微束電弧選區(qū)熔化金屬增材制造方法

李世爭，楊曉冬，解為然

（ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001 ）

20 世紀(jì)90 年代， 德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所首次提出了激光選區(qū)熔化 （selecive laser meling，SLM）增材制造方法，金屬增材制造從此誕生[1-3]；隨后，電子束選區(qū)熔化、激光金屬直接成形、電弧熔絲增材制造等多種金屬增材制造方法陸續(xù)出現(xiàn)[4-5]。 這些方法可制造出傳統(tǒng)加工工藝難以制造或無法制造的復(fù)雜金屬零部件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域[6-10]。

目前的金屬增材制造方法都有各自的優(yōu)勢與局限性，其特征是采用鋪粉的方式，利用激光或電子束對粉末層選擇性熔化，層層疊加來制造三維零件。 這兩種技術(shù)的熱源光斑直徑小、粉末尺寸小、加工分辨率高、成形零件精度高，適用于成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較小的零件；但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，加工速率很低[11-13]。 電弧熔絲增材制造是利用電弧焊接原理，以電弧為熱源、金屬絲為成形材料進(jìn)行送絲堆積加工的技術(shù)。 與激光或電子束金屬增材制造相比，成本低廉、加工速度快、能量利用率高；但所使用的電弧電流較高， 成形出的零件精度較差，適用于成形形狀結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜、尺寸較大的金屬零件[14-17]。

本文將粉床鋪粉與電弧熱源相結(jié)合，提出一種金屬增材制造新方法——微束電弧選區(qū)熔化增材制造方法，其采用鋪粉的方式，利用工具電極與金屬粉末之間產(chǎn)生的小電流微束電弧作為熱源，相比于一般的絲材電弧增材制造能得到較高的成形精度，適用于成形形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較小的金屬零件。 該方法適用的金屬粉末材料廣泛、加工成本低、能量利用率高，可成形梯度材料零件，且可實(shí)現(xiàn)成形設(shè)備小型化、桌面化。

1 微束電弧選區(qū)熔化工藝與成形裝置

圖1 是微束電弧選區(qū)熔化金屬增材制造方法原理示意圖：首先將金屬粉末均勻地鋪在成形腔底板上，將工具電極置于粉末上方，并與粉末床保持一定間隙；在工具電極和粉末床之間施加直流電壓從而在極間產(chǎn)生微束電弧，該電弧具有很高的能量密度，足以使其作用區(qū)域的金屬粉末熔化；使工具電極相對于粉末床按照一定的軌跡進(jìn)行掃描運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對金屬粉末的熔化成形。 如此過程循環(huán)往復(fù)，逐層累加可實(shí)現(xiàn)三維零件的成形。

圖1 微束電弧選區(qū)熔化增材制造方法

本文搭建的微束電弧選區(qū)熔化原型裝置見圖2。 成形臺中部是方形的成形腔，其高度方向的位置由微動平臺調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)逐層鋪粉，并可精確控制每層鋪粉的厚度； 電弧電源連接工具電極和成形臺， 以在工具電極和金屬粉末之間產(chǎn)生微束電?。粩?shù)控運(yùn)動控制裝置可實(shí)現(xiàn)工具電極在水平面內(nèi)任意軌跡的掃描運(yùn)動；弧長自動保持系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時測量的電弧電壓控制Z 軸進(jìn)行升降運(yùn)動，以調(diào)節(jié)電弧長度至設(shè)定值，保證在成形過程中電弧不因電極損耗而被拉長及熄滅，同時保證成形過程中電弧電參數(shù)恒定。

圖2 微束電弧選區(qū)熔化成形原型裝置

2 成形過程中的極間現(xiàn)象

2.1 加工極性的影響

本研究利用高速攝像機(jī)分別對正、負(fù)極性下掃描運(yùn)動的微束電弧進(jìn)行觀測，實(shí)驗(yàn)條件見表1，工件為銅板。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)工具電極相對于金屬表面進(jìn)行掃描運(yùn)動時， 金屬表面對微束電弧有粘滯阻力，微束電弧無法與工具電極保持同軸運(yùn)動，而是偏向工具電極運(yùn)動方向的反方向，滯后于電極運(yùn)動。

