電弧增材制造ZL114A鋁合金工藝調(diào)控

何京文 王國慶 田彩蘭 馬 芳 金盈池

電弧增材制造ZL114A鋁合金工藝調(diào)控

何京文1王國慶2田彩蘭1馬 芳1金盈池1

（1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

通過設計正交試驗，研究了電弧熔絲增材制造ZL114A鋁合金的成形電流、電壓、軸增量、層間停留時間等工藝參數(shù)對成形鋁合金力學性能的影響。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對力學性能的影響程度關系是：送絲速度>電流>電壓>層間停留時間；層寬極差分析表明：電流和電壓因素對層寬的影響非常顯著，層間停留時間因素對層寬的影響顯著，送絲速度因素對層寬的影響不明顯；電弧熔絲增材制造ZL114綜合力學性能最好時的成形工藝參數(shù)是：電流170A、電壓13V、送絲速度90mm/min、層間停留時間10s。

ZL114A鋁合金；電弧增材；正交試驗；力學性能

1 引言

電弧增材是以電弧作為熱源，將絲材融化并逐層堆積而成形的一種增材制造技術(shù)，具有效率高、成本低等[3～6]優(yōu)點。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)將電弧增材制造技術(shù)應用于鋁合金構(gòu)件的快速制造，并取得了一定成果。本文以ZL114A鋁合金為研究對象，設計正交試驗，綜合調(diào)控電弧增材制造ZL114A鋁合金的成形電流、電壓、軸增量、層間停留時間等工藝參數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)特征

由Motoman HP20D機器人、Motoman雙軸變位機、Fronius KD 4010推絲式送絲機、Miller Dynasty 350焊機、Jetline AVC 501弧長控制器等主要構(gòu)件集成了電弧增材制造設備，通過控制機器人、TIG焊接電源與送絲機構(gòu)的同步協(xié)調(diào)移動，實現(xiàn)擬成形三維結(jié)構(gòu)件的快速成型，如圖1所示。

圖1 實驗用電弧增材制造設備

2.1 試驗準備

絲材選用牌號為ZL114A、直徑為1.2mm的鋁合金焊絲，基板選用牌號為6061、厚度為10mm的鋁合金平板；保護氣體選用高純氬氣。

2.2 正交試驗設計

任何一個工藝參數(shù)的改變均會對成形質(zhì)量有不同程度的影響，為了分析各因素對成形質(zhì)量的影響情況，明確各因素之間的主次關系，在單道多層成形工藝規(guī)范的基礎上，采用正交試驗設計法中的L9（34）進行四因素三水平的正交試驗以進一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

大量試驗表明，成形電流、電壓、層間停留時間、送絲速度和軸增量對成形質(zhì)量的影響較大。由于試驗過程中設備配備了弧長控制器，可以忽略軸增量對成形質(zhì)量的影響。因而重點探討電流、電壓、送絲速度和層間停留時間對成形質(zhì)量的影響。采用四因素三水平的正交試驗表進行試驗，因素和水平的具體數(shù)值見表1。

表1 因素和水平表

2.3 力學性能分析

由表2可知，經(jīng)過T6狀態(tài)熱處理后，電弧增材制造ZL114A鋁合金的力學性能較好，b=336～352MPa，0.2=264～283MPa，10=9.0%～11.8%，b和0.2的波動范圍小，在4%～7%之間，10的波動范圍大，為34%。參照QJ 3185—2003《航天用鋁合金ZL205A、ZL114A鑄件規(guī)范》可知，電弧增材制造ZL114A鋁合金的b和0.2基本達到了同牌號鑄件在相同熱處理條件下的力學水平，10遠高于同牌號鑄件在相同熱處理條件下的力學水平。

表2 力學性能極差分析結(jié)果

2.4 力學性能的極差和方差分析

以T6狀態(tài)熱處理后試樣力學性能為目標函數(shù)對試驗結(jié)果進行極差分析，以力學性能的最大值為最優(yōu)水平。表2是根據(jù)表1試驗的結(jié)果和極差分析，其中力學性能指標的具體數(shù)值為三次測量結(jié)果的平均值。

極差數(shù)值反映了相應因素作用的大小，值大的因素表示不同水平對指標造成的影響較大，是主要因素；值小的因素，其不同水平對指標造成的影響也相對較小，為次要因素。由此可知，工藝參數(shù)對抗拉強度b、屈服強度0.2的影響程度關系為：送絲速度（C）>電流（A）>電壓（B）>層間停留時間（D）；對延伸率10的影響程度關系為：電流（A）>送絲速度（C）>電壓（B）>層間停留時間（D）。

由于極差分析是對試驗結(jié)果進行直觀分析，涵蓋了試驗誤差對分析結(jié)果的影響，需要進行方差分析，剔除了試驗誤差對結(jié)果的影響。因而，方差分析是極差分析的有利補充。用SPSS軟件對力學性能三次測試的所有結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表3、表4所示。

關于施工用火，規(guī)程規(guī)定：外保溫工程施工現(xiàn)場應為禁火區(qū)域，并應遠離火源，嚴禁吸煙。動用明火時，必須嚴格執(zhí)行動火審批制度，且確認該區(qū)域內(nèi)的可燃類保溫材料已覆蓋了抹面層或界面層，并采取相應的安全措施，設專門的動火監(jiān)護人，配備足夠的滅火器材。嚴禁在已完成安裝的保溫材料上進行電氣焊接和其他明火作業(yè)。

