電弧增材高頻微錘擊系統(tǒng)及工藝特性的初步物理模擬

胡超雄，肖珺，陳樹君

(北京工業(yè)大學(xué),汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124)

0 前言

近幾年來(lái)，電弧增材制造技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，電弧增材類似堆焊過(guò)程，物理本質(zhì)上仍然是金屬局部的快速熔化、冷卻和凝固，復(fù)雜的熱循環(huán)使得電弧增材構(gòu)件面臨焊接過(guò)程類似的問題：殘余應(yīng)力和變形，內(nèi)部缺陷、晶粒粗大引起的力學(xué)性能下降等[1-6]。因此，如何改善金屬增材制造材料組織，提高其力學(xué)性能成為電弧增材領(lǐng)域一個(gè)重要挑戰(zhàn)。借鑒電弧焊接過(guò)程隨焊錘擊、碾壓可以有效改善焊縫微觀組織，提高力學(xué)性能，在電弧熔絲增材過(guò)程同步施加微區(qū)錘鍛或沖擊作用，是提高增材零件組織性能的可行途徑。Colegrove等人[7]在電弧增材制造過(guò)程中對(duì)材料進(jìn)行了滾壓處理。結(jié)果表明，軋制后樣品內(nèi)的殘余應(yīng)力小于未處理樣品的殘余應(yīng)力，且離基材越近，效果越明顯。同時(shí)，在隨后的沉積過(guò)程中，軋制后的材料再加熱會(huì)在材料內(nèi)部引起晶粒細(xì)化。Gu等人[8]通過(guò)層間軋制和后沉積熱處理研究了鋁合金孔隙率的變化。結(jié)果表明，在不同的軋制載荷下，材料中的孔數(shù)均大大減少。與此同時(shí)，Gu等人[9]還發(fā)現(xiàn)在不同載荷下層間軋制處理后，Al-6.3Cu合金的硬度和強(qiáng)度得到顯著提高。

噴丸和超聲沖擊處理(UIT)已用于焊接應(yīng)用，以減少局部殘余應(yīng)力和改善焊接機(jī)械性能。Li等人[10]研究了低溫(80 ℃，120 ℃和160 ℃)超聲表面軋制對(duì)HIP Ti-6Al-4V合金材料表面層組織和性能的影響。結(jié)果表明，低溫超聲表面處理的樣品在材料表面改性層中發(fā)生明顯的塑性變形，并伴有一些細(xì)化的晶粒和致密的位錯(cuò)。H?nnige等人[11]研究了新型機(jī)械錘擊(MHP)工具的潛力，以補(bǔ)充或取代軋制作為層間冷加工技術(shù)。結(jié)果表明，MHP是一種在Ti-6Al-4V 電弧增材過(guò)程實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的合適技術(shù)。

這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用于增材制造過(guò)程同步錘擊，有著共同的局限性：體積大，設(shè)備較笨重，空間可達(dá)性和行走速度都受限，其次錘擊力和錘擊頻率互相制約，大錘擊力則頻率過(guò)低，高頻錘擊則錘擊力小。文中提出了一種新型基于小型直線促動(dòng)器的隨焊微錘鍛技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，高頻大力輸出的特點(diǎn)。文中將介紹該系統(tǒng)的基本工作特性，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行初步的驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及錘擊能力測(cè)試

文中設(shè)計(jì)的機(jī)器人微錘鍛系統(tǒng)如圖1所示，可見體積非常緊湊小巧，可以集成與焊槍集成于一個(gè)機(jī)器人，也可以裝載到另一輔助機(jī)器人進(jìn)行多機(jī)協(xié)同。末端的滾動(dòng)機(jī)構(gòu)可以保證高速行走在焊縫表面。緊湊設(shè)計(jì)的錘鍛裝置可以保證盡可能離熔池更近的去進(jìn)行錘擊，有利于高溫凝固區(qū)的處理，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)液體熔池的振蕩沖擊。該節(jié)主要對(duì)系統(tǒng)的錘擊能力進(jìn)行驗(yàn)證，即在高頻率下獲得足夠的錘擊力。線性促動(dòng)器的輸出壓力可通過(guò)峰值為0 ～ 10 V的脈沖波形控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，錘擊頭內(nèi)置有壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量錘擊力大小。圖2所示為10 V峰值驅(qū)動(dòng)電壓，200 Hz頻率下的力輸出結(jié)果，最大錘擊力超過(guò)2 000 N，而且錘擊頭動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及錘擊力上升斜率令人滿意。錘擊力大小和驅(qū)動(dòng)控制電壓近似呈線性變化，3 V驅(qū)動(dòng)電壓下錘擊力約650 N，6 V驅(qū)動(dòng)電壓下錘擊力約1 300 N。實(shí)測(cè)該系統(tǒng)穩(wěn)定輸出的錘擊頻率可達(dá)2 kHz以上。

