磁場對鋁合金電弧增材成形及組織性能的影響*

常云龍，劉天羽

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

增材制造把復雜三維制造轉化為一系列二維制造的疊加過程，因而幾乎可以在不用模具的條件下生成任意復雜形狀的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性.目前有許多增材制造工藝使用電弧作為熱源，將傳統氣體保護焊方法進行改造后，再將其應用到增材制造領域，從而形成了電弧增材制造技術.成本低、生產周期短、沉積速率高是電弧增材制造技術的主要特點[1-2].但是，目前的鋁合金電弧增材制造技術，由于電弧的熱積累引起構件在堆積加工過程中變形大、容易發生流淌，最終導致構件存在氣孔缺陷、組織性能不穩定等缺點.焊接電弧中等離子體磁場具有可作用性，導電性和電準中性等特點，可以通過外加磁場控制焊接電弧的形狀、運動、位置，從而改善鋁合金電弧增材制造技術存在的缺點[3].

近年來，國內外研究學者對磁控焊接技術進行了大量研究.德國學者Marcel等[4]將外加磁場引入到大功率激光焊后發現，熔池內液態金屬的運動速度明顯發生改變.通過模擬結果與實驗結果的比較發現，只要磁場垂直作用于焊接方向，洛倫茲力對焊接熔池中金屬的熔化速度與外加磁場的極性就不存在一定相關性.外加磁場作用于熔池，對熔池中的溫度分布和傳熱傳質都產生了影響.Avilov等[5]將磁場應用在AlMg3板PA位置進行激光焊接后發現，外加電磁場裝置產生的磁場對焊接熔滴產生了一定作用，同時還可以抑制焊接熔池底部的對流作用.劉民軍[6]將交變縱向磁場引入CO2焊接中，實驗結果表明，在磁場作用下焊接電弧形態由錐形變成鐘罩形，電弧沿著焊絲軸線旋轉運動，并且電弧剛度和穩定性得到提升.同時，熔滴形態在外加磁場作用下會發生改變，熔滴過渡頻率加快，焊接飛濺率得到控制.羅鍵等[7]研究了外加縱向磁場對AZ31B鎂合金TIG焊焊縫成形及組織的影響規律后發現，外加磁場促使焊接電弧擴張，增加焊縫熔寬，細化了焊縫中心、熔合區和熱影響區的晶粒，同時焊接裂紋敏感性大大降低.外加磁場能夠改變焊接電弧形態，在一定程度上改善焊縫成形，從而為焊接過程提供有利條件.

1 材料、設備及方法

采用Fronius CMT(A-4600)焊機進行增材制造實驗.CMT焊接輔助系統包括：CMT焊接控制面板(遙控器)、焊接夾具、機械手臂和焊接保護氣氣瓶.利用MCWE-10/100耦合磁控設備在焊接過程中引入外加磁場，可以調節勵磁電流(0～10 A)和勵磁頻率(0～100 Hz)，并可在實驗過程中配合調節工藝參數.圖1為磁控焊接裝配示意圖.在增材制造過程中，采用Photron 512×512高速攝像系統對焊接電弧形態進行實時觀察和拍攝，分析外加磁場對電弧形態的作用規律.圖2為高速攝像機裝配示意圖.

圖1 磁控焊接裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetically controlled welding assembly

圖2 高速攝像機裝配示意圖Fig.2 Schematic diagram of high-speed camera assembly

采用直徑為1.2 mm的ZL114A焊絲進行電弧填絲增材制造.ZL114A屬于Al-Si-Mg系合金，牌號為ZAlSi7Mg1A，材料的合金成分[8]如表1所示.實驗選用的電弧增材制造工藝參數如表2所示.采用離線編程方法將焊接路徑規劃為單道多層焊接，焊接時后一道與前一道焊接方向相反，堆積得到長200 mm、寬50 mm的鋁合金增材試件，之后在焊接過程中施加勵磁頻率為70 Hz、勵磁電流分別為1、2、3 A的磁場，最終得到在磁場作用下的三組增材試件.使用OLYMPUS型金相顯微鏡、拉伸性能試驗機、HVS-50型維氏硬度計等設備對增材試件的組織及性能進行檢測分析.

表1 ZL114A合金成分(w)Tab.1 Composition of ZL114A alloy (w) %

表2 電弧增材制造工藝參數Tab.2 Technological parameters for arc augmentation manufacturing

2 結果與分析

2.1 外加磁場對電弧形態的影響

圖3為利用高速攝像機拍攝的在勵磁頻率為70 Hz、勵磁電流分別為1、2、3 A的磁場作用下的電弧形態照片，并與無磁場作用下的電弧形態進行了比較.

