基于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的金屬線材熔融沉積工藝研究*＊

朱雪巖 張遠(yuǎn)明 呂東喜 王 驥 阮 亮

(①寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波315211;②中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波315200;③浙江省增材制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江寧波315200;④寧波藍(lán)野醫(yī)療器械有限公司，浙江寧波315200)

增材制造(addictive manufacture，AM;又稱3D打印)是指基于微積分思想，通過(guò)對(duì)三維CAD零件模型進(jìn)行切片處理，按照生成的規(guī)定路徑將材料逐層累加制造實(shí)體零件的過(guò)程［1－3］。相比于傳統(tǒng)減材、等材加工工藝，它在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、易變形件等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)零件的快速自由制造。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者多集中于研究以高能束為熱源加熱熔化金屬粉末或線材，通過(guò)熔化再凝固的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接快速成形的技術(shù)。就現(xiàn)有成熟的 選 區(qū) 激 光 熔 化 (SLM)［4－5］、電 子 束 選 區(qū) 熔 化(EBM)［6］和激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)［7］等增材制造工藝的特點(diǎn)而言，絲材增材制造方法雖然成形精度低、成形穩(wěn)定性差、設(shè)備自動(dòng)化不高，但其所用原材料適用范圍廣、沉積效率高、制造運(yùn)行成本低且能夠成形大尺寸零件，是與現(xiàn)有成熟增材制造方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的3D打印技術(shù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始意識(shí)到絲材3D打印技術(shù)在提高材料利用率、減少能源消耗、加快生產(chǎn)速度等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)絲材電弧增材制造技術(shù)成形工藝與過(guò)程控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究［8］。各機(jī)構(gòu)的研究工作主要集中于絲材增材制造方法的成型物理過(guò)程、熔池穩(wěn)定性、組織演變和性能優(yōu)化。而基于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的金屬線材增材制造工藝的研究成果尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

本文采用自主研制的基于感應(yīng)加熱技術(shù)的金屬線材熔融沉積系統(tǒng)，以紫銅線材作為原材料，進(jìn)行薄壁圓筒件成形試驗(yàn)研究，并對(duì)比分析沉積過(guò)程中熔滴所受作用力對(duì)成形件宏觀形貌形成的影響，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)分析成形件的成形質(zhì)量，驗(yàn)證工藝的可行性。

1 基于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的金屬線材熔融沉積系統(tǒng)

基于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的金屬線材沉積系統(tǒng)是由超高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)、送絲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。在該系統(tǒng)中，金屬線材由送絲驅(qū)動(dòng)裝置送入感應(yīng)線圈，在交變磁場(chǎng)的作用下熔化，以金屬液滴的形式沉積于工作臺(tái)基板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的凝固成形。通過(guò)噴頭與工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)加工軌跡的控制。圖1所示為該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)中采用的超高頻感應(yīng)加熱設(shè)備由寧波銘貝電子設(shè)備有限公司定制，總功率10 kW，感應(yīng)頻率0.600 kHz～1.1 MHz。同時(shí)，為了提高金屬熔滴的沉積質(zhì)量，工作臺(tái)基板下方安裝預(yù)熱溫控裝置。

2 沉積系統(tǒng)熔滴受力分析

如2所示為金屬線材熔融沉積成形過(guò)程中，熔滴的受力情況?？梢钥闯?，熔滴所受作用力主要有重力G、表面張力Fσ和電磁力Fem。

重力是熔滴沉積到基板的促進(jìn)力，其表達(dá)式為:

式中:Rd為熔滴半徑;ρ為液態(tài)熔滴密度;g 為重力加速度。

表面張力是金屬線材端部保持熔滴存在，阻礙熔滴沉積的主要作用力，其表達(dá)式為:

式中:R為金屬絲材直徑;σ為表面張力系數(shù)。

與上述的兩個(gè)作用力相比，電磁力對(duì)熔滴沉積過(guò)渡的影響更加復(fù)雜。加熱的金屬線材在非均勻的交變磁場(chǎng)作用下，由于電磁感應(yīng)的作用，導(dǎo)致金屬線材內(nèi)部產(chǎn)生渦流。而渦流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)與感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使熔滴受到電磁力的作用。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)在某一時(shí)刻熔滴上受到Fem1、Fem2電磁力作用，則水平分量的合力為零，而垂直分量的合力Fem促進(jìn)熔滴沉積的作用。其表達(dá)式［9］為:

式中:μ為金屬線材的導(dǎo)磁系數(shù);I0為感應(yīng)線圈中的電流;Rd為熔滴半徑;i為感應(yīng)線圈的第i圈;n為感應(yīng)線圈的總?cè)?shù);bi為第i圈的半徑;Z為熔滴幾何中心的高度;Zi為感應(yīng)線圈第i圈的高度;Fem為熔滴在軸向上某點(diǎn)所受的電磁力;G(x)為無(wú)因次函數(shù)，與金屬絲材半徑和高頻電流的透入深度之比有關(guān)。

