7075鋁合金電弧增材制造工藝建模與氣孔率預(yù)測(cè)

禹潤(rùn)縝,余圣甫,鄭 博,張 超

(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

7075鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu合金系的高強(qiáng)鋁合金，具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、比剛度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、建筑、交通等領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件的制造[1]。

電弧增材制造是采用電弧為熱源熔化金屬絲材,按照設(shè)定的路徑層層堆積熔融金屬以制造實(shí)體金屬構(gòu)件的新技術(shù)。該技術(shù)成形環(huán)境開放,材料利用率高,且無(wú)需模具,整體制造周期短,對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)響應(yīng)快。同時(shí),堆積金屬的熔煉與冶金過(guò)程均在小熔池中進(jìn)行,成形構(gòu)件組織較為均勻[2]。因此,電弧增材制造是實(shí)現(xiàn)7075鋁合金構(gòu)件高效高質(zhì)量成形的重要新方法。

堆積金屬氣孔缺陷是降低電弧增材制造7075高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題之一。Dong等[3]電弧增材制造了7075鋁合金,發(fā)現(xiàn)堆積金屬內(nèi)易存在直徑70～80 μm的氫氣孔,其在堆積金屬受力時(shí)易成為應(yīng)力集中源,導(dǎo)致裂紋首先在氣孔處形成并擴(kuò)展,堆積金屬抗拉強(qiáng)度為210～240 N/mm2。Ryan等[4]研究表明7075高強(qiáng)鋁合金室溫下即會(huì)形成氧化膜,氧化膜易吸收水分引入[H]源,[H]在鋁液凝固時(shí)溶解度降低約95%,析出大量H2,而鋁液凝固速度較高,阻礙了H2氣泡的充分逸出,從而在堆積金屬內(nèi)部形成氣孔缺陷。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明,通過(guò)調(diào)控電弧增材制造工藝參數(shù)可有效減少高強(qiáng)鋁堆積金屬氣孔率。李權(quán)、Cong等[5-6]指出,對(duì)于Al-Cu系高強(qiáng)鋁合金,采用變極性電流、電壓波形可增強(qiáng)陰極霧化效果,破碎絲材及基板表面的氧化膜,減少H2來(lái)源;采用脈沖電流可促進(jìn)熔池震蕩以利于氣體逸出,同時(shí)較小的熱輸入亦可減小熔深,以縮短氣體逸出行程,易于氣體逸出,有效減少氣孔缺陷。Elrefaey等[7]研究表明,采用冷金屬過(guò)渡(Cold metal transfer, CMT)技術(shù)可依靠短路過(guò)渡顯著減小電弧增材制造時(shí)的熔深,促進(jìn)堆積時(shí)氣體逸出以降低堆積金屬氣孔傾向,采用90～120 A的電流及0.0842～0.0935 kJ/mm的熱輸入可保證Al-Mg系堆積金屬兼顧良好的成形性和小于5%的氣孔率。然而,目前缺乏成形高質(zhì)量、低氣孔率的Al-Zn-Cu-Mg系7075鋁合金的電弧增材制造工藝。

本實(shí)驗(yàn)以變極性CMT電弧增材制造7075鋁合金的氣孔率為響應(yīng)指標(biāo),以送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量三個(gè)堆積工藝參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因素,進(jìn)行評(píng)價(jià)堆積金屬氣孔率的二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn),建立堆積金屬氣孔率預(yù)測(cè)模型,并優(yōu)化出氣孔率最低的電弧增材制造工藝,為制造高質(zhì)量7075鋁合金堆積金屬提供理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基板采用厚度為25 mm的1060純鋁板,絲材選用直徑1.2 mm的SAl 7075實(shí)芯絲材。基板及堆積金屬的化學(xué)成分如表1所示。