表3 抗拉強度方差分析結(jié)果

表4 屈服強度方差分析結(jié)果

由表3可見，A因素、B因素與C因素對抗拉強度的影響非常顯著，D因素對抗拉強度的影響不顯著。各因素對于抗拉強度影響的主次順序是A=C>B。這與方差分析結(jié)果相一致，但是D因素對試驗結(jié)果無影響。

由表4可知，A和C因素對屈服強度的影響非常顯著，B和D因素對抗拉強度的影響顯著。各因素對屈服強度影響的主次順序是C>A>B>D。這與方差分析結(jié)果相一致。

由上述正交試驗的極差和方差分析結(jié)果可知各因素的最佳工藝參數(shù)，具體如下：

a. 因素A和C對抗拉強度和屈服強度的影響都非常顯著，且因素C較因素A的影響更為顯著；對延伸率的影響不顯著。結(jié)合極差分析可知，C3A1（=170A，=90mm/min）為最佳工藝組合。

b. 因素B對抗拉強度的影響非常顯著，對屈服強度的影響顯著，對延伸率的影響不顯著。結(jié)合極差分析可知，B2（=13V）為最佳工藝。

c. 因素D對抗拉強度的影響顯著，對抗拉強度的影響不顯著，對延伸率的影響不顯著。結(jié)合極差分析可知，D2和D3（=10s和=20s）為最佳工藝。結(jié)合電弧增材制造效率可知，越小越有利于提高成形效率。因此，層間停留時間的最佳選擇為=10s，對于大尺寸構(gòu)件可以連續(xù)成形。

由上述分析可知，獲得最佳力學性能的最優(yōu)工藝參數(shù)是：=170A，=13V，=90mm/min，=10s。

由上述正交試驗的極差和方差分析結(jié)果對各因素的最佳工藝參數(shù)進行分析，具體如下：

a. A和B因素對層寬的影響非常顯著，結(jié)合極差分析和電流對層寬的影響可知，電流與層寬成正比。因而，A（150～170A）可以依據(jù)擬成形構(gòu)件的尺寸和力學性能對電流參數(shù)進行選擇。B對層寬的影響較小，因而根據(jù)力學性能和成形過程的穩(wěn)定性要求，B（=13V）為最佳工藝。

b. C因素對層寬的影響不顯著，可不考慮。

c. D因素對層寬的影響顯著，由極差分析結(jié)果可知，層寬與層間停留時間成反比。

3 結(jié)束語

單道多層試樣綜合力學性能最高時的成形工藝參數(shù)是：=170A，=13V，=90mm/min，=10s。構(gòu)件最佳的成形工藝參數(shù)應依據(jù)構(gòu)件尺寸對成形寬度的要求和成形效率在此基礎上進行一定的調(diào)整。

研究成果可用于支撐件、過渡段殼體類構(gòu)件、框梁類構(gòu)件等構(gòu)件的快速研制。同時，可以為其它牌號鋁合金、鎳基高溫合金、鈦合金等材質(zhì)零件的快速研制技術(shù)研究提供參考，加快電弧熔絲增材制造技術(shù)在不同材料體系中的應用推廣，有利于提高我國國防武器裝備、航天運載型號的快速研制能力。

1 熊江濤，耿海濱，林鑫，等. 電弧增材制造研究現(xiàn)狀及在航空制造中應用前景[J]. 航空制造技術(shù)，2015(23/24)：80～85

2 劉大響，金捷，彭友梅. 大型飛機發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀和關鍵技術(shù)分析[J]. 航空動力學報，2008，23(6)：976～980

3 劉一搏，孫清潔，姜云祿，等. 基于冷金屬過渡技術(shù)快速成形工藝[J]. 焊接學報，2014，35(7)：1～4

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5 劉寧. TC4鈦合金TIG填絲堆焊成型技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學，2013

6 陳天佐，李澤高. 金屬堆焊技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1991

Technical Adjusting of Wire Arc Additive Manufactured ZL114A Aluminum Alloy

He Jingwen1Wang Guoqing2Tian Cailan1Ma Fang1Jin Yingchi1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076； 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

The effects of technical parameters of electrical current, electrical voltage, increment onaxis, standing time between layers, etc, on mechanical properties of wire arc additive manufactured ZL114A aluminum alloy were researched by orthogonal test method. The results showed that the incidence of technical parameters on mechanical properties were wire feeding speed > electrical current > electrical voltage > standing time between layers. The range analysis on layer width results manifested that electrical current and electrical voltage had very significant effect, standing time between layers had significant effect, wire feeding speed had no significant effect. The optimal technical parameters on mechanical properties of wire arc additive manufactured ZL114A aluminum alloy were that, electrical current was 170A, electrical voltage was 13V, wire feeding speed was 90mm/min, standing time between layers was 10s.

ZL114A aluminum alloy；wire arc additive；orthogonal test；mechanical properties

2018-10-01

何京文（1968），研究員，計算機應用專業(yè)；研究方向：電弧增材制造。