熔滴過渡模式及絲材對電弧增材制造Al-6.3Cu合金氣孔含量的影響*

李 權，羅志偉，馮 晨，張睿澤，李 晗，孫 超，王福德，曾曉雁

(1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2. 華中科技大學 武漢光電國家研究中心，武漢 430074)

0 引言

航天航空產品具有小批量、多品種的特點，歷來是各種增材制造技術率先應用的領域[1-3]。電弧熔絲增材制造(Wire + Arc Additive Manufacturing，WAAM)同激光同步送粉和電子束熔絲增材制造一樣，是一種金屬材料近凈成形制造技術，所不同的只是所采用的熱源和材料送進方式。該技術被歐洲航天局稱為是一種低能耗、可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術，特別適合大型難加工、貴金屬零件的增材制造。20世紀90年代中期，英國著名航空發(fā)動機公司羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)與克蘭菲爾德大學(Cranfield University)合作開展高溫合金的電弧增材制造技術研究，并成功地將其應用到了飛機發(fā)動機高溫合金機匣的生產[4-5]。

2219鋁合金是一種Al-Cu系高強鋁合金，Cu含量約為6.3%，在航天領域獲得了廣泛應用，是運載火箭箭體結構、導彈武器艙體的主要材料[6]。WAAM技術可解決復雜Al-Cu合金構件鑄造缺陷多、成品率低的難題。為推動WAAM技術在航天領域的應用，國內外研究機構均開展了2219鋁合金的WAAM工藝基礎研究。研究發(fā)現，WAAM成形的2219的主要問題是沉積組織中的顯微氣孔。為此，英國克蘭菲爾德大學(Cranfield University)的Gu Jianglong和Williams Stewart等開展了層間碾壓壓力對WAAM成形2219鋁合金顯微組織、氣孔及力學性能影響的研究，發(fā)現層間碾壓可顯著減少熱處理后的顯微氣孔、提高延伸率，其力學性能夠達到鍛件水平[7-8]。國內哈爾濱工業(yè)大學的柏久陽等研究了基于TIG電弧增材制造的2219鋁合金組織及力學性能，認為層間密集氣孔是導致力學性能各向異性的原因[9]。CONG Baoqiang采用奧地利Fronious公司生產的CMT Advanced 4000R焊接電源開展了WAAM成形2219鋁合金的研究，使用四種熔滴過渡模式成形2219鋁合金單道單層試樣，發(fā)現Advanced CMT+P模式氣孔含量最少[10]。

本文采用氣孔含量定量統(tǒng)計分析的方法，系統(tǒng)研究熔滴過渡模式及不同廠家絲材對WAAM成形的2219鋁合金單壁墻試樣內部氣孔尺寸、數量的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗裝備

試驗采用自主研制集成的WAAM成形系統(tǒng)。裝備硬件主要由日本安川Motoman-HP20D六軸機器人、ZC01兩軸變位機和奧地利Fronius公司的CMT Advanced 4000R焊接電源組成。其中CMT Advanced 4000R焊接電源是目前國際上較先進的全數字一元化焊接電源，具有豐富的多材料焊接專家工藝數據庫。對于鋁合金焊接，該電源提供了四種熔滴過渡模式，分別是冷金屬短路過渡模式(CMT)、冷金屬短路+脈沖噴射過渡模式(CMT+P)、變極性冷金屬短路過渡模式(Advanced CMT)和變極性冷金屬短路+脈沖噴射過渡(Advanced CMT +P)模式。不同模式具有不同電流、電壓波形和熱輸入[11]，對氧化膜的清除效果不同。

1.2 試驗材料

試驗用絲材為三種市售直徑1.2 mm的Al-6.3Cu鋁合金熔化極氣體保護焊絲。分別是加拿大Indalco Alloy公司的2319焊絲，瑞典ESAB公司的2319焊絲，航天材料與工藝研究所(IAMT)的2325焊絲(國產牌號)。焊絲成分化學分析結果如表1所示，符合《GB/T10858—2008鋁合金焊絲標準》要求。增材制造過程使用的保護氣體為99.99%的高純氬氣。試樣成形用基板為2219鋁合金板材。

