氬氦混合氣對鋁合金CMT電弧增材制造過程成形質量的影響

張瑞，王克鴻

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

電弧增材制造技術主要將焊接電弧作為熱源，金屬焊絲作為增材材料，電弧產生的熱量將焊絲熔化，然后按設定的增材路徑在選定的基板上由下而上層層堆積，直至形成零件[1]。隨著航空航天、國防軍工等重要技術領域對昂貴金屬零件的性能、精度、成本和周期的要求越來越高[2]，增材制造技術因其在直接成形金屬零件方面的優勢，已經成為國內外研究的熱點。

CMT(cold metal transfer)技術是將熔滴過渡與焊絲回抽技術相結合，熔滴過渡時電弧熄滅，焊接電流降至幾乎為零，從而大大降低焊接熱輸入，這種焊接工藝特點非常適合低熔點金屬(鋁合金)的增材制造研究[3-4]。氣孔是鋁及其合金電弧增材制造過程中容易出現的缺陷，它的存在降低了構件的致密性和耐腐蝕性，減小了有效承載面積，容易形成應力集中，從而降低構件的強度和塑性，因此必須嚴格控制氣孔。與氬氣相比，氦氣密度更低，但電離電位高，傳熱性好[5]，在相同電弧長度條件下，氦氣保護氛圍下的電弧電壓比氬弧的高(即電弧的電場強度高)，使電弧有較大的功率，除了有更好的保護作用外，也使得熔池流動性更強，更利于氣體從熔池中溢出。

本文通過鋁合金電弧增材制造實驗，對不同氬、氦比例混合氣下電弧增材成形質量對比分析，研究結果可為實現高質量鋁合金構件的制造提供實驗依據和數據參考。

1 實驗材料和方法

實驗中使用6mm厚6060鋁合金做為基板，選用直徑1.2mm的ER5356鋁合金焊絲作熔敷填充材料。基板和焊絲成分見表1、表2。5356為鋁鎂焊絲，強度高，塑性好，有良好的抗腐蝕性。

表1 6060鋁合金基板成分 wt%

表2 5356鋁合金焊絲成分 wt%

焊接方法為CMT，增材速度為50 cm/min，送絲速度為5 m/min，焊絲桿伸長10 mm，保護氣分別為純氬氣、85%Ar+15%He、70%Ar+30%He、50%Ar+50%He、25%Ar+75%He、100%He，保護氣流量20 L/min，每層焊槍提升量1.5 mm，層間等待時間60 s，共計25層。

實驗利用CCD圖像采集系統在固定位置處采集帶標定物的金相截面照片，對照片進行二值化變換、輪廓提取、輪廓像素坐標轉換等操作后獲得直角坐標系中具有實際尺寸試樣的輪廓線(圖1(a))，再對獲得的實際輪廓曲線進行直線擬合(圖1(b))，計算輪廓線與擬合后直線的誤差值。

圖1 試樣輪廓線

采用X射線檢測的方法，觀察直徑>0.2 mm的宏觀氣孔在試樣中的數量和分布情況。同時針對氣孔直徑<0.2 mm的顯微氣孔，實驗使用掃描電鏡觀察，由于試樣尺寸較大，視場區域不足，需要將得到的圖片進行拼接，恢復試樣原本整體形貌。截取試樣中間平整部分，截取圖片后再使用ImageJ軟件進行圖像處理，計算顯微氣孔率(圖2)。

圖2 掃面電鏡下試樣氣孔分布全貌圖

實驗主要使用奧林巴斯光學顯微鏡對金相試樣進行顯微組織分析。首先使用電火花線切割機垂直增材方向獲得金相試樣，經過240#、320#、400#、600#、800#金相砂紙打磨，并用W5、W1的研磨膏在拋光機上拋光，最后使用20%的氫氟酸溶液腐蝕30s左右，用酒精清洗后吹干。在對拉伸試樣斷口形貌和金相試樣顯微氣孔的觀察時本實驗使用的是FEI Quanta 250F場發射環境掃描電鏡。

2 實驗結果與分析

2.1 成形尺寸精度分析

如圖3所示，當氦氣比例較低時，試樣上表面平整度較高。氦氣比例增大到30%后，試樣的上表面開始呈現高低起伏，上表面平整度開始下降，成形精度降低。見表3，隨著保護氣中氦氣比例的增加試樣寬度有微小增加，高度降低，是由于氦氣做保護氣時，相同焊接電流和電弧長度條件下，氦弧的電弧電壓比氬弧的高(即電弧的電場強度高)，使電弧有較大的功率，熱輸入也較大。另外氦氣電弧能量密度增大，電弧收縮，熔透率增大，導致熔深變深，對于多層單道試樣最上層熔池的擾動增強，使得上表面不平整。

