鋁合金電弧增材制造成形工藝與性能研究

王秋雨，楊 可，徐先宜，莊百亮，包曄峰，蔣永鋒

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.機(jī)械科學(xué)研究總院 江蘇分院有限公司，江蘇 常州 213200）

0 前言

增材制造是基于離散/堆積原理，根據(jù)零件的三維模型使用填充材料逐層沉積成三維實(shí)體的一種快速成形技術(shù)[1-3]。該技術(shù)包括激光熔化（SLM）、激光近凈成形（LENS）、電子束熔化成形（EBM）、電弧填絲增材制造（WAAM）等[4]。電弧填絲增材制造技術(shù)（WAAM）以電弧為熱源，焊絲為填充材料，采用逐層沉積的方式，可制造出致密度高、結(jié)合性能好、幾何形狀精確、表面光滑的結(jié)構(gòu)件[5]，能夠滿足鋁合金零件呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)輕量化、性能復(fù)合化等優(yōu)勢。文獻(xiàn)[6-7]以TIG電弧為熱源研究了4043和5356鋁合金的成形規(guī)律，通過預(yù)熱基板、監(jiān)控焊接弧長和控制熱輸入能獲得成形良好的薄壁件。姜云祿[8]基于CMT技術(shù)研究了5356鋁合金成形工藝，表明層間冷卻一定時間可以保證成形精度，但是層間設(shè)置冷卻時間會影響成形的連續(xù)性，降低生產(chǎn)效率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的柏久陽等[9]采用TIG增材制造技術(shù)制造了2319鋁合金薄壁件，發(fā)現(xiàn)焊接電流和層間溫度對焊道寬度存在交互作用，并采用二次回歸的方法準(zhǔn)確預(yù)測了焊道的寬度。

本研究采用TIG電弧增材制造成形方法，研究焊接電流和預(yù)熱溫度對鋁合金增材制造成形的影響，同時對成形件進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試。

1 試驗材料及方法

試驗選用直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲，基板選用400 mm×400 mm×8 mm的AA6061鋁合金板，化學(xué)成分如表1所示。為防止焊接過程中因熱輸入過大導(dǎo)致基板變形，在基板與工作臺之間放置一塊光滑的不銹鋼板，并用夾具加緊基板四角。

表1 ER5356焊絲和AA6061基板的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of ER5356 aluminumw ire and AA6061 substrate %

增材制造平臺由TIG焊機(jī)、自動送絲機(jī)和三軸數(shù)控機(jī)床搭建而成。TIG焊機(jī)為米勒Dynasty350交直流兩用焊機(jī)，試驗采用交流電源；送絲機(jī)為WF-007A型自動送絲機(jī)，送絲速度范圍0～600 cm/min。基板隨工作臺沿x軸和y軸方向水平運(yùn)動，焊槍固定在數(shù)控機(jī)床上，沿z軸方向垂直運(yùn)動。焊接速度300mm/min，送絲速度200cm/min，保護(hù)氣體為99.99%的純氬氣，氣體流量15 L/min。

在基板上沉積長度50 mm的焊道，研究焊接電流和預(yù)熱溫度對單道單層成形形貌的影響，并在此基礎(chǔ)上沉積直徑50 mm、高度30 mm的圓筒件確定單道多層的成形工藝。沉積長度120mm、高度30mm的矩形薄壁件，經(jīng)過切割、打磨、拋光、腐蝕（腐蝕劑為HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶95）處理[10]。使用XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察組織形貌。使用HXD-1000TC顯微硬度計測量試樣硬度。使用SANSCM75205電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，加載速率2 mm/min，拉伸試樣如圖1所示。使用Sigma500型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸示意Fig.1 Diagramof tensile specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 成形工藝與形貌

鋁合金的熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱系數(shù)高，在焊接過程中對熱量的要求較為嚴(yán)格。單道單層成形參數(shù)范圍如圖2所示。A區(qū)域電流對基板和焊絲的熱輸入小，基板預(yù)熱溫度低，單位距離焊道獲得的熱量較小，使熔池高溫停留時間短，導(dǎo)致沉積的金屬鋪展不開，形成的焊道余高過高，如圖3a所示。試驗還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接電流和基板溫度較小時，常出現(xiàn)“跳弧”現(xiàn)象。電弧陽極斑點(diǎn)會短暫停留在基板上，使得該處熔滴聚集長大，當(dāng)基板繼續(xù)移動時，電弧被拉長發(fā)生傾斜，到一定程度時陽極斑點(diǎn)突然跳到下一位置，繼續(xù)停留在基板上。同時鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高，熔滴與基板溫差大，導(dǎo)致熔滴與基板不潤濕，其接觸角大于70°，形成山峰狀焊道，如圖3b所示。B區(qū)為成形良好的工藝區(qū)，該區(qū)熔寬和余高適中，焊道表面光滑，如圖3c所示。C區(qū)的焊道特征是熔寬過大，表面有明顯的魚鱗狀條紋。原因是該區(qū)域單位距離熱輸入量過大，導(dǎo)致沉積金屬過渡鋪展，同時隨著電流的增大，電弧力也隨之增大，在焊接過程中電弧對熔池產(chǎn)生較強(qiáng)的攪拌作用，使熔池內(nèi)熔融的金屬產(chǎn)生劇烈波動，在焊接參數(shù)不變的條件下，焊后會在表面產(chǎn)生魚鱗狀條紋，導(dǎo)致焊道表面粗糙，形貌如圖3d所示。