對正、負(fù)極性下微束電弧中心在運(yùn)動過程中偏離工具電極軸線的距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 結(jié)果見圖3。 可見，正極性加工時電弧中心偏離電極軸線距離較負(fù)極性時大，說明正極性情況下金屬表面對電弧的粘滯阻力大于負(fù)極性情況。 在電弧選區(qū)掃描過程中，電弧偏離電極越遠(yuǎn)， 選區(qū)熔化的定位精度就越差，同時電弧的穩(wěn)定性也越差。 電弧緊密跟隨工具電極在粉末床上劃動是高質(zhì)量成形的關(guān)鍵，因此，選用負(fù)極性加工的微束電弧選區(qū)熔化增材工藝。

表1 微束電弧觀測的實(shí)驗(yàn)條件

圖3 正、負(fù)極性下微束電弧中心偏離電極軸線的距離

2.2 工具電極自銳現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用直徑1.6 mm 和1.0 mm 純鎢電極進(jìn)行成形的過程中，電極端部會自然地?fù)p耗為針尖狀，此稱為電極的自銳現(xiàn)象，而采用直徑2.0 mm的電極則不會產(chǎn)生自銳。 對產(chǎn)生自銳的微束電弧單道選區(qū)熔化掃描過程進(jìn)行觀測，實(shí)驗(yàn)條件見表2，拍攝結(jié)果見圖4。 從圖4a 可看出，偏白色的鐘罩霧狀物質(zhì)籠罩著電弧和電極端部， 與圖4b 所示的單道成形表面對比可斷定該霧狀物質(zhì)是氧化鎢顆粒（氧化鎢為黃白色粉末狀晶體）。 由此可推測，鎢電極表面在高溫作用下被氧化形成氧化鎢，氧化鎢受熱升華為氣體向四周膨脹，膨脹到一定程度后冷卻固化成細(xì)小的氧化鎢顆粒飄落在成形表面，這即是電極表面氧化鎢的形成和升華造成了鎢極端部的損耗演變。

表2 自銳電極微束電弧觀測的實(shí)驗(yàn)條件

圖4 電極損耗演化過程的觀測

根據(jù)前面的觀測可知，在工具電極掃描運(yùn)動過程中，微束電弧常保持在電極的一側(cè)，使得電極單側(cè)損耗較快。 當(dāng)工具電極直徑為1.6 mm 時，電極會被耗蝕成尖狀，即發(fā)生了電極自銳現(xiàn)象；當(dāng)工具電極直徑為2.0 mm 時， 電極端部會變圓潤而不會變尖。 工具電極的自銳可使電弧保持在較小的運(yùn)動區(qū)域內(nèi)，有利于實(shí)現(xiàn)高精度的選區(qū)成形，但工具電極直徑過細(xì)也會導(dǎo)致電極大量熔化，使成形失敗。

3 單層單道成形實(shí)驗(yàn)研究

3.1 工具電極掃描速度的影響

為研究工具電極掃描速度的影響，采用表2 加工參數(shù)進(jìn)行單層單道成形加工實(shí)驗(yàn)，改變其中的掃描速度為 0.67、1.00、1.33、1.67、2.00 mm/s，所得的成形結(jié)果見圖5，用顯微鏡觀測的成形表面見圖6。 可見，當(dāng)掃描速度達(dá)到2.00 mm/s 時，工件表面出現(xiàn)了球化現(xiàn)象，成形失敗，這是由于掃描速度過快，銅粉不能充分熔化，而熔化的少量液態(tài)金屬的重力無法克服其表面張力及周圍粉末的疏張力，從而收縮形成大量的金屬球；當(dāng)掃描速度為1.67 mm/s 時，成形表面有許多凹坑；當(dāng)掃描速度降為1.33 mm/s 時，凹坑減少；掃描速度繼續(xù)降為1.00 mm/s 時，表面更加平坦；但當(dāng)掃面速度繼續(xù)降到0.67 mm/s 時，表面不平坦度反而加劇， 這是由于電弧掃描速度過慢，熔池被長時間加熱，導(dǎo)致粉末材料沸騰加劇。

