雙鎢極TIG電弧增材熔敷道成形特性研究

韓慶璘， 何 澳 ， 李鑫磊， 張廣軍， 黎文航

1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

0 前言

TIG電弧增材制造是一種熔敷過程穩(wěn)定、控制靈活的增材制造技術(shù)，可用于加工鋼、鈦、鋁、鎳等多種材料，成形件尺寸精度高［1］。但該方法通常采用200 A以下的小電流熔敷，以防止電弧壓力過高而產(chǎn)生駝峰、咬邊等缺陷，因此熔敷效率很低［2］。為提高TIG增材的熔敷效率，Spaniol等人［3］采用熱絲TIG方法進(jìn)行增材制造，提高了熔敷效率，但在250 A以上的大電流熔敷過程中，由于熱輸入過高，造成了焊瘤、熔敷道寬度不均勻等缺陷。Zhang等人［4］采用TOP-TIG方法堆積了雙相不銹鋼，獲得了良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，該方法在熔敷過程中焊絲靠近電弧的高溫區(qū)，能夠迅速熔化，熔敷效率略有提高，但在大熔敷電流情況下仍然存在駝峰、咬邊等問題。因此，如何在大熔敷電流下降低電弧壓力，實(shí)現(xiàn)高熔敷效率、成形良好的TIG電弧增材制造已成為關(guān)注熱點(diǎn)。

雙鎢極TIG焊作為一種新型的高效焊接方法，最早由Kobayashi等人［5］提出并用于制造大型儲存容器，采用單槍雙鎢極結(jié)構(gòu)，兩個(gè)相互絕緣的鎢極均由獨(dú)立電源供電，兩電極產(chǎn)生的電弧通過洛倫茲力相互吸引形成一個(gè)耦合電弧。冷雪松等人［6］研究了耦合電弧的物理特性，發(fā)現(xiàn)在相同電流條件下，耦合電弧的電弧壓力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鎢極TIG焊。李桓等人［7］通過建立三維雙鎢極TIG焊模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)總電流為240 A時(shí)，單鎢極TIG焊陽極表面的壓強(qiáng)為1 420 Pa，而雙鎢極TIG焊的僅為 380 Pa。Schwedersky等人［8］采用相機(jī)觀察了不同鎢極間距下的雙鎢極TIG電弧形態(tài)，并采用小孔法測量雙鎢極TIG電弧壓力的二維分布，結(jié)果表明，雖然電弧壓力隨鎢極間距增加而降低，但鎢極間距不宜超過2.0 mm，否則弧根部位會向上偏移，易導(dǎo)致焊槍過熱，影響焊接過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。鄒國偉等人［9］按照核反應(yīng)堆壓力容器不銹鋼堆焊工藝評定進(jìn)行單鎢極與雙鎢極的堆焊試驗(yàn)，均能獲得良好的焊縫成形，但雙鎢極焊接效率較單鎢極有大幅提升，目前已經(jīng)將雙鎢極堆焊技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器的制造。倪中旺等［10］通過FLUENT流體仿真軟件對雙鎢極TIG焊的電弧模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，電弧的最高溫度、最大等離子流速及最大電弧壓力皆出現(xiàn)在鎢極端部。

上述研究結(jié)果表明，雙鎢極TIG電弧具有低電弧壓力的特性，能夠采用大電流以提高熔敷效率，并能有效避免駝峰、咬邊等缺陷。為了將該方法應(yīng)用于增材制造，本研究搭建了一套雙絲雙鎢極TIG電弧增材制造系統(tǒng)，研究不同熔敷電流下，送絲速度、送絲數(shù)量、行走速度對熔敷道成形特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

雙絲雙鎢極TIG電弧增材制造系統(tǒng)原理如圖1所示，主要設(shè)備包括：2臺Rilon WS-400的TIG弧焊電源、2臺BY1送絲機(jī)、1把雙鎢極TIG焊槍、1臺CNC機(jī)床、1臺計(jì)算機(jī)和USB2813A數(shù)據(jù)采集卡。采用焊槍靜止，機(jī)床沿熔敷路徑反方向運(yùn)動的形式實(shí)現(xiàn)熔敷過程。其中機(jī)床有4個(gè)自由度，分別為沿x、y、z軸的平動以及繞z軸的轉(zhuǎn)動。兩臺TIG弧焊電源的正極與基板相連，負(fù)極分別與雙鎢極氬焊槍的兩個(gè)導(dǎo)電體相連，形成兩個(gè)獨(dú)立的電流回路。數(shù)據(jù)采集卡將計(jì)算機(jī)與各個(gè)設(shè)備之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)起弧、熄弧、送絲、停絲以及CNC機(jī)床的運(yùn)動控制。