圖3 不同保護氣成分下單道多層試樣照片

表3 不同保護氣成分下試樣截面尺寸

根據圖4和表3可以看出隨著氦氣比例的增減試樣表面粗糙度先增加后減小，但整體表面粗糙度大于純氬氣。這是由于氦氣質量分數較小，He氣的密度僅僅只有Ar氣的1/10，要達到相同的保護效果，He氣的流量應是Ar氣的3～4倍,這就是因為采用He作為保護氣體，電弧不穩定，容易產生飛濺[5]。焊縫表面粗糙比例較小時，焊道熱輸入增加，原本層間有凹凸的部分開始出現部分消除，但由于熱輸入并不足以使焊道間完全消除凹凸部分的影響，并且熱輸入增大導致層間熔池流動性增強，持續堆積時層間穩定性下降，導致部分焊道對中性不如純氬氣時好。所以在氦氣比例較低時，表面粗糙度會有所增加。當氦氣比例達到50%后，熱輸入能夠更好地消除層間凹凸部分的影響，但穩定性依舊不如純氬氣時好。

圖4 不同保護氣成分下金相試樣截面照片

2.2 氣孔率分析

首先研究宏觀氣孔，對所有試樣進行X光射線檢測，如圖5所示。通過觀察X光片可以看到，不論哪種工藝條件下，試樣兩端都有大量的宏觀氣孔缺陷。這是由于起弧和收弧處，電弧不穩定所致。另外可以看到試樣中會有少量直徑>0.2 mm的宏觀氣孔。但隨著氦氣比例的增加，宏觀氣孔的數量在減少，當氦氣比例達到75%時宏觀氣孔基本消失。宏觀氣孔主要分布在層間結合處，層內只分布有少量，這是由于層間等待60 s時，焊道表面溫度降低，鋁合金發生氧化，會有少量空氣中的水分附著在焊道表面，再焊接時這部分水分受熱分解產生的氫氣溶入熔池中，但來不及逸出最終形成宏觀氣孔。

圖5 不同保護氣體成分的X光片

根據掃描電鏡在放大80倍時所觀察到的金相試樣(圖6)可以看到顯微氣孔比較均勻地分布在試樣的截面上，并未出現聚集。根據表4可以看出，當氦氣比例增加的時候，試樣中顯微氣孔的氣孔率在減小，當氦氣比例達到75%時，氣孔率<0.1%。混合保護氣中氦氣的加入，使得增材過程中熔池上表面保護氣體的電離能增加。弧柱電壓升高，電弧功率增大，熔池受熱溫度上升，流動性增強。高的弧柱電壓也有利于破壞熔池表面的氧化物層，使熔池中的氣體更易逸出。加入的氦氣還可以改變熔池的形狀，氦氣比例的增加使焊道熔深變小而熔寬加大，這種形狀更利于氣體的逸出。

表4 金相試樣氣孔率統計表

圖6 不同保護氣體金相試樣顯微氣孔分布圖

2.3 抗拉強度與延伸率分析

由圖7可看出當平行增材方向的拉伸試樣的抗拉強度比垂直增材方向試樣的抗拉強度要高。平行于增材方向的拉伸試樣在氦氣比例<50%時，抗拉強度基本沒有差別，30%氦氣時達到最大252.5MPa。當氦氣比例提高到75%后，平行增材方向試樣的拉伸強度由于氦氣比例的提高，熱輸入量增大，導致晶粒粗大，β相析出增多，從而出現抗拉強度降低。垂直增材方向的拉伸試樣，在氦氣比例達到30%時就開始下降。說明層間冶金結合對氦氣比例的變化更加敏感。并可以看到抗拉強度同樣受氦氣比例的增加而降低，但降低的幅度基本不變。

圖7 不同保護氣成分下試樣抗拉強度

從圖8中可以看出：平行增材方向上，不混入氦氣(純氬氣)時，斷裂延伸率可達到此種工藝條件下的最大值29.42%，并且拉伸試樣的延伸率會隨著氦氣比例的增加逐漸增加。垂直增材方向上，氦氣比例達到75%后斷裂延伸率會比較大，能夠達到25.66%。從延伸率上可以看出氦氣的加入對于材料的延伸率確實有較大影響。

圖8 不同保護氣成分下試樣延伸率

3 結語

1) 當氦氣比例較低時試樣上表面平整度較高，氦氣比例增大到30%后，試樣的上表面開始呈現高低起伏，上表面平整度開始下降, 成形尺寸精度降低。試樣表面粗糙度隨氦氣比例的增加先增加后減小。

2) 對氣孔率的研究表明當氦氣比例增加到75%后，不僅可以有效消除0.2mm以上的宏觀氣孔，也可以消除顯微氣孔。

3) 平行于增材方向的拉伸試樣在氦氣比例<50%時，抗拉強度基本沒有差別，30%He時抗拉強度達到最大值252.5 MPa。純氬氣時，斷裂延伸率可達到此種工藝條件下的最大值29.42%，之后拉伸試樣的延伸率會隨著氦氣比例的增加逐漸增加。

[1] Mughal M P, Fawad H, Mufti R A. Three-dimensional Finite-element Modeling of Deformation in Weld-based Rapid Prototyping[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 2006, 220(6):875-885.

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[4] 朱勝. 柔性增材再制造技術[J]. 機械工程學報, 2013, 49(23):1-5.

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