1.3 試驗方法

(1)熔滴過渡模式對WAAM成形Al-6.3Cu合金氣孔含量的影響

采用加拿大Indalco Alloy公司的2319鋁合金焊絲，在相同的送絲速度(Wire Feed Speed—VWFS)、掃描速度(Travel Speed—VTS)條件下，分別采用四種熔滴過渡模式(CMT、CMT+P、Advanced CMT、 Advanced CMT+P)成形15層的單壁墻試樣，試樣尺寸長100 mm，高20～40 mm，具體參數見表2。其中，21#～24#試樣在增材制造過程中，焊槍在沿試樣長度方向掃描沉積的同時還沿垂直于掃描方向來回擺動，焊槍擺動頻率Fw為3 Hz、幅度Dw為5 mm，在成形25#～28#試樣過程中未采用擺弧技術。成形過程中采用HKS μQAS焊接電流電壓監(jiān)測儀記錄電流電壓波形。計算的電流I、電壓U平均值如表2所示，四種熔滴過渡模式的熱輸入大小依次為：CMT+P、CMT、Advanced CMT、Advanced CMT+P。對成形的沉積態(tài)試樣沿中部橫向(取樣位置如圖1,單位mm)剖切制備金相試樣，不腐蝕，在光學金相顯微鏡下放大50倍觀察氣孔大小和分布，每個試樣在5個隨機視場拍攝金相照片，采用ImageJ圖像處理軟件對照片中的氣孔數量、面積進行統(tǒng)計分析，計算氣孔的數量及尺寸(直徑)。

表1 不同廠家焊絲化學成分

(2)絲材表面質量對WAAM成形Al-6.3Cu合金氣孔含量的影響

采用美國KLA-TENCOR公司Alpha-Step IQ接觸式表面形貌儀測量上述三種Al-6.3Cu合金焊絲表面粗糙度。采用優(yōu)化的Advanced CMT +P工藝參數(表3)分別沉積兩道多層試樣(圖2所示)，試樣長180 mm，高90 mm，厚約22 mm。對沉積后的試樣進行熱處理，熱處理制度為：540 ℃固溶1.5 h，淬火，175 ℃時效3 h。采用上述同樣的方法統(tǒng)計分析氣孔數量及尺寸，金相試樣取樣位置如圖2所示。

表2 不同熔滴過渡模式WAAM成形工藝參數

注：1)VWFS=6 m/min時擺弧無法成形。

圖1 成形試樣尺寸及取樣方向示意圖

表3 兩道多層單壁墻WAAM工藝參數

圖2 兩道多層單壁試樣尺寸及金相試樣取樣位置

2 試驗結果

2.1 熔滴過渡模式對成形氣孔的影響

采用不同熔滴過渡模式、擺弧和未擺弧工藝成形的15層單壁墻試樣實物照片如圖3所示。單壁墻試樣橫截面光學金相顯微照片如圖4和圖5所示。采用四種熔滴過渡模式制備的試樣內部均有氣孔發(fā)現，尺寸均在200 μm以下，主要為顯微氣孔。對比四種熔滴過渡模式制備的試樣，可以發(fā)現采用Advanced CMT +P熔滴過渡模式成形的試樣內部顯微氣孔最少。

四種熔滴過渡模式制備試樣的氣孔面積統(tǒng)計結果如圖6所示。采用CMT+P模式制備的試樣平均氣孔面積最大，達到照片視場面積的1.2%～1.3%。采用CMT和Advanced CMT模式制備的試樣氣孔面積相差不大，平均氣孔面積達0.8%～1.2%。采用Advanced CMT+P模式制備的試樣氣孔面積最小，平均氣孔面積達0.1%～0.3%。相同熔滴過渡模式下，對比擺弧與未擺弧成形試樣，內部顯微氣孔面積未顯著增加或減少。

(a) CMT (b)CMT+P

(c) Advanced CMT (d) Advanced CMT +P

(a) CMT (b) CMT+P

(c) Advanced CMT (d) Advanced CMT +P

從直徑為10 μm的氣孔開始統(tǒng)計，每隔10 μm設一個區(qū)間，統(tǒng)計分析采用四種熔滴過渡模式成形試樣內部顯微氣孔尺寸大小和分布，統(tǒng)計結果如圖7所示。直徑10～20 μm的顯微氣孔數量最多，隨氣孔尺寸增加，顯微氣孔數量顯著降低。采用Advanced CMT+P模式制備的試樣總氣孔數量最少，且氣孔尺寸小于60 μm。對比采用擺弧與未擺弧成形試樣的氣孔大小、分布，采用擺弧成形的試樣中10～30 μm顯微氣孔數量多于未采用擺弧的，未采用擺弧成形的試樣中直徑40 μm以上顯微氣孔數多于擺弧成形的試樣(Advanced CMT+P模式除外)。

圖6 不同熔滴過渡模式制備試樣的氣孔面積統(tǒng)計結果

(a)CMT (b)CMT+P

2.2 焊絲表面質量對成形氣孔的影響

表4為不同焊絲表面粗糙度測量結果。IAMT的2325焊絲表面粗糙度較高，是其他兩種絲材的3倍。圖8是不同廠家絲材的表面形貌SEM觀察結果?？梢?，IAMT的2325絲材表面微裂紋缺陷較多。

表4 絲材表面粗糙度測量結果

(a) Indalco 2319焊絲 (b) ESAB 2319焊絲 (c) IAMT 2325 焊絲

圖9為采用3個不同廠家生產的焊絲所成形的試樣內部顯微氣孔分布狀況的光學顯微鏡觀察結果?？梢?，采用IAMT的2325焊絲成形的試樣內部顯微氣孔尺寸較大。圖10為對應的顯微氣孔面積統(tǒng)計結果。采用IAMT的2325焊絲成形試樣內部氣孔面積最大，達0.6%。其次是采用Indalco Alloy的2319焊絲成形的試樣。采用ESAB的2319焊絲成形試樣內部氣孔面積最小。