圖1 雙絲雙鎢極TIG電弧增材制造系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of twin-electrode TIG arc-based additive manufacturing system

1.2 試驗(yàn)材料與方案

試驗(yàn)選用直徑1.2 mm的H08Mn2Si低碳鋼焊絲作為熔敷材料，10 mm厚度的Q235鋼板作為基板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 基板和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of substrate and wires （wt.%）

送絲方位與鎢極排布方式如圖2所示，雙鎢極采用直徑3.0 mm的鈰鎢極，將鎢極尖端磨成傾斜狀，尖端角30°，兩鎢極呈并列式排布，間距1.5 mm。在熔敷過程中，流經(jīng)雙鎢極的電流始終相等，雙鎢極始終垂直于熔敷方向，且鎢極尖端與熔敷金屬之間的距離保持在5 mm，熔敷過程采用氬氣進(jìn)行保護(hù)，流量為12 L/min。采用旁軸送絲的方式，雙絲間夾角30°，焊絲仰角20°，焊絲偏移量為-1 mm。單絲輸送時(shí)，將另一臺送絲機(jī)的送絲速度設(shè)置為0；雙絲輸送時(shí)，兩臺送絲機(jī)的速度保持一致。熔敷道高度的上限值設(shè)置為3 mm，以防止后續(xù)研究多熔敷道搭接時(shí)，焊絲、導(dǎo)絲嘴與前一熔敷道發(fā)生干涉，影響熔敷過程的穩(wěn)定性。

圖2 雙絲雙鎢極TIG電弧增材制造的送絲方位與鎢極排布方式Fig.2 Wire feeding direction and electrode arrangement for double wire twin-electrode TIG arc-based additive manufacturing

試驗(yàn)主要包括兩個(gè)部分。第一部分：在行走速度為3 mm/s的條件下，研究200～650 A熔敷電流和送絲速度對熔敷道成形特性的影響，在熔敷道成形良好的情況下，找到各熔敷電流下的最大送絲速度即最大許用速度。在200 A以上采用單絲輸送模式，以50 A為單位增長，直到送絲速度達(dá)到送絲機(jī)上限（83.3 mm/s）且熔敷道成形良好為止；在400 A以上采用雙絲輸送模式，同樣以50 A為單位增長，直到兩臺送絲機(jī)的送絲速度達(dá)到上限且熔敷道成形良好為止。

第二部分：在第一部分的基礎(chǔ)上，匹配熔敷電流與送絲速度之間的關(guān)系，研究不同熔敷電流下行走速度對熔敷道成形特性的影響，得到確保熔敷道成形良好的行走速度范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 各熔敷電流下的最大許用送絲速度

單絲輸送模式下，熔敷道成形試驗(yàn)結(jié)果見表2，結(jié)果表明，雙鎢極TIG增材在熔敷電流200～450 A范圍內(nèi)，可以得到成形良好的熔敷道，未見駝峰、咬邊等缺陷。在熔敷電流為450 A時(shí)，送絲速度達(dá)到送絲機(jī)上限83.3 mm/s，此時(shí)熔敷熱效率為2.68 kg/h。而傳統(tǒng)的TIG電弧增材為避免駝峰、咬邊等缺陷，只能將熔敷電流設(shè)置在200 A以下。

表2 不同熔敷電流和單絲送絲速度下的熔敷道成形特性Table 2 Forming characteristics of beads at different deposition currents and single wire feed speeds

當(dāng)熔敷電流在200～350 A時(shí)，熔敷道的形貌特征隨著送絲速度的增加，從成形良好到鋪展較差（熔敷道與基板間的接觸角>60°［11］）、不鋪展（熔敷道與基板間的接觸角>90°），再到出現(xiàn)插絲缺陷，如圖3所示。