圖3 磁場對電弧形態的影響Fig.3 Effect of magnetic field on arc shapes

由圖3可見，在外加磁場作用下焊接電弧形態發生了明顯變化，且在不同勵磁電流下具有不同的變化效果.無磁場作用時電弧整體表現為略微外凸的圓錐形，相對于焊絲軸線中心對稱，整個焊接過程中電弧形態相對穩定.引入外加磁場后可以發現，電弧頂部直徑有所收縮，而電弧底部則有明顯向外發散的趨勢，呈現向內凹陷的錐形，說明在外加磁場作用下電弧頂部會向中心收縮，這樣導致電弧能量更集中，作用在焊縫上的電弧壓力更大，從而導致焊縫兩端的沖擊力更大，使得電弧底部呈現向外發散的形態.當勵磁電流為1 A和2 A時，電弧壓縮現象比較明顯，而當勵磁電流為3 A時，電弧頂部直徑擴大，電弧底部的發散現象有所收斂，說明當勵磁電流達到3 A后，磁場對電弧的壓縮作用減弱.另外，在引入磁場后可以觀察到電弧發生了旋轉現象，結果如圖4所示.

圖4 焊接電弧的旋轉現象Fig.4 Rotation phenomena of welding arc

觀察圖4可以發現，引入磁場后焊接電弧會出現偏離焊絲軸線現象，這是由于焊接電弧繞焊絲軸線旋轉，因而在高速攝像機中可以看到電弧發生搖擺.焊接電弧本身是一種劇烈的氣體放電現象，其中徑向運動的帶電粒子與外加縱向磁場相互作用產生洛倫茲力，使得帶電粒子繞軸螺旋運動，因而焊接電弧會在磁場作用下發生旋轉.對比三組磁場參數下的電弧形態可知，在勵磁電流1 A和2 A時電弧左右擺動的現象較為明顯，且勵磁電流為2 A時電弧偏轉幅度更大一些，勵磁電流為3A時電弧要穩定很多，電弧偏轉幅度較小，電弧旋轉程度不如勵磁電流為1 A和2 A時劇烈.

2.2 外加磁場對增材試件成形的影響

圖5為電弧增材制造試件宏觀表面形貌.通過宏觀形貌對比可以發現，在引入外加磁場后，隨著勵磁電流的不斷增加，增材制造試件表面的成形質量得到了明顯優化，試件表面變得平整，凹凸不平的現象得到改善，并且試件表面的焊道條紋變得清晰可見，每條焊道都很平整，焊道熔敷高度相比于無磁場的試件均勻了很多，每層高度差別不大，基本保持一致，說明引入磁場可以有效控制液態金屬向外流淌的情況，使得試件成形更為均勻.

圖5 不同勵磁電流下電弧增材制造試件的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of AM specimens under different excitation currents

圖6為對增材試件截面進行腐蝕后的試件形貌.由圖6能夠明顯看出試件每層之間的分界線，可以通過測量試件高度與熔覆層數來計算試件每層的高度.

圖7為外加磁場對試件熔寬和層高的影響.對比勵磁電流分別為1、2、3 A與未加磁場的試件可知，引入外加磁場后增材構件熔寬明顯增加，而每層增材高度相應降低，且隨著勵磁電流的增大，試件熔寬也隨之增大.這是由于引入外加磁場后，電弧開始旋轉并向四周進行擴散.此時電弧直徑變大，與工件接觸面積變大，提高了液態金屬的鋪展性，因而在形成焊縫后，在宏觀上體現為熔寬增大，且施加縱向磁場可以有效控制熔池流動，避免熔敷金屬鋪展不均勻的問題.

圖6 試件截面圖Fig.6 Section diagram of specimen

圖7 磁場對焊縫熔寬和層高的影響Fig.7 Effect of magnetic field on weld width and layer height

2.3 外加磁場對增材試件金相組織的影響

鋁硅合金的性能與組織狀態具有密切關系.組織是顯示材料性能的重要因素，因而合金組織為材料研究的重點之一.圖8為ZL114A試件在無磁場條件下和勵磁電流為1 A、勵磁頻率為70 Hz磁場條件下的金相組織圖.圖8中的淺色成片狀分布的樹枝狀晶為α-Al，在α-Al間隙中的花紋狀黑色物質為共晶硅，除此之外，在片狀α-Al相間還分布著少量Mg2Si、Al3Ti和雜質鐵相[9].引入磁場后，ZL114A的顯微組織中呈片狀分布的α-Al相變小，由原來的大片狀變為小片狀，晶粒明顯細化；共晶硅析出相在引入磁場后由原來的粗大花紋形貌變得細小，且分布更為均勻，結晶組織由胞晶向樹枝晶轉變的趨勢較為顯著.鋁合金結晶組織的晶間距離和結晶速率、過冷度有關.結晶速率、過冷度越大，結晶組織的晶間距離越小.當焊縫液態金屬發生快速冷卻時，因為非平衡凝固結晶的存在將會促使偏析形成，所以通過施加外部縱向磁場作用于焊接結晶過程可以促進結晶組織細化，且有利于減弱焊縫偏析程度.可見，引入磁場有助于減少共晶硅析出相，這是無磁場增材制造條件下所不能實現的.