(a) Indalco 2319焊絲 (b) ESAB 2319焊絲 (c) IAMT 2325焊絲

圖11為采用不同廠家焊絲成形試樣內部顯微氣孔尺寸及數量統(tǒng)計結果。采用Indalco Alloy的2319焊絲成形試樣內部30 μm以下顯微氣孔數量最多。采用IAMT的2325焊絲成形試樣的顯微氣孔數量不多，但尺寸較大，最大直徑達160 μm。

圖10 不同廠家焊絲成形單壁墻試樣的氣孔面積統(tǒng)計結果

圖11 不同廠家焊絲成形試樣的氣孔尺寸及數量統(tǒng)計結果

3 分析討論

WAAM鋁合金試樣中的顯微氣孔主要是氫氣孔[8]，成形構件中氫的來源主要有焊絲表面氧化膜吸附的水分和保護氣體中的水分。增材制造時，在電弧高溫作用下，焊絲表面氧化膜吸附的水分和保護氣體中的水分分解成氫原子溶解在液態(tài)鋁合金中。氫原子在液態(tài)鋁中溶解度為0.69 cm3/100 g，而在固態(tài)鋁中的溶解度僅為0.036 cm3/100 g，約為液態(tài)鋁的1/20。因此，熔池液態(tài)金屬凝固時會析出氫氣，形成氣孔。

熔池中的氣孔形成主要有三個階段，即形核、長大和逸出。形核階段，熔池開始凝固時，過飽和的氫從液態(tài)金屬中析出形成小氣泡，形核數量取決于溶入液態(tài)金屬中的原子氫的數量，及液態(tài)熔池的停留時間；長大階段，熔池中的小氣泡隨著液態(tài)金屬的流動發(fā)生匯聚和長大，長大的程度取決于液態(tài)金屬的流動速度和停留時間；上浮逸出階段，長大的氣泡向熔池表面上浮逸出，氣泡尺寸越大，上浮速度越快。未來得及逸出的氣泡殘留在凝固的金屬中形成氣孔。因此，液態(tài)熔池中的停留時間與氣孔的形成密切相關。

如圖12所示，若熔池長度為Lp，掃描速度為VTS，則熔池中心某點液態(tài)金屬的停留時間為t=Lp/VTS，即熔池尺寸越大，掃描速度越慢，液態(tài)金屬停留時間越長。

基于以上理論，分析認為Advanced CMT +P熔滴過渡模式成形試樣內部顯微氣孔含量較少的原因主要有兩方面。一方面，該模式的熱輸入最低(表2)，掃描速度相同條件下，熔池尺寸最小，液態(tài)停留時間最短，不利于氣孔的形核及長大；另一方面，與其他三種熔滴過渡模式不同，Advanced CMT +P模式下焊絲極性正負交替變換，產生的陰極霧化效應既可清除焊絲表面的氧化膜也可清除沉積層表面的氧化膜，最大地發(fā)揮了陰極霧化效應，減少熔池中[H]的來源，同時正極性時的脈沖還可增強熔池的攪拌作用，促進氣泡向熔池表面逸出。

在成形過程中采用低頻擺弧，主要作用是改善成形，將“小而深”的熔池變成“寬而淺”的熔池，熔池底部氣泡形核面積增加，形核的小氣泡數增加。此外，熔池變淺，氣泡上浮路徑變短，不利于長大。因此，擺弧成形試樣內部小氣孔數量多于未擺弧的。

圖12 熔池尺寸示意圖

分析三種絲材氣孔敏感性差異的原因，可能與絲材表面質量有關。Indalco Alloy、ESAB公司2319焊絲光亮化處理效果較好，表面更清潔、光亮，粗糙度較低。IAMT研制的2325焊絲表面粗糙度是其他兩種焊絲的3倍，表面缺陷較多。表面粗糙度高、缺陷多，增加了焊絲的表面積，且更容易吸附水分和污漬，導致熔池中氫的來源增多，因此成形試樣內部顯微氣孔較多。

4 結論

(1)對比四種熔滴過渡模式，Advanced CMT +P熔滴過渡模式因熔池尺寸小、焊絲與已沉積層表面陰極霧化去除氧化膜充分、熔池攪拌作用強等原因，成形的單壁墻內部氣孔較少。

(2)成形過程中采用低頻擺弧，試樣內部氣孔面積未見顯著降低，但小氣孔數多于未擺弧的。

(3)不同絲材表面質量的差異是導致其成形氣孔含量不同的原因。焊絲表面粗糙度高、缺陷多，更容易吸附水分和污漬，導致熔池中氫的來源增多，成形試樣內部氣孔較多。