CMT 增材制造工藝對5356 鋁合金熔敷層組織及力學性能的影響

周佳芬，趙慧慧，李送斌，周佳俊，黃 琿，尹玉環

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

電弧增材制造是以焊接電弧為熱源，焊絲為熔覆材料，采用分層累加焊接來制造零件的方法，具有低成本、高效率、裝備簡單、易操作等特點［1-3］。電弧增材制造能用于武器裝備領域零件的修復，但目前國內電弧增材制造修復零件還停留在實驗室階段。

冷金屬過渡（CMT）焊是一種新型的氣體熔化極電弧焊（GMAW），具有焊接飛濺小、熱輸入較低、弧長控制精確、電弧穩定等優勢［4-7］。近年來，國內研究人員將CMT 方法應用于增材制造取得了一定進展。姜云祿［8］采用CMT 工藝獲得了外形較復雜的5356 合金試樣。李玉飛等［9］利用CMT 工藝研究了5B06 鋁合金薄壁件宏觀成形、顯微組織和力學性能的變化。此外，單/雙絲CMT 的出現為破損零件的電弧熔覆修復提供了一種理想熱源，具有熱輸入可控、效率高等優點。通過對CMT 焊機本身擁有的CMT+Pulse、CMT、CMT+Advance 等多種焊接模式的切換與組合，并結合如單/雙絲等焊接工藝方法，可實現CMT 工藝在復雜零件及薄壁鋁合金零件上的應用修復與制造［10］。本文以CMT 工藝在電弧熔覆修復技術上的應用為基礎，將5356 鋁合金作為試驗對象，研究了不同焊接參數對焊接所得熔覆層外觀尺寸、微觀組織及力學性能上的影響。

1 試驗方法

本試驗使用的機器人單/雙絲CMT 電弧修復系統，主要由KUKA 機器人及其控制柜和奧地利Fronius 全數字化CMT 焊機組成。CMT 焊機包含CMT+Pulse、CMT、CMT+Advance 3 種焊接模式模式，CMT+Pulse 是在CMT 工藝基礎上增加了脈沖，CMT+Advance 在CMT 工藝基礎上變化了電弧極性。本試驗均采用CMT+Advance 模式，該模式下是交流電弧，具有氧化膜破碎作用，能除去焊絲和母材表面的氧化膜。試驗基板材料為5A06，尺寸為10 mm×150 mm×300 mm，選用直徑1.2 mm 的ER5356 鋁合金焊絲作為熔敷填充材料，其抗拉強度為265 MPa，延伸率為26%，化學成分見表1。

表1 5356 鋁合金焊絲成分Tab.1 Composition of 5356 aluminum alloy welding wire %

本試驗采用不同送絲速度、焊接速度對5356 鋁合金進行電弧增材制造成形，利用游標卡尺測量熔覆完成后的試樣的高度和寬度，并計算平均值。試驗中，使用線切割機沿垂直方向切割增材試樣獲得金相試樣，再分別使用240#、600#、1200#金相砂紙進行打磨、拋光，并使用20%的氫氟酸溶液腐蝕金相后，采用Ario observer.D1m 金相顯微鏡對熔覆層顯微組織進行分析。由于成形件是薄壁結構，因此，拉伸試樣采用非標結構，尺寸如圖1 所示。采用CMT 5305 電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸試驗速率為5 mm/min。采用Nova Nano SEM 450 掃描電子顯微鏡觀察斷口顯微形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Schematic diagram of the tensile specimen size

2 試驗結果與分析

2.1 送絲速度和焊接速度對尺寸精度的影響

CMT+Advance 焊接模式下，設置試驗條件為：焊接速度0.3 m/min，焊絲干伸長10 mm，保護氣為純氬氣，保護氣流量20 L/min，層間等待時間240 s，熔覆層數7 層，焊槍每層抬高高度4 mm。研究了不同送絲速度（5、6、7、8 和9 m/min）對熔覆層高度和寬度的影響，試驗結果如圖2 所示。

圖2 送絲速度對增材試樣高度和寬度的影響Fig.2 Effects of wire feeding speed on the height and width of the additive sample