3 試驗(yàn)方案

表1 S201特制紫銅氬弧焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

本文以S201特制紫銅氬弧焊絲為原材料，其直徑為2 mm，化學(xué)成分如表1所示。為了抑制工作臺(tái)因受熱而產(chǎn)生的翹曲變形，本研究采用厚度15 mm的304不銹鋼作為基板。

隨后，通過(guò)工藝試驗(yàn)研究不同的過(guò)渡距離條件下所得成形的薄壁圓環(huán)實(shí)體的層間結(jié)合情況。感應(yīng)頻率、基板預(yù)熱溫度等基本工藝參數(shù)是根據(jù)前期工藝試驗(yàn)結(jié)果得到，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 成形件宏觀形貌分析

式(3)表明當(dāng)熔融位置、頻率與電流一定時(shí)，金屬熔滴受到電磁力的作用大小完全由感應(yīng)線圈的幾何形狀和參數(shù)有關(guān)。根據(jù)靜力平衡學(xué)理論SFBT(static force balance theory)［10］可知，在沉積過(guò)程中，當(dāng)促進(jìn)熔滴沉積的合力大于阻礙熔滴沉積的合力時(shí)，熔滴將打破平衡狀態(tài)，脫落到熔池中。當(dāng)金屬絲材處于感應(yīng)線圈的幾何中心時(shí)，電磁力的水平分量相互抵消，垂直分量促進(jìn)熔滴豎直脫落，沉積到基板實(shí)現(xiàn)凝固成形;當(dāng)金屬絲材因外力有較大彎曲變形時(shí)，送入段位于感應(yīng)線圈幾何中心之外，熔滴所受電磁力不再為對(duì)稱分布，使得電磁力合力Fem方向明顯背離絲材軸向方向，如圖3所示。

從圖3中可以看出，金屬線材的無(wú)規(guī)則物理變形及送絲裝置的擠壓作用，使得受到的合力方向發(fā)生無(wú)規(guī)律變化，導(dǎo)致熔化的熔滴在線材端部出現(xiàn)左右擺動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致脫落的熔滴從不同的方向沉積到成形件上。沉積穩(wěn)定性差、脫落周期不固定導(dǎo)致成形件的宏觀形貌粗糙且不均勻。從圖4a、b可以看出，熔滴明顯偏離計(jì)算機(jī)規(guī)劃的理論軌跡，并因沉積后的溫度梯度問(wèn)題發(fā)生自下而上的凝固使成形表面呈現(xiàn)出了環(huán)狀臺(tái)階。從薄壁圓筒成形件的局部放大圖4b、d的對(duì)比中不難看出，金屬線材通過(guò)校直裝置穩(wěn)定送入感應(yīng)線圈的幾何中心后，電磁力有效促進(jìn)熔滴過(guò)渡沉積，成形件宏觀形貌相對(duì)較好，其成形質(zhì)量明顯優(yōu)于未校直線材情況下的成形制件。

4.2 過(guò)渡距離對(duì)層間結(jié)合性能影響

利用線切割將在噴頭至基板不同距離條件下成形的薄壁圓筒制件分別切割獲取橫截面，并用拋光機(jī)打磨拋光，再使用Quanta 250掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)，其層間結(jié)合情況如圖5所示。

由圖5并按照4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成形件的層間結(jié)合情況進(jìn)行評(píng)估分析，其中，0代表成形件成形失敗;1代表層間明顯分離(圖5a);2代表層間有明顯的接合面(圖5b);3代表層間完全融合(圖5c)。評(píng)估結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著噴頭至基板距離的縮短，成形件層間結(jié)合逐漸變好。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴頭到基板的距離小于5 mm時(shí)，感應(yīng)線圈對(duì)成形件頂部的熱作用較強(qiáng)，導(dǎo)致成形件整體塌陷而使成形失敗;而當(dāng)噴頭到基板的距離大于30 mm時(shí)，熔滴直接以大顆粒狀態(tài)冷卻沉積，而不能實(shí)現(xiàn)工件的沉積成型。

在后續(xù)的試驗(yàn)研究中，在增加氣體加速系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等試驗(yàn)平臺(tái)升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化感應(yīng)線圈的幾何參數(shù)、噴頭結(jié)構(gòu)以獲得更好的成形精度與成形質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度更高的難熔金屬線材(如 Cu、Al、Ti等)的自由成形。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)以特制氬弧焊絲為對(duì)象，驗(yàn)證了基于感應(yīng)加熱技術(shù)的金屬熔融沉積增材制造工藝的可行性。

(2)針對(duì)宏觀成形形貌分析，確立了該工藝成形過(guò)程中電磁力對(duì)熔滴沉積的作用機(jī)理。

(3)在一定范圍內(nèi)，減少噴頭至基板的距離有利于增強(qiáng)成形件的層間結(jié)合性能，提高成形制件質(zhì)量。