熔積電流對(duì)鎂合金CMT熔絲增材成形特征的影響

倪加明 劉思余 陳夢(mèng)凡

摘要：針對(duì)AZ80鎂合金CMT熔絲增材制造工藝，開展不同熔積電流對(duì)鎂合金直壁試樣成形特性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明，CMT熔絲增材熔積速度為10 mm/s時(shí)，熔積電流在85～125 A范圍內(nèi)可獲得成形良好的單道鎂合金直壁試樣，穩(wěn)定成形直壁高度比起弧、熄弧位置略高，高度偏差控制在2.6 mm以內(nèi);隨著熔積電流從85 A增至125 A，熔積層層間層高從2.39 mm減小到2.16 mm，而熔積層層寬則從8.61 mm增至14.23 mm;熔積電流過大或過小均會(huì)影響直壁試樣的表面粗糙度，熔積電流為105 A時(shí)表面粗糙度最小，粗糙度為0.16 mm。

關(guān)鍵詞：鎂合金;CMT熔絲增材;熔積電流;成形特征

0? ? 前言

鎂合金的密度很低、比強(qiáng)度和比剛度較高，是最輕的金屬材料之一，可作為結(jié)構(gòu)材料使用[1-3]。此外，鎂合金在自然界中的儲(chǔ)量非?？捎^，并且具有可再生性，能夠滿足社會(huì)對(duì)節(jié)能減排、綠色可持續(xù)發(fā)展的要求[4-5]。近年來，鎂合金已逐漸成為僅次于鋼鐵和鋁的結(jié)構(gòu)功能材料，鎂合金產(chǎn)量的增長率高達(dá)25%，應(yīng)用前景十分可觀[6-7]。目前鎂合金的生產(chǎn)方式主要包括鑄造工藝和塑性成形工藝。雖然鎂合金的鑄造性能較好，但鎂合金鑄件內(nèi)部存在夾渣、氣孔、疏松等缺陷，產(chǎn)品致密度較低，力學(xué)性能偏差較大，同時(shí)還面臨綠色環(huán)保的問題[8]。塑性成形工藝雖然可以獲得力學(xué)性能良好的鎂合金產(chǎn)品，但對(duì)尺寸有一定限制，無法完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體成形[9]。隨著我國航空航天及武器裝備等軍事領(lǐng)域的產(chǎn)品越來越趨向于材料輕量化、形狀復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)功能一體化，傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工工藝難以實(shí)現(xiàn)，因此急需尋找一種新方法來實(shí)現(xiàn)鎂合金結(jié)構(gòu)件的整體快速制造。

熔絲增材制造技術(shù)是通過逐層堆積的方法完成金屬構(gòu)件的直接成形，具有成本低、周期短、無需模具等特點(diǎn)[10-12]，能有效解決鎂合金塑性變形能力差的問題。與傳統(tǒng)的鑄造鎂合金和變形鎂合金相比，該方法可以直接完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成形，并達(dá)到節(jié)省材料與時(shí)間的目的[13-14]。已有學(xué)者針對(duì)鎂合金熔絲增材制造技術(shù)開展了相應(yīng)基礎(chǔ)試驗(yàn)，獲得一定的研究成果。Han[15]等采用PAW增材工藝制備的AZ91D 鎂合金試樣表面存在斷續(xù)、駝峰等成形缺陷。Y Guo[16-17]等通過TIG熔絲增材工藝制備的鎂合金薄壁試樣兩端高度差較大。P Wang[18]通過工藝優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，CMT+Pulse工作模式制備的鎂合金熔敷層更有利于增材成形。倪加明團(tuán)隊(duì)[19]前期針對(duì)AZ31鎂合金增材成形質(zhì)量控制進(jìn)行研究，最終得到成形良好、表面平滑的直壁試樣。然而目前鎂合金熔絲增材制造技術(shù)尚未成熟，如何提高鎂合金增材成形質(zhì)量、獲得鎂合金增材成形規(guī)律，依舊是研究學(xué)者迫切需要解決的問題，需要大量基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)以進(jìn)行深入探究。