表1 1060基板和SAl7075絲材所得堆積金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

采用KUKA KR-30型6軸機(jī)器人操作平臺(tái)搭配Fronius TPS 4000-CMT型電弧電源實(shí)現(xiàn)7075鋁合金堆積金屬的電弧增材制造。電弧電源采用變極性CMT電流、電壓波形以減小熱輸入,使堆積金屬具有相對(duì)較低的氣孔率,同時(shí)兼顧良好的成形性。

1.3 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量三個(gè)電弧增材制造基本工藝參數(shù),以堆積金屬氣孔率為響應(yīng)指標(biāo),進(jìn)行二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)將各因素區(qū)間規(guī)范化到[-1.682, 1.682]區(qū)間,并在一次回歸設(shè)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)基礎(chǔ)上增加額外特定的一些試驗(yàn)點(diǎn),組合起來(lái)形成同時(shí)滿足正交性與旋轉(zhuǎn)性的試驗(yàn)方案[8]。

采用7∶7的單周期內(nèi)正負(fù)極數(shù)量比,設(shè)置送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量分別在6.5～8.1 m/min、500～750 mm/min、9～25 L/min范圍內(nèi),以保證堆積金屬具有良好成形性,并在該范圍內(nèi)尋求氣孔率最低的電弧增材制造工藝,實(shí)驗(yàn)因素水平表如表2所示。此外,按照EN ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堆積金屬進(jìn)行氣孔率測(cè)定;采用Design-expert軟件處理二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行輔助分析。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)方差分析

根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表對(duì)三因素進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，不同的電弧增材制造工藝所成形堆積金屬的氣孔率具有顯著差異。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用二次方數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。不同實(shí)驗(yàn)組間與組內(nèi)均方比值F=13.27>F(9, 10)=3.02,說(shuō)明選用的二次方數(shù)學(xué)模型較為顯著,適合對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析與多元回歸擬合[9]。此外,由表4可知,送絲速度(A)、電弧槍行走速度(B)及保護(hù)氣流量(C)的F檢驗(yàn)置信區(qū)間均小于0.05,這意味著送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量對(duì)堆積金屬氣孔率均具有顯著影響;同時(shí),根據(jù)三因素的F檢驗(yàn)置信區(qū)間(P值)可知,三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)堆積金屬氣孔率影響顯著度的順序?yàn)?保護(hù)氣流量、送絲速度、電弧槍行走速度。

表3 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析表

2.2 各因素對(duì)堆積金屬氣孔率的影響規(guī)律

二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)后得到保護(hù)氣流量與送絲速度的響應(yīng)面、電弧槍行走速度與保護(hù)氣流量的響應(yīng)面、以及送絲速度與電弧槍行走速度的響應(yīng)面分別如圖1所示。

由圖1(a)和圖1(b)可知,當(dāng)保持送絲速度或電弧槍行走速度不變時(shí),堆積金屬氣孔率隨保護(hù)氣流量的提高而減小,這是由于充足而穩(wěn)定的保護(hù)氣流量對(duì)堆積過(guò)程中熔池的保護(hù)作用逐漸增強(qiáng)。鋁堆積金屬內(nèi)的氣孔主要為氫氣孔[10],電弧增材制造時(shí),空氣中的氫組分會(huì)在電弧作用下分解為原子,使得[H]原子向液態(tài)金屬內(nèi)溶解、擴(kuò)散,而當(dāng)金屬凝固時(shí),[H]的溶解度會(huì)降低約90%以上,導(dǎo)致凝固前H2難以逸出而形成氫氣孔。此外,7075鋁合金中高含量的低蒸氣壓Mg、Zn組元易在堆積時(shí)蒸發(fā),并傾向與氣相中的氧、氮結(jié)合,增大氫分壓,提高堆積金屬內(nèi)的氫含量。因此,電弧增材制造7075鋁合金過(guò)程中提高保護(hù)氣流量有利于增強(qiáng)氣體保護(hù)作用,阻礙堆積時(shí)氣相中氫組分向熔池中溶解,以降低堆積金屬內(nèi)氫含量及氫氣孔傾向。