這是由于雙鎢極TIG增材過程中，耦合電弧通過加熱基板形成熔池，再通過不斷輸送到電弧區(qū)域的焊絲實(shí)現(xiàn)熔敷，其中，送絲速度影響著熔池中的熔融金屬含量，從而影響熔敷道的成形形貌。當(dāng)送絲速度較低時(shí)，熔池中的熔融金屬含量較少，在重力、表面張力的作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，最終凝固成形。此時(shí)熔敷道寬度均勻，左右對稱，在基板上呈良好鋪展?fàn)顟B(tài)，見圖3a。當(dāng)送絲速度逐漸增大時(shí)，熔池中的熔融金屬含量增加，但熔池的寬度幾乎沒有變化，因此，在表面張力的作用下，熔融金屬垂直于熔池方向堆積，熔敷道與基板的接觸角逐漸增加，其橫截面輪廓掃描結(jié)果如圖4所示。當(dāng)接觸角超過60°，熔敷道鋪展較差，見圖3b。當(dāng)送絲速度繼續(xù)增大時(shí)，熔池中熔融金屬含量過多，導(dǎo)致熔敷道堆積過高，此時(shí)熔池中的表面張力無法承受熔融金屬的重力，熔敷道與基板的接觸角開始增加，接觸角超過90°，呈不鋪展?fàn)顟B(tài)，見圖3c。最終當(dāng)送絲速度增大到焊絲來不及熔化時(shí)，熔敷過程中的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，從而造成插絲缺陷，見圖3d。

圖3 典型熔敷道成形形貌特征Fig.3 Forming characteristics of typical deposition beads

圖4 250 A時(shí)不同送絲速度下的熔敷道橫截面輪廓線Fig.4 Cross-section profile of beads deposited at 250 A with different wire feed speeds

當(dāng)熔敷電流高于350 A時(shí)，隨著送絲速度的增加，熔敷道的形貌從成形良好直接轉(zhuǎn)變?yōu)椴褰z缺陷。這是因?yàn)樵诖箅娏飨氯鄢貙挾蕊@著增加，只有向熔池填充大量的熔融金屬才會顯著增加熔敷道與基板的接觸角，出現(xiàn)鋪展不良；然而，在大電流下電弧弧柱區(qū)擴(kuò)展，熔絲的熱效率下降，送絲速度過高時(shí)，焊絲將來不及熔化而直接插入熔池，形成插絲缺陷。

單絲輸送模式下，將熔敷電流和送絲速度對熔敷道成形特性的影響如圖5所示，依次被劃分為成形良好區(qū)、鋪展不良區(qū)、插絲缺陷區(qū)，其中成形良好區(qū)的上邊界線即為各個(gè)熔敷電流下的最大許用送絲速度。三個(gè)區(qū)域邊界的公共點(diǎn)位于350 A，因此，對于350 A以上的熔敷電流，若能夠提高電弧熔絲的熱效率，熔敷效率可進(jìn)一步提升。

圖5 單絲輸送時(shí)熔敷電流和送絲速度對熔敷道成形特性的影響Fig.5 Influence of the deposition current and wire feed speed on the forming characteristics of the deposit path during single wire feeding

為此，在熔敷電流大于400 A時(shí)，采用雙絲輸送模式開展成形試驗(yàn)，結(jié)果見表3。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔敷電流為650 A時(shí)，最大許用送絲速度達(dá)到了兩臺送絲機(jī)的上限166.7 mm/s，此時(shí)熔敷效率為5.36 kg/h，為傳統(tǒng)TIG增材制造的5倍以上。雙絲輸送時(shí)熔敷電流和送絲速度對熔敷道成形特性的影響如圖6所示。與圖5相比，在450 A熔敷電流下，雙絲輸送時(shí)產(chǎn)生插絲缺陷的臨界總送絲速度為單絲輸送時(shí)的1.4倍，這是因?yàn)殡p絲輸送與單絲輸送相比，焊絲與雙鎢極TIG電弧中心區(qū)域的接觸面積更大，提高了電弧熔絲熱效率，故焊絲的熔化速度提高，插絲傾向降低。

表3 不同熔敷電流和雙絲送絲速度下的熔敷道成形特性Table 3 Forming characteristics of beads at different deposition currents and double wire feed speeds