文中采用CMT熔絲增材制造工藝進(jìn)行鎂合金單道多層增材試樣的制備，研究在相同熔積速度條件下，熔積電流對(duì)鎂合金熔絲增材制造成形特征的影響，為鎂合金增材產(chǎn)品的推廣與應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用直徑1.2 mm的AZ80A鎂合金絲材為試驗(yàn)材料，厚度為15 mm的AZ31B鎂合金板材作為基板。鎂合金絲材和板材的化學(xué)成分如表1所示，鎂合金絲材表面光滑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用6軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)器人熔絲增材制造系統(tǒng)進(jìn)行增材試驗(yàn)，該系統(tǒng)主要由ABB-IBR2600ID機(jī)器人、Fronius-CMT焊機(jī)、RA5000焊槍及2軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)構(gòu)成，如圖1所示。采用自行開發(fā)的CMT鎂合金電流特征曲線進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)對(duì)熔積電流和送絲速度的控制，以及機(jī)器人移動(dòng)對(duì)熔積速度的調(diào)整。

1.3 試驗(yàn)方法

采用CMT熔絲增材制造工藝，保持熔積速度不變，通過調(diào)整熔積電流來研究不同熔積電流對(duì)鎂合金增材成形特征的影響。采用往復(fù)循環(huán)路徑進(jìn)行單道多層鎂合金薄壁試樣的制備，熔積電流為75～135 A，熔積速度為10 mm/s，層間間隔為45 s，焊槍送絲嘴與基板及試樣上表面的距離為15 mm，保護(hù)氣體為99.99%純氬，氣體流量為18 L/min，具體工藝參數(shù)如表2所示。成功制備的鎂合金試樣整體外觀尺寸約長190 mm、高110 mm。線能量為：式中 q為熱輸入;η為CMT電弧熱效率（80%）[20];I為熔積電流;U為熔積電壓;v為熔積速度。

試樣制備結(jié)束后，對(duì)7組鎂合金單道多層薄壁增材試樣的成形外觀進(jìn)行觀察。使用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣高度和寬度，測(cè)量位置如圖2所示，并計(jì)算熔積層層間高度及寬度。在試樣中間區(qū)域選取橫截面觀察試樣，分析穩(wěn)定段的成形輪廓及表面粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔積電流對(duì)成形外觀的影響

不同熔積電流的鎂合金單道多層增材試樣成形如圖3所示。熔積電流為85～125 A的試樣表面平整、兩端高度基本一致，無明顯增材缺陷。熔積電流為85 A的試樣表面平整度較差;熔積電流依次增加到105 A時(shí)，試樣表面平整度變好、層間紋路逐漸清晰、明確;熔積電流進(jìn)一步增加，試樣層間紋路清晰度下降，125 A時(shí)試樣表面分層界線模糊不清，無法分辨。分析認(rèn)為，熔積電流較小時(shí)熔化金屬無法得到充分鋪展，導(dǎo)致熔積層形狀穩(wěn)定性較差;當(dāng)熔積電流增加時(shí)，熔化金屬鋪展性和流動(dòng)性提升，熔積層形狀得到改善;同時(shí)熔積電流增加、送絲速度也隨之增加，單位時(shí)間內(nèi)的熔化金屬量增加，過多的熔化金屬極易導(dǎo)致熔池流淌、熔積層坍塌現(xiàn)象，不利于試樣成形。結(jié)果表明，熔積電流為105 A時(shí)，制備的鎂合金電弧熔絲增材直壁試樣成形外觀最佳。

熔積電流為75 A和135 A時(shí)，制備的試樣側(cè)表面及上表面如圖4所示。增材過程中，2組試樣上表面均出現(xiàn)寬度不一致現(xiàn)象，無法完成單道多層薄壁試樣的制備。熔積電流75 A時(shí)的熱輸入較?。?2.2 J/mm），導(dǎo)致熔化金屬的鋪展性和流動(dòng)性較低，熔積層形狀變差、寬度出現(xiàn)較大波動(dòng)，無法進(jìn)行薄壁試樣的制備;而熔積電流135 A時(shí)的熱輸入過大（140.4 J/mm），層間熱量累積過多導(dǎo)致熔積層出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，且試樣表面存在飛濺，難以成形。