送絲速度與保護(hù)氣流量、電弧槍行走速度的響應(yīng)面分別如圖1(a)、圖1(c)所示,保持電弧槍行走速度或保護(hù)氣流量不變時(shí),堆積金屬氣孔率隨送絲速度提高先增后減。在CMT一元化堆積電流、電壓波形調(diào)節(jié)模式下,送絲速度的增大提高了熱功率,導(dǎo)致堆積線能量增大,熔深增大。圖2(a)為熔深隨送絲速度的變化趨勢(shì),送絲速度由6.5 m/min提高至7.3 m/min時(shí)熔深顯著增加,這使得堆積時(shí)液態(tài)金屬內(nèi)氫氣泡上浮和逸出距離增大,不利于氫氣泡在液態(tài)金屬凝固前的短程快速逸出,從而更易滯留于堆積金屬內(nèi)形成氣孔[11],引起氣孔率提高(見(jiàn)圖1(a)和圖1(c))。此外,從圖1(a)、圖1(c)中還可以看到,送絲速度由7.3 m/min提高至8.1 m/min時(shí),堆積金屬氣孔率發(fā)生小幅下降,這是由于較高的送絲速度顯著增大了堆積線能量,從而增加金屬液態(tài)階段停留時(shí)間,使得氫氣泡在更長(zhǎng)時(shí)間的金屬液態(tài)階段內(nèi)充分逸出,以降低氣孔率。然而,由于送絲速度從7.3 m/min提高至8.1 m/min時(shí)熔深仍然不斷增大以阻礙氣體的短程快速逸出,堆積金屬氣孔率的降低幅度較小(見(jiàn)圖1(a)和圖1(c))。因此,采用較低的送絲速度可以更為有效的降低堆積金屬氣孔率。

圖1 保護(hù)氣流量、送絲速度、電弧槍行走速度兩兩交互響應(yīng)面

圖2 熔深隨送絲速度、電弧槍行走速度的變化趨勢(shì)

電弧槍行走速度與保護(hù)氣流量、送絲速度的響應(yīng)面分別如圖1(b)、圖1(c)所示,保持電弧槍行走速度或保護(hù)氣流量不變時(shí),隨電弧槍行走速度由500 mm/min提高至625 mm/min,堆積金屬氣孔率逐漸增大。由于堆積熱輸入與電弧槍行走速度呈反比關(guān)系,電弧槍行走速度較低時(shí)(500 mm/min),堆積熱輸入較大,堆積金屬液態(tài)階段停留時(shí)間較長(zhǎng),有利于氫氣泡在液態(tài)金屬內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)充分逸出,從而保持相對(duì)較小的氣孔率;隨電弧槍行走速度由500 mm/min增大至625 mm/min,熱輸入逐漸減小,堆積金屬液態(tài)階段停留時(shí)間減少,液態(tài)金屬內(nèi)氫氣泡逸出不充分,導(dǎo)致氣孔率增大。此外,由圖1(b)、圖1(c)還可觀察到,電弧槍行走速度由625 mm/min提高至750 mm/min時(shí),堆積金屬氣孔率大幅降低。圖2(b)為熔深隨電弧槍行走速度的變化趨勢(shì),電弧槍行走速度由625 mm/min提高至750 mm/min時(shí)熔深顯著降低。由此可見(jiàn),電弧槍行走速度增大導(dǎo)致熱輸入下降,并引起了熔深顯著降低。這縮短了熔池底部至表面的距離,有利于液態(tài)金屬內(nèi)氫氣泡的短程快速逸出,從而使堆積金屬氣孔率顯著降低(見(jiàn)圖1(b)、圖1(c))。因此,采用較高的電弧槍行走速度可以更為有效的降低堆積金屬氣孔率。

2.37075鋁合金堆積金屬氣孔率預(yù)測(cè)模型建立

對(duì)表4去除F檢驗(yàn)置信區(qū)間大于0.1的影響顯著度較低的實(shí)驗(yàn)因素,對(duì)其它各因素,通過(guò)多元逐步回歸計(jì)算并建立電弧增材制造7075鋁合金堆積金屬氣孔率預(yù)測(cè)模型如下:

P=78.78A+0.2964B-3.4568C+0.436AC-5.72A2-0.0002447B2-340.3622

(1)

對(duì)預(yù)測(cè)模型的回歸擬合度進(jìn)行檢驗(yàn),如表5所示,該模型的方差F值顯著性概率遠(yuǎn)小于0.05,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型達(dá)到顯著性水平,電弧增材制造7075鋁合金堆積金屬的氣孔率與送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量存在顯著的回歸關(guān)系。同時(shí),預(yù)測(cè)模型的擬合優(yōu)度(R2)為0.9194,說(shuō)明大于90%的氣孔率(P)波動(dòng)值均能被模型所預(yù)測(cè)。模型的校正擬合優(yōu)度(Adj.R2)以及預(yù)測(cè)擬合優(yōu)度(Pre.R2)均與標(biāo)準(zhǔn)值1的差值小于0.3,且后者低于前者,兩者差值小于0.2,說(shuō)明模型擬合度較高,欠擬合及過(guò)擬合程度可忽略[12-13]。

表5 預(yù)測(cè)模型擬合度指標(biāo)值

圖3(a)較為直觀地反映了表3中二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合的20次實(shí)驗(yàn)下堆積金屬氣孔率實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的變化曲線。由圖3可見(jiàn)，兩曲線基本重合,說(shuō)明模型預(yù)測(cè)誤差率較低。圖3(b)為20次實(shí)驗(yàn)的誤差率分布,計(jì)算得到最大誤差率為9.63%,平均誤差率為±4.38%,大部分誤差率在±5%以內(nèi)。

圖3 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)號(hào)的模型預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值及誤差率分布

進(jìn)一步檢測(cè)所建立模型的預(yù)測(cè)精度,采用四組送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量完全不同的工藝參數(shù)電弧增材制造7075鋁合金單道堆積金屬,通過(guò)模型預(yù)測(cè)堆積金屬氣孔率,同時(shí)對(duì)氣孔率進(jìn)行實(shí)際測(cè)量以進(jìn)行比較。

采用的四組工藝參數(shù)值如表6所示。堆積金屬宏觀形貌如圖4所示,四組工藝下電弧增材制造7075鋁合金單道堆積金屬均成形良好。不同工藝條件下堆積金屬氣孔率的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值如表6所示。氣孔形態(tài)及分布如圖5所示,可見(jiàn),四組實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)誤差率均在5%以內(nèi),所建立的堆積金屬氣孔率預(yù)測(cè)模型精確度較高。

表6 模型預(yù)測(cè)精確度檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)及檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 模型預(yù)測(cè)精確度檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中不同工藝下的堆積金屬宏觀形貌

圖5 模型預(yù)測(cè)精確度檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中不同工藝下的堆積金屬氣孔形態(tài)

2.4 基于預(yù)測(cè)模型的7075鋁合金電弧增材制造工藝優(yōu)化

基于所建立的模型進(jìn)行7075鋁合金電弧增材制造工藝優(yōu)化。選取堆積金屬氣孔率、及氣孔率計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差作為兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo),并采用雙目標(biāo)望小特性方法進(jìn)行迭代尋優(yōu)計(jì)算,保證優(yōu)化后的工藝參數(shù)具有最低的堆積金屬氣孔率及最高的尋優(yōu)計(jì)算準(zhǔn)確性。

利用Design-Expert軟件對(duì)模型在送絲速度6.5～8.1 m/min、電弧槍行走速度500～750 mm/min、保護(hù)氣流量9～25 L/min的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行100,000次迭代尋優(yōu)計(jì)算。最終得到的優(yōu)化方案如表7所示,即采用6.7 m/min送絲速度、708 mm/min電弧槍行走速度、20 L/min保護(hù)氣流量進(jìn)行7075鋁合金電弧增材制造,可使得堆積金屬氣孔率僅為7.41%±0.548%。在優(yōu)化的708 mm/min電弧槍行走速度條件下對(duì)送絲速度、保護(hù)氣流量進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算的雙因素期望值等高線圖如圖6所示,在6.7 m/min送絲速度、20 L/min保護(hù)氣流量條件下,期望值達(dá)到最大值0.838,接近極限值1,說(shuō)明最終優(yōu)化的工藝參數(shù)可保證堆積金屬具有最低的7.41%氣孔率,且優(yōu)化準(zhǔn)確性最高。