圖5 不同掃描速度的單層單道成形結(jié)果

圖6 不同掃描速度下的單層單道成形表面

用高速攝像機(jī)對掃描速度為1.67 mm/s 時的成形過程進(jìn)行觀測，結(jié)果見圖7。 可見，在電弧的作用下熔池表面凹陷，這是由于電極表面氧化鎢升華形成的蒸汽具有一定的壓力， 而當(dāng)電弧離開熔池后，熔池邊緣的液態(tài)金屬向熔池凹陷中心流動，使熔池收縮， 液態(tài)金屬尚未完全填平熔池時已冷卻凝固，最后導(dǎo)致熔池表面出現(xiàn)低陷的凹坑。 降低電弧掃描速度可減緩液態(tài)金屬凝固的速度，從而使液態(tài)金屬有充足的時間向熔池中心回流，使成形表面更加平整。 因此，為獲得良好的成形表面質(zhì)量，需采用適中的掃描速度，經(jīng)對比，1 mm/s 為最佳的掃描速度。

圖7 掃描速度1.67 mm/s 下的單層單道成形過程

3.2 電弧電流的影響

為研究電弧電流的影響，同樣采用表2 的加工參數(shù)進(jìn)行單層單道成形加工實(shí)驗(yàn)，固定掃描速度為1 mm/s， 改變其中的電弧電流為 1.60、1.65、1.93、2.26、2.96、3.56 A，所得的成形結(jié)果見圖 8，顯微鏡下的成形表面見圖9。 由于電弧電流與電弧長度具有函數(shù)關(guān)系， 相應(yīng)的電弧長度調(diào)整為3.2、3.5、3.8、4.0、5.0、5.5 mm。

圖8 不同電流大小的單層單道成形結(jié)果

圖9 不同電弧電流的單層單道成形表面

從圖8 可看出，電弧電流越大，成形表面的氧化鎢越密實(shí)，這是工具電極損耗加大所導(dǎo)致。從圖9可看出， 電流1.60 A 時成形銅條表面有許多凹坑，電流 1.65 A 時凹坑減少， 而電流在 1.93～2.96 A 時表面很平整，這是由于電流越大，熱量輸入越大，粉末保持為液態(tài)的時間越長，越有充足的回流時間來填平熔池凹坑；繼續(xù)加大電流至3.56 A 時，表面不平坦度加劇，這是由于電流較大時熔池中液態(tài)金屬波動加劇所導(dǎo)致。 由此可知，為獲得良好的成形表面質(zhì)量， 需采用適中的電弧電流， 經(jīng)對比，1.5～3 A為最佳的電弧電流。

4 成形樣件示例

采用掃描速度1.00 mm/s、 電弧電流1.65 A、電弧長度3.5 mm，成形出了單層單道樣件、單層多道平面樣件和多層單道薄壁樣件， 所得結(jié)果見圖10～12，其中單層多道平面樣件的平行軌跡間距最大為2 mm，多層單道薄壁樣件總共加工5 層，第1 層鋪粉厚度0.3 mm，其余層厚度0.4 mm。

圖10 成形的單層單道樣件

圖11 成形的單層多道樣件

圖12 成形的多層單道樣件

5 結(jié)論

本文提出并研究了微束電弧選區(qū)熔化增材制造新方法，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）負(fù)極性加工時微束電弧相對工具電極掃描運(yùn)動的跟隨性好，有利于得到較好的成形精度。

（2）適中的工具電極直徑可產(chǎn)生自銳現(xiàn)象，有助于提高電弧的定位精度。

（3）適中的掃描速度和電流大小可獲得良好的成形表面質(zhì)量，最終選取掃描速度1.00 mm/s、電弧電流1.65 A。