圖2 單道單層成形參數(shù)范圍Fig.2 Forming parameter range of single layer

圖3 單道單層成形形貌Fig.3 Forming morphology of single layer

在進(jìn)行單道多層沉積時，為了保證成形效率，不設(shè)層間冷卻時間，即沉積完一層立即沉積下一層，中間不熄弧。隨著沉積高度的增加，熔池的散熱方式從三維向二維方向過渡，散熱條件變差，為了防止因過熱成形件坍塌，須相應(yīng)減小熱輸入。

選取初始電流為160 A，基板預(yù)熱溫度150℃，每沉積一層電流減小10 A。由于送絲速度和焊接速度固定不變，所以單位時間、單位距離內(nèi)沉積的金屬量為定值。熔池的溫度越高越有利于沉積金屬的鋪展，形成的熔寬越大。在增材制造的初始階段，成形件獲得的熱量大于散失的熱量，這使得成形件的熱量不斷增加。通過減小電流，成形件的熱量增加幅度會逐漸減小，直至成形件達(dá)到熱平衡狀態(tài)。此時熔寬達(dá)到最大，電流為90A，并在此參數(shù)下完成成形件沉積。沉積出的樣品表面光滑，無裂紋、氣孔等明顯缺陷，如圖4所示。當(dāng)熔寬趨于穩(wěn)定不再變化時說明成形件已達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時無需再減小電流，保證成形件壁厚均勻。

圖4 薄壁成形件形貌Fig.4 Thin-walled deposition morphology

2.2 顯微組織分析

在增材制造過程中，成形件的微觀組織受熔池溫度梯度和冷卻速度影響，不同位置受熱環(huán)境不同，顯微組織存在較大差異。

基板AA6061鋁合金的顯微組織如圖5a所示，其組織均勻、致密，有大量的析出相均勻地分布在α（Al）基體上，晶粒沿著基板軋制方向伸長。沉積層與基板結(jié)合處的顯微組織如圖5b所示，可以看出成形件與基板為冶金結(jié)合，晶粒沿著固/液界面從基板上熔化的晶粒處開始外延生長。該處沿基板的散熱速度快，所以垂直于基板方向為最大的溫度梯度方向，晶粒垂直于基板方向生長，形成典型的柱狀樹枝晶。并且該處接近基板，經(jīng)受了反復(fù)的熱循環(huán)作用，形成的晶粒較為粗大。

沉積層組織有明顯的層狀分布，如圖6a所示。由于在沉積時不設(shè)層間冷卻時間，所以形成的晶粒較為粗大，且有較多的結(jié)晶間隙。圖6a的Ⅰ為沉積層之間的結(jié)合部位，該處與前一層焊道的頂端直接接觸，熱量主要從沉積層流向基板，晶粒沿著熱流方向生長，形成柱狀樹枝晶。圖6a的Ⅱ為沉積層層間部位，沉積時該處直接與空氣接觸屬于多向散熱，溫度梯度小，熔池冷卻速度快，過冷度較大，易形成等軸晶，晶粒生長無方向性。圖6b和圖6c分別為Ⅰ、Ⅱ處的放大圖，可以看出在α（Al）固溶體上彌散地分布著β（Mg5Al8）相，同時還存在一些雜質(zhì)相（FeMn）Al6。β（Mg5Al8）相均勻地分布在晶界和晶內(nèi)，對材料起到彌散強(qiáng)化作用[11]。

成形件頂層的組織形貌如圖7所示。該處散熱條件良好，過冷度較大，組織由樹枝晶向等軸轉(zhuǎn)變。由于沒有受到反復(fù)熱作用，晶粒較為細(xì)小。

圖5 基板與結(jié)合處顯微組織Fig.5 Microstructure of substrate and bonding zone

2.3 力學(xué)性能測試

對試樣進(jìn)行硬度測試，沿沉積方向從試樣底部到頂部每隔0.5 mm取一點(diǎn)。硬度分布如圖8所示，頂層硬度較高，而基板與沉積層結(jié)合處由于電弧的反復(fù)熱作用晶粒粗大，導(dǎo)致硬度較低。整個試樣硬度分布相對均勻，平均硬度為71.3 HV。

對試樣進(jìn)行拉伸試驗，測試結(jié)果為：屈服強(qiáng)度112 MPa，抗拉強(qiáng)度255 MPa，伸長率28.3%。拉伸斷口掃描如圖9所示，能明顯看到大小不一的等軸韌窩，說明為韌性斷裂，力學(xué)性能良好。

3 結(jié)論

（1）獲得了5356鋁合金的成形工藝，初始電流為160 A，預(yù)熱溫度為150℃，每沉積一層電流減小10 A，熔寬達(dá)到穩(wěn)定后電流為90 A，并在此參數(shù)下完成沉積過程。得到的實(shí)體件表面光滑，無裂紋、氣孔等明顯缺陷。

圖6 沉積層顯微組織Fig.6 Microstructure of deposited

（2）成形件各位置由于受熱環(huán)境不同，顯微組織存在較大差異，溫度梯度較大的位置形成柱狀樹枝晶，多向散熱的位置形成等軸晶。β（Mg5Al8）相均勻地分布在晶界和晶內(nèi)，對材料起到彌散強(qiáng)化作用。

圖7 成形件頂層顯微組織Fig.7 Microstructure of top region of deposition

圖8 硬度分布Fig.8 Hardness distribution

圖9 試樣拉伸斷口形貌Fig.9 Tensile fracture morphology of specimen

（3）成形件頂層的硬度最高，基板與沉積層結(jié)合處由于晶粒粗大硬度偏低，平均硬度71.3 HV；成形件的抗拉強(qiáng)度255 MPa，拉伸斷裂為韌性斷裂。