圖6 雙絲輸送時(shí)熔敷電流和總送絲速度對熔敷道成形特性的影響Fig.6 Influence of the deposition current and total wire feed speed characteristics of the deposit path during single wire feeding

2.2 各熔敷電流下的行走速度范圍

根據(jù)圖5、圖6為各個(gè)熔敷電流匹配最大許用送絲速度，針對不同熔敷電流、行走速度的組合，開展熔敷道成形試驗(yàn)，結(jié)果見表4。結(jié)果表明，在熔敷電流200～450 A范圍內(nèi)，采用單絲輸送模式，隨著行走速度的不斷增加，熔敷道呈現(xiàn)高度過大、成形良好、成形不連續(xù)三個(gè)過程。而在熔敷電流450～650 A范圍內(nèi)，采用雙絲輸送模式，隨著行走速度的增加，熔敷道形貌呈表面褶皺、成形良好、駝峰三個(gè)過程。試驗(yàn)得到的成形不良熔敷道見圖7。

圖7 不同熔敷電流、行走速度下成形不良的熔敷道Fig.7 Poor forming appearances of deposition beads at different deposition currents and travel speeds

表4 不同熔敷電流和行走速度下的熔敷道成形特性Table 4 Forming characteristics of beads at different deposition currents and travel speeds

當(dāng)熔敷電流小于450 A時(shí)，若行走速度過低，熔敷道橫截面面積過大，其寬度和高度均顯著增加，根據(jù)1.2節(jié)所述，將高度大于3 mm的熔敷道作為高度過大處理；若行走速度過高，耦合電弧與基板接觸的時(shí)間縮短，單位長度上的熱輸入過低，無法熔化基板形成熔池，但焊絲依舊能被電弧熔化，從而導(dǎo)致熔滴與基板發(fā)生粘連，形成不連續(xù)的熔敷道，見圖7a。當(dāng)熔敷電流大于450 A時(shí)，若行走速度過低，在過大熱輸入的作用下，熔池中的熔融金屬嚴(yán)重過熱，凝固后的熔敷道表面出現(xiàn)褶皺，見圖7b；若行走速度過高，過大的熔敷電流將導(dǎo)致雙鎢極TIG電弧的壓力水平提高，擠壓熔池前沿使其產(chǎn)生液態(tài)金屬薄層，金屬薄層隨電弧前進(jìn)而凝固，阻礙后方熔融金屬回流，從而造成駝峰缺陷，見圖7c。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果與分析，得到了各個(gè)熔敷電流下能夠堆積出成形良好熔敷道的行走速度范圍，即雙鎢極TIG電弧增材制造成形良好的工藝窗口，如圖8所示。由此可見，隨著熔敷電流增加，產(chǎn)生駝峰的臨界行走速度逐漸降低，而產(chǎn)生表面褶皺的臨界行走速度逐漸增加，使得成形良好的行走速度范圍逐漸縮小。雙絲雙鎢極TIG電弧增材制造方法在650 A的熔敷電流下依然可以良好成形，熔敷效率最高可達(dá)5.36 kg/h。

圖8 不同熔敷電流下的行走速度范圍Fig.8 Feasible ranges of travel speed at different deposition currents

3 結(jié)論

（1）單絲雙鎢極TIG電弧增材制造的熔敷電流在200～350 A范圍內(nèi)，送絲速度過高會導(dǎo)致熔敷道鋪展不良，而在350 A以上，送絲速度過高則會引起插絲缺陷。

（2）對于450 A以上的熔敷電流，使用雙絲輸送模式，提高了雙鎢極TIG電弧熔絲的熱效率，降低了插絲傾向，使熔敷效率進(jìn)一步提高。

（3）雙絲雙鎢極TIG電弧增材制造在650 A的熔敷電流下依然可以良好成形，熔敷效率最高可達(dá)5.36 kg/h。

對于雙鎢極TIG電弧增材制造方法，本研究揭示了其熔敷道的成形特性，并提供了成形良好的工藝窗口，為進(jìn)一步研究該方法的成形機(jī)理，未來有必要通過數(shù)值模擬的方法，針對熔池的流動與傳熱特性進(jìn)一步開展深入研究。