表7 電弧增材制造7075鋁合金堆積金屬優(yōu)化工藝

圖6 送絲速度與保護(hù)氣流量的雙因素期望值等高線圖

采用優(yōu)化的6.7 m/min送絲速度、708 mm/min電弧槍行走速度、20 L/min保護(hù)氣流量電弧增材制造單道7075鋁合金堆積金屬。堆積金屬宏觀形貌如圖7所示?？梢钥吹?堆積金屬成形良好,無(wú)表觀缺陷。堆積金屬內(nèi)部氣孔分布如圖8所示。實(shí)測(cè)氣孔率為7.06%,相較于二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)中最高的17.03%氣孔率(見(jiàn)表3),降低了約58.54%。同時(shí),由圖8可以看到,采用優(yōu)化的電弧增材制造工藝,堆積金屬內(nèi)部氣孔數(shù)量較少,氣孔直徑較小。

圖7 優(yōu)化工藝下堆積金屬宏觀形貌

圖8 優(yōu)化工藝下堆積金屬氣孔形態(tài)

采用優(yōu)化后的工藝及表6中的四組工藝分別進(jìn)行單道多層直壁件堆積,并切取拉伸試樣以比對(duì)不同工藝下堆積金屬的抗拉強(qiáng)度,同時(shí)利用所建立的模型預(yù)測(cè)堆積金屬氣孔率,結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?氣孔率對(duì)堆積金屬抗拉強(qiáng)度具有顯著影響,分析認(rèn)為,這是由于氣孔的存在減小了金屬橫截面的實(shí)際受力面積,同時(shí)孔隙處易在受力時(shí)成為應(yīng)力集中源,引起裂紋啟裂并在孔隙間擴(kuò)展,導(dǎo)致金屬力學(xué)性能下降[3, 14]。采用優(yōu)化的6.7 m/min送絲速度、708 mm/min電弧槍行走速度、以及20 L/min保護(hù)氣流量進(jìn)行7075鋁合金電弧增材制造可顯著降低堆積金屬氣孔率,以使得堆積金屬具有較高的力學(xué)性能。

圖9 不同工藝條件下的堆積金屬抗拉強(qiáng)度與氣孔率

3 結(jié) 論

(1)送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量均對(duì)電弧增材制造7075鋁合金堆積金屬氣孔率產(chǎn)生顯著影響,影響顯著度由大至小為:保護(hù)氣流量、送絲速度、電弧槍行走速度。

(2)較高的保護(hù)氣流量有利于增強(qiáng)氣體保護(hù)作用,阻礙堆積時(shí)氣相中氫組分向熔池中溶解,以降低堆積金屬氣孔傾向。

(3)送絲速度較低或電弧槍行走速度較快有利于在電弧增材制造時(shí)獲得較淺熔深,縮短氣體逸出距離,使氣體易于逸出以顯著降低堆積金屬氣孔率。

(4)建立了7075鋁合金堆積金屬氣孔率關(guān)于送絲速度、電弧槍行走速度、保護(hù)氣流量的數(shù)學(xué)模型,該模型可用來(lái)預(yù)測(cè)堆積金屬氣孔率,預(yù)測(cè)誤差率在5%以內(nèi)。

(5)基于7075鋁合金堆積金屬氣孔率預(yù)測(cè)模型優(yōu)化出電弧增材制造工藝為，送絲速度6.7 m/min、電弧槍行走速度708 mm/min、保護(hù)氣流量20 L/min,該工藝可使得堆積金屬氣孔率小于10%。