圖1 基于線性促動(dòng)器的微錘鍛系統(tǒng)

圖2 脈沖錘擊力測(cè)試

1.2 材料與方法

文中主要介紹所研制的新型錘擊系統(tǒng)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單物理模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，并未進(jìn)行實(shí)際電弧增材過(guò)程的同步錘擊，主要是驗(yàn)證系統(tǒng)的錘擊能力和效果。故而采用鋁合金TIG定點(diǎn)焊接試驗(yàn)進(jìn)行模擬，所采用的基板材料為6061鋁合金，基板尺寸300 mm×150 mm×5 mm，采用交流150 A焊接10 s。

隨焊錘擊改善電弧增材組織提升性能的可能機(jī)制在于兩方面：一是錘擊頭對(duì)當(dāng)前錘擊位置處已凝固高溫金屬的錘擊作用；二是高頻錘擊振動(dòng)傳導(dǎo)至前方熔池，振蕩熔池可能促進(jìn)氣孔逸出，細(xì)化晶粒。因此文中設(shè)計(jì)了兩種模擬試驗(yàn)方案：①TIG定點(diǎn)焊接，TIG焊槍離開機(jī)器人馬上錘擊焊點(diǎn)位置，實(shí)際延時(shí)約1 s；②TIG定點(diǎn)焊接 + 焊點(diǎn)30 mm處同時(shí)錘擊，分別驗(yàn)證錘擊對(duì)高溫凝固區(qū)和液態(tài)熔池的作用效果，分別如圖3和圖4所示。試驗(yàn)中采用兩臺(tái)機(jī)器人配合完成。兩種方案中，驅(qū)動(dòng)電壓都在3V，6 V和9 V三檔變化，每一檔電壓設(shè)定50 Hz，100 Hz和200 Hz頻率進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

圖3 TIG定點(diǎn)焊接附加焊點(diǎn)位置延時(shí)錘擊

圖4 TIG定點(diǎn)焊接附加同步近距錘擊

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 定點(diǎn)焊延時(shí)錘擊

圖5顯示了6061鋁合金在不同錘擊頻率下的顯微金相。從圖中可以看出，當(dāng)錘擊頻率在0～200 Hz的范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，合金的初生相逐漸退化，枝晶連續(xù)斷裂。 如果不進(jìn)行錘擊處理，則合金的主要相是粗大且發(fā)達(dá)的枝晶。當(dāng)錘擊頻率為50 Hz時(shí)，粗大的樹枝狀晶體破裂，局部出現(xiàn)大的玫瑰狀晶粒，與處理的初生相相比，其顯著降低。 當(dāng)頻率增加到100 Hz時(shí)，短棒晶體開始出現(xiàn)。當(dāng)頻率達(dá)到200 Hz時(shí)，初級(jí)相由斷裂的樹枝狀晶體和玫瑰形晶體組成。 因此，頻率的增加促進(jìn)了錘擊處理的晶粒細(xì)化效果。

圖5 不同錘擊頻率下6061鋁合金的顯微金相

在此模式下，選定效果良好的200 Hz頻率，改變驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)錘擊力，則錘擊效果變化并不明顯，錘擊力過(guò)大時(shí)反而容易錘出內(nèi)部裂紋，如圖6所示。這是因?yàn)門IG定點(diǎn)焊焊點(diǎn)受到母材的高度拘束，大錘擊力容易導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋。