2.2 熔積電流對(duì)起弧、熄弧高度的影響

采用不同熔積電流增材成形的鎂合金薄壁試樣高度尺寸如圖5所示。中間穩(wěn)定區(qū)域高度一致性較好，略高于兩端起弧、熄弧位置。在熔積速度不變的條件下，CMT熔絲增材電流為85 A時(shí)，試樣上表面高度偏差最大，距離兩端起弧、熄弧15 mm處存在凹坑，最大高度偏差為4.1 mm。熔積電流95～125 A時(shí)，試樣上表面高度偏差控制在2.6 mm以內(nèi);且電流大于105 A后，高度偏差隨熔積電流增加呈略微下降趨勢(shì)，125 A試樣最大高度偏差為1.8 mm。熔積電流較小時(shí)，熄弧點(diǎn)處熔化的液態(tài)金屬流動(dòng)性較差、表面張力也較小，使起弧點(diǎn)與熔積層中間段存在尺寸偏差，而熄弧處受熱量累積的影響，金屬流動(dòng)性增強(qiáng)、成形得到改善，而往復(fù)循環(huán)的路徑使起弧點(diǎn)與熄弧點(diǎn)交替出現(xiàn)在試樣兩端，能夠有效改善試樣的成形質(zhì)量。電流增加時(shí)，熄弧點(diǎn)處熱輸入也增加，熔化金屬流動(dòng)性變好使起弧點(diǎn)與熔積層中間段尺寸偏差大幅減小，試樣較為平整。

2.3 熔積電流對(duì)熔積層尺寸的影響

不同熔積電流鎂合金熔絲增材試樣熔積層尺寸如圖6所示。隨熔積電流從85 A增至125 A，試樣的熔積層層間層高從2.39 mm降至2.16 mm，呈下降趨勢(shì);而熔積層層寬從8.61 mm增至14.23 mm，呈上升趨勢(shì)。由于鎂合金流動(dòng)性較差，熔積電流越小線能量也越小，導(dǎo)致熔化的鎂合金無法獲得較好的鋪展性和流動(dòng)性，發(fā)生快速凝固，因而鎂合金增材試樣熔積層層間層高隨熔積電流的增加呈下降趨勢(shì)。而熔積電流增加，送絲速度和線能量都隨之增加，使熔化金屬的含量增加、流動(dòng)性也得到提升，最終液態(tài)鎂合金能夠得到較好的鋪展，獲得較大的熔積層層寬。即在熔積速度不變的條件下，隨CMT熔絲增材熔積電流的增加，鎂合金試樣寬度呈上升趨勢(shì)。

2.4 熔積電流對(duì)表面粗糙度的影響

通過將試樣橫截面照片進(jìn)行圖像二值化處理及截面輪廓曲線提取，得到CMT熔絲增材工藝成形的鎂合金增材試樣截面如圖7所示。對(duì)比圖中不同熔積電流鎂合金試樣輪廓曲線發(fā)現(xiàn)，熔積電流為105 A時(shí)，試樣側(cè)壁邊緣較直且較為平滑;熔積電流減小或增大，試樣側(cè)壁邊緣左右波動(dòng)均會(huì)加劇，其中125 A試樣右側(cè)中下部邊緣波動(dòng)最為突出。主要原因是熔積電流較大時(shí)，熔積層制備時(shí)底部試樣略窄，無法支撐熔化金屬，發(fā)生流淌導(dǎo)致側(cè)壁波動(dòng)較大。而熔積電流較小時(shí)，試樣表面平整度較差、存在較大波動(dòng)，也會(huì)影響側(cè)壁平滑度。

進(jìn)行試樣表面粗糙度R[21]為熔積電流對(duì)鎂合金試樣表面粗糙度的影響如圖8所示。熔積速度不變，熔積電流為85～125 A時(shí)，105 A試樣表面粗糙度最低，僅為0.16 mm;電流低于105 A時(shí)的表面粗糙度略高;85 A和95 A試樣表面粗糙度平均值分別為0.20 mm和0.23 mm。熔積電流高于105 A時(shí)，試樣表面粗糙度隨電流增加而增加，105 A試樣的表面粗糙度達(dá)0.3 mm，這與熔化金屬含量及線能量增加有關(guān)，過多的液態(tài)金屬使熔池流淌、影響表面粗糙度。結(jié)果表明，熔積電流過大或過小均會(huì)影響鎂合金熔絲增材薄壁試樣的表面粗糙度。

3 結(jié)論

（1）采用熔積速度10 mm/s、熔積電流85～125 A時(shí)，CMT熔絲增材工藝可獲得表面平整度好的單道多層鎂合金直壁。

（2）熔積電流從85 A增至125 A時(shí)，鎂合金熔絲增材試樣熔積層層間高度從2.39 mm減至2.16 mm，而熔積層層寬則從8.61 mm增至14.23 mm。

（3）CMT單道多層鎂合金試樣中間穩(wěn)定區(qū)域高度略高于兩端起熄弧位置，熔積電流95～125 A試樣上表面高度偏差控制在2.6 mm以內(nèi)。

（4）熔積電流過大或過小均會(huì)影響試樣的表面粗糙度，105 A試樣表面粗糙度最小、側(cè)壁邊緣平滑，粗糙度為0.16 mm。

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