圖8 磁場對試件組織的影響Fig.8 Effect of magnetic field on specimen microstructure

ZL114A組織中連續分布的共晶硅相是一種又脆又硬的組織，且大量分布在α-Al晶粒間，割裂了Al基體組織，嚴重影響試件的力學性能.對ZL114A增材試件進行焊后熱處理，旨在改變晶體組織，提高增材試件的力學性能.ZL114A鋁合金的熱處理工藝主要由固溶淬火與人工時效組成，具體工藝為：540 ℃×14 h+55 ℃水冷+155 ℃×7.5 h+空冷[10].

圖9為對增材試件進行熱處理后的試件金相組織.觀察圖9可以發現，ZL114A鋁合金熱處理前后的晶粒形態相差較大，經過熱處理加工后，原焊縫組織中明顯的柱狀枝晶已經消失，α-Al基體相顆粒變小，晶粒間隙變窄，間隙中的Mg2Si相持續不斷地融入基體.晶界處連續不間斷分布的具有割裂作用的花紋狀共晶硅析出相大部分已經重新固溶于α-Al基體中，部分未溶于α-Al基體的析出相以圓球狀或短棒狀分布在晶界處，原來粗大的第二相已經消失，取而代之的是較多細小彌散的強化相均勻分布在α-Al基體中.引入外加磁場后，α-Al基體相的分布更加均勻，共晶硅析出相更加細小，更多的共晶硅固溶到α-Al基體中形成固溶強化，使得材料的性能得到提升.

圖9 熱處理后外磁場對試件組織的影響Fig.9 Effect of magnetic field on specimen microstructure after heat treatment

2.4 外加磁場對增材試件力學性能的影響

將4組熱處理后的電弧增材試件進行拉伸實驗，根據合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率數據繪圖，結果如圖10所示.由圖10可見，引入磁場后材料的力學性能得到提高，當勵磁電流為2 A時，獲得最大抗拉強度345 MPa，最大屈服強度301 MPa，相比無磁場時的試件抗拉強度提高了27 MPa，提高幅度為8.5%.隨著勵磁電流的增大，試件的抗拉強度先上升后下降，當勵磁電流為3 A時，抗拉強度降低到333 MPa.合金伸長率在引入磁場后也有明顯提升，勵磁電流的變化對伸長率無明顯影響，3組試件伸長率均約為10.3%，與無磁場的試件相比約提高了4%.

圖11為無磁場和在勵磁電流為1 A、勵磁頻率為70 Hz磁場作用下拉伸試件的斷口掃描照片.由圖11可見，在斷面上可以觀察到明顯韌窩，說明ZL114A試件的斷裂屬于韌性斷裂，并且引入磁場后的試件斷口韌窩更大，說明試件的塑性優于無磁場的情況.

圖10 磁場對試件拉伸性能的影響Fig.10 Effect of magnetic field on tensile properties of specimens

圖11 拉伸試件斷口SEM圖像Fig.11 SEM images of tensile fractured specimens

采用HVS-50型維氏硬度計對4組試件進行硬度實驗，每個試件選取A、B、C、D共4個硬度點，測試載荷約為49 N，保壓時間為10 s，打點位置如圖12所示(單位：mm).分析磁場對試件硬度的影響規律，結果如圖13所示.

圖12 硬度打點位置Fig.12 Hardness measuring points

圖13 磁場對試件硬度的影響Fig.13 Effect of magnetic field on specimen hardness

觀察圖13可知，未加磁場時硬度值波動范圍較大，最高硬度值為103 HV，最低硬度值為88 HV，相差15 HV，平均硬度為95.25 HV.引入磁場后，試件硬度值波動范圍縮小，整體趨勢趨向平穩，當勵磁電流為2 A時，試件硬度曲線最平穩，最大波動只有3 HV.在勵磁電流為2A的磁場下獲得最高平均硬度，此時平均硬度值為102.25 HV，與未加磁場的試件相比，硬度提高了7 HV.引入磁場后合金硬度波動范圍縮小，硬度分布更為均勻.

3 結 論

本文主要研究了外加磁場對ZL114A電弧增材制造的影響，并對焊接電弧形態、焊后增材試件成形及性能進行了分析，可以得到如下結論：

1) 引入磁場后焊接電弧頂部直徑有所收縮，而電弧底部則出現向外發散的現象，且焊接電弧繞焊絲軸線旋轉，在勵磁電流為2 A的磁場作用下，電弧的壓縮現象最為明顯，電弧偏轉幅度最大.

2) 引入磁場后增材試件表面凹凸不平的現象得到改善，試件熔寬有所增加，且隨著勵磁電流的增大，試件熔寬也隨之增大.

3) 引入磁場使得熱處理后的試件組織中α-Al基體相顆粒的分布更加均勻，共晶硅析出相更加細小，更多的共晶硅相固溶到α-Al基體中形成固溶強化.

4) 引入磁場后增材試件的力學性能得到提升，在2 A勵磁電流磁場下獲得合金的最大抗拉強度為345 MPa，最高平均硬度為102.25 HV，且引入磁場后硬度波動更小，硬度分布更為均勻.