圖6 200 Hz,9 V錘擊下出現(xiàn)裂紋

2.2 定點(diǎn)焊同步錘擊激振熔池

圖7顯示了6061鋁合金在不同振幅下的顯微組織。從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制電壓從3 V變?yōu)? V時(shí)，初級(jí)相的形態(tài)逐漸退化，并且枝晶連續(xù)破碎。未經(jīng)處理時(shí)，合金的主要相為粗大，發(fā)達(dá)的枝晶。當(dāng)振幅為3 V時(shí)，初級(jí)相不會(huì)顯著變化，但是當(dāng)振幅增加至6 V時(shí)，粗大的樹枝狀晶體會(huì)破裂，并出現(xiàn)局部短棒狀晶體，并且凝固的組織開始細(xì)化。當(dāng)振幅進(jìn)一步增加到9 V時(shí)，樹枝狀晶體完全破裂，并且初級(jí)相由破裂的樹枝狀晶體和玫瑰狀晶體組成。因此，振幅的增加促進(jìn)了振動(dòng)的細(xì)化效果。

圖7 不同激振振幅下6061鋁合金的顯微金相(100 Hz)

通過(guò)觀察振動(dòng)作用下的試驗(yàn)結(jié)果，可以看到熔池的振動(dòng)可以顯著改善合金的凝固組織，并且振幅的增加使細(xì)化效果增強(qiáng)。這是因?yàn)樵诤辖鸬哪踢^(guò)程中對(duì)熔體進(jìn)行了振動(dòng)處理。一方面，這種振動(dòng)的施加促進(jìn)液態(tài)金屬熔池對(duì)流，并使熔體內(nèi)部的溫度波動(dòng)，從而使枝晶的根部熔化，然后作為形核進(jìn)入熔體的其余部分。另一方面，該振動(dòng)還將對(duì)液態(tài)金屬造成干擾，從而引起液相和枝晶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且隨著振動(dòng)的進(jìn)行，液相連續(xù)沖向枝晶的根部，使其破裂。某些液相之間的移動(dòng)速度存在一定差異，因此會(huì)產(chǎn)生“粘滯剪切”效應(yīng)[12]。在這種作用下，生長(zhǎng)中的樹突尖端將被剪切成一個(gè)自由核，然后擴(kuò)散并增加成核速率。

圖8顯示了6061鋁合金在不同振動(dòng)頻率下的顯微組織。從圖中可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率為50 Hz和200 Hz時(shí)，與未處理相相比，合金的初生相形態(tài)降低，枝晶局部破碎，但是 頻率變化對(duì)晶粒細(xì)化的影響很小；但是，當(dāng)頻率為100 Hz時(shí)，很明顯樹枝狀晶體斷裂并且出現(xiàn)玫瑰晶體。這可能是由于100 Hz的振動(dòng)頻率最接近樹枝狀晶體的共振頻率。此時(shí)，熔體中產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和碰撞更加頻繁，并且樹枝狀斷裂的程度得到改善。

圖8 不同激振頻率下6061鋁合金的顯微金相(6 V)

3 結(jié)論

(1)與非振動(dòng)處理焊接試樣相比，加入振動(dòng)后晶粒細(xì)化，單個(gè)試樣可以清楚地看到樹枝狀斷裂，從粗柱狀晶體到細(xì)等軸晶體變化。

(2)錘擊固化的焊縫會(huì)破壞結(jié)晶方向，破壞生長(zhǎng)的樹枝狀晶體，并形成大量晶核以細(xì)化晶粒。錘擊頻率變化對(duì)晶粒細(xì)化的影響比錘擊力的變化更明顯。試驗(yàn)中200 Hz錘擊頻率效果最佳。

(3)在焊點(diǎn)附件同步錘擊時(shí)，錘擊作用實(shí)際是振動(dòng)傳導(dǎo)激振熔池，錘擊力越大，實(shí)際振動(dòng)振幅越大，對(duì)晶粒細(xì)化的影響比振動(dòng)頻率更為明顯，振幅越大，晶粒細(xì)化效果越好。