dǎo)致層間熔池流動(dòng)性增強(qiáng)，持續(xù)堆積時(shí)層間穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致部分焊道對(duì)中性不如純氬氣時(shí)好。所以在氦氣比例較低時(shí)，表面粗糙度會(huì)有所增加。當(dāng)氦氣比例達(dá)到50%后，熱輸入能夠更好地消除層間凹凸部分的影響，但穩(wěn)定性依舊不如純氬氣時(shí)好。

圖4 不同保護(hù)氣成分下金相試樣截面照片

2.2 氣孔率分析

首先研究宏觀氣孔，對(duì)所有試樣進(jìn)行X光射線檢測(cè)，如圖5所示。通過觀察X光片可以看到，不論哪種工藝條件下，試樣兩端都有大量的宏觀氣孔缺陷。這是由于起弧和收弧處，電弧不穩(wěn)定所致。另外可以看到試樣中會(huì)有少量直徑>0.2 mm的宏觀氣孔。但隨著氦氣比例的增加，宏觀氣孔的數(shù)量在減少，當(dāng)氦氣比例達(dá)到75%時(shí)宏觀氣孔基本消失。宏觀氣孔主要分布在層間結(jié)合處，層內(nèi)只分布有少量，這是由于層間等待60 s時(shí)，焊道表面溫度降低，鋁合金發(fā)生氧化，會(huì)有少量空氣中的水分附著在焊道表面，再焊接時(shí)這部分水分受熱分解產(chǎn)生的氫氣溶入熔池中，但來不及逸出最終形成宏觀氣孔。

圖5 不同保護(hù)氣體成分的X光片

根據(jù)掃描電鏡在放大80倍時(shí)所觀察到的金相試樣(圖6)可以看到顯微氣孔比較均勻地分布在試樣的截面上，并未出現(xiàn)聚集。根據(jù)表4可以看出，當(dāng)氦氣比例增加的時(shí)候，試樣中顯微氣孔的氣孔率在減小，當(dāng)氦氣比例達(dá)到75%時(shí)，氣孔率<0.1%?；旌媳Ｗo(hù)氣中氦氣的加入，使得增材過程中熔池上表面保護(hù)氣體的電離能增加?；≈妷荷?，電弧功率增大，熔池受熱溫度上升，流動(dòng)性增強(qiáng)。高的弧柱電壓也有利于破壞熔池表面的氧化物層，使熔池中的氣體更易逸出。加入的氦氣還可以改變?nèi)鄢氐男螤?，氦氣比例的增加使焊道熔深變小而熔寬加大，這種形狀更利于氣體的逸出。

表4 金相試樣氣孔率統(tǒng)計(jì)表

圖6 不同保護(hù)氣體金相試樣顯微氣孔分布圖

2.3 抗拉強(qiáng)度與延伸率分析

由圖7可看出當(dāng)平行增材方向的拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度比垂直增材方向試樣的抗拉強(qiáng)度要高。平行于增材方向的拉伸試樣在氦氣比例<50%時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本沒有差別，30%氦氣時(shí)達(dá)到最大252.5MPa。當(dāng)氦氣比例提高到75%后，平行增材方向試樣的拉伸強(qiáng)度由于氦氣比例的提高，熱輸入量增大，導(dǎo)致晶粒粗大，β相析出增多，從而出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度降低。垂直增材方向的拉伸試樣，在氦氣比例達(dá)到30%時(shí)就開始下降。說明層間冶金結(jié)合對(duì)氦氣比例的變化更加敏感。并可以看到抗拉強(qiáng)度同樣受氦氣比例的增加而降低，但降低的幅度基本不變。

圖7 不同保護(hù)氣成分下試樣抗拉強(qiáng)度

從圖8中可以看出：平行增材方向上，不混入氦氣(純氬氣)時(shí)，斷裂延伸率可達(dá)到此種工藝條件下的最大值29.42%，并且拉伸試樣的延伸率會(huì)隨著氦氣比例的增加逐漸增加。垂直增材方向上，氦氣比例達(dá)到75%后斷裂延伸率會(huì)比較大，能夠達(dá)到25.66%。從延伸率上可以看出氦氣的加入對(duì)于材料的延伸率確實(shí)有較大影響。

圖8 不同保護(hù)氣成分下試樣延伸率

3 結(jié)語

1) 當(dāng)氦氣比例較低時(shí)試樣上表面平整度較高，氦氣比例增大到30%后，試樣的上表面開始呈現(xiàn)高低起伏，上表面平整度開始下降, 成形尺寸精度降低。試樣表面粗糙度隨氦氣比例的增加先增加后減小。

2) 對(duì)氣孔率的研究表明當(dāng)氦氣比例增加到75%后，不僅可以有效消除0.2mm以上的宏觀氣孔，也可以消除顯微氣孔。

3) 平行于增材方向的拉伸試樣在氦氣比例<50%時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本沒有差別，30%He時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值252.5 MPa。純氬氣時(shí)，斷裂延伸率可達(dá)到此種工藝條件下的最大值29.42%，之后拉伸試樣的延伸率會(huì)隨著氦氣比例的增加逐漸增加。

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