由圖2 可知：當送絲速度由5 m/min 增大至9 m/min 時，送絲速度每增大1 m/min，單層熔覆金屬寬度增大1 mm 左右，其單層高度基本不變。這是由于在焊接速度不變的情況下，送絲速度的增大會使金屬熔覆效率提高，同時送絲速度的增大也會引起熱輸入的增大，使焊道下方金屬熔化區域增大的同時增加焊道寬度。

在相同的焊接模式下，設置送絲速度7 m/min，其他工藝參數不變，研究了不同焊接速度（0.2、0.3、0.4、0.5 和0.6 m/min）對熔覆層高度和寬度的影響，試驗結果如圖3 所示。

圖3 焊接速度對焊縫高度和寬度的影響Fig.3 Effects of welding speed on the height and width of the welded seam

由圖3（a）可知，隨焊接速度的增加，寬度和高度均逐漸減小，這主要是由于焊接速度的提高會導致焊接線能量降低，從而使熔覆層高度和寬度減小。此外，由圖3（b）還可以看出，熔覆層寬度近乎與焊接速度的開方成反比，這表明單位長度焊縫上的焊絲金屬與焊接速度成反比。

2.2 熔覆層組織分析

多層單道的熔覆層形貌如圖4 所示。由圖4 可知，試樣的熔覆層共7 層，并且由于熔敷金屬會使焊道下方金屬發生熔化，使得層與層之間存在明顯的融合線。

圖4 熔覆層橫截面Fig.4 Cross section of the cladding layer

圖5（a）為第1 層熔覆層的微觀形貌，可以看出，熔合線靠近母材方向。圖5（b）為圖5（a）中熔合線附近區域1 處微觀形貌，可以看出，此處晶粒呈柱狀晶，其原因是此處散熱速度比周圍空氣散熱快，沿垂直增材方向散熱，晶粒朝散熱方向生長，呈柱狀晶。圖5（c）為圖5（a）中熔合線上部區域2，生長為等軸晶區。圖5（d）為圖5（a）中熔覆層中部區域3，受到下1 層金屬熔覆時加熱的影響，同時區域3 遠離基板并處于該層熔覆層中心位置，散熱速度較區域2 小，使得等軸晶組織長大。

圖5 熔覆層形貌Fig.5 Morphology of the cladding layer

2.3 焊接速度對熔覆層力學性能的影響

多層單道熔覆層進行拉伸試樣的取樣位置如圖6 所示，為減小試驗結果的隨機性誤差，每個增材試件取6 個試樣，3 個平行于增材方向，3 個垂直于增材方向。

圖6 切取試樣位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the cutting sample positions

不焊接速度下的拉伸結果見表2。由表2 可知：不同焊接速度條件下，增材試樣的力學性能均超過焊絲原本性能，平均抗拉強度達274.7 MPa，表明利用CMT+Adv 模式進行鋁合金增材試樣得到的試樣力學性能良好，層間連接強度較好。

采用掃描電鏡對兩組拉伸試樣進行斷口分析，斷口形貌如圖7 所示。

由圖7 可知：兩組拉伸斷口與拉伸方向均呈45°夾角，且斷口處均存在大量不同尺寸的等軸韌窩，表明兩組試樣均為韌性斷裂，塑性較好。平行熔覆方向和垂直熔覆方向的力學性能相差不多，層間連接強度良好。

表2 熔覆層力學性能Tab.2 Mechanical properties of the cladding layer

圖7 斷口形貌Fig.7 Fracture morphology

3 結束語

1）送絲速度和焊接速度對增材試樣的尺寸有重要影響。隨送絲速度的增加，寬度相應增加，而高度則無明顯變化；隨焊接速度增加，寬度和高度均相應減小，后續修復零件的參數可依照此規律。

2）多層單道的熔覆層可分為3 個區域，熔合線附近為柱狀晶區，熔合線上部位等軸晶區，熔覆層中部為長大的等軸晶區。

3）在CMT+Advance 模式下，不同焊接速度下的增材試樣均具有良好的力學性能，垂直熔覆方向和平行熔覆方向的力學性能相差不多，層間連接強度良好，抗拉強度和延伸率均超過焊絲材料的標準值，平均抗拉強度達274.7 MPa。