冷金屬過渡電弧增材制造技術(shù)研究進展*

胡 彪,鄧勁蓮,蔡高參*,王瑞權(quán)

(1.浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310051)

0 引 言

增材制造(AM)技術(shù)是一種將材料逐層堆積成一個實體零件的制造技術(shù)[1-3]。與傳統(tǒng)的減材制造相比,增材制造具有許多突出的優(yōu)點,如直接制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件、材料利用率高、制造周期短等[4]。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到航空航天、汽車、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域。

目前,國內(nèi)外的研究熱點主要是關(guān)于金屬材料的增材制造。根據(jù)熱源方式的不同,金屬增材制造技術(shù)主要分為:激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)[5]、電子束增材制造(electron beam melting,EBM)[6,7]和電弧增材制造(wire arc additive manufacture, WAAM)[8,9]。

電弧增材制造技術(shù)以電弧作為熱源將絲材熔化,在軟件和數(shù)控系統(tǒng)的控制下,自下而上逐層堆積成形零件[10]。WAAM具有成本低、絲材利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,已成為直接制造金屬零件的重要技術(shù)手段。

WAAM廣泛采用的電弧有:熔化極氣體保護焊(gas metal arc welding,GMAW)、非熔化極氣體保護焊(gas tungsten arc welding,GTAW)、等離子弧焊(plasmaarc welding,PAW)和冷金屬過渡焊(cold metal transfer,CMT)[11,12]。

作為一種新型的焊接工藝,CMT具有超低的熱輸入量以及熔滴過渡無飛濺等優(yōu)點,因而其非常適用于增材制造領(lǐng)域。

近幾年來,CMT電弧增材制造技術(shù)已成為國內(nèi)外研究機構(gòu)的研究熱點。各研究人員已對其表面成形質(zhì)量、內(nèi)部冶金缺陷以及微觀組織與性能等做了大量的研究。

例如,KAZANAS P等人[13]進行了鋁合金CMT電弧增材制造零件幾何成形能力的研究,并通過改變焊槍與基板相垂直的增材方式,實現(xiàn)了各角度薄壁件的成形。張習(xí)羽等人[14]對6061鋁合金CMT電弧增材制造進行了六因素五水平的正交實驗,發(fā)現(xiàn)了焊接參數(shù)電流對其制件的氣孔率影響最大。郭一飛等人[15]基于CMT電弧增材制造技術(shù)對層間溫度進行了研究,發(fā)現(xiàn)了降低層間冷卻溫度可以減少重熔區(qū)奧氏體粗晶的數(shù)量,使組織晶粒變細(xì),增強其抗拉強度。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,為了促進CMT電弧增材制造技術(shù)在航空航天等重要技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,需不斷提高其制件的精度、性能及可靠性。

基于上述原因,筆者對CMT電弧增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行分析,在控形與控性兩個方面,對CMT電弧增材制造技術(shù)進行綜述,為進一步研究CMT電弧增材制造技術(shù)提供參考。

1 CMT概述

冷金屬過渡(CMT)技術(shù)是FRONIUS公司基于短路過渡原理開發(fā)出來的新型焊接技術(shù)[16]。與其他焊接技術(shù)相比,CMT可以通過協(xié)調(diào)送絲控制及實時監(jiān)控,實現(xiàn)焊接過程中的冷熱循環(huán)交替,從而解決焊接過程中產(chǎn)生的飛濺或熔滴穿透母材等問題。

CMT的基本工作原理是:在電弧引燃后,焊絲向熔池移動;當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生短路時,電弧熄火,電流轉(zhuǎn)變?yōu)楹苄〉亩搪冯娏?過程控制系統(tǒng)實時將短路信號反饋給送絲機,送絲機停止送絲,并自動回抽焊絲,促進熔滴在無電流狀態(tài)下過渡[17]。

CMT的基本原理示意圖如圖1所示[18]。

圖1 CMT的基本原理示意圖

CMT的提出受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的極大關(guān)注,近幾年來對其在增材制造方面應(yīng)用的研究越來越多。WILLIAMS S W等人[19]將CMT與機器人焊接系統(tǒng)結(jié)合,制造了長度大于2.5 m的制件,促進了CMT電弧增材制造技術(shù)在大型零件上的應(yīng)用。薛丁琪等人[20]基于優(yōu)化后的CMT電弧增材制造工藝參數(shù),成形出了外觀質(zhì)量良好的薄壁中空環(huán)形工件。相比于其他電弧焊,由于CMT具有電弧穩(wěn)定、熱輸入量超低、熔滴過渡無飛濺等優(yōu)點,更適用于增材制造技術(shù)。CMT電弧增材制造技術(shù)不僅具有生產(chǎn)周期短、成本低、沉積效率高和絲材利用率高等優(yōu)勢,而且具有冷金屬過渡的精確成形和低的熱輸入量優(yōu)勢[21]。

2 WAAM控形與控性研究現(xiàn)狀

電弧增材制造(WAAM)的控形與控性是增材制造過程中的兩個重要考察指標(biāo)。控形需充分考慮制件表面成形質(zhì)量,而控性需充分考慮制件內(nèi)部冶金缺陷以及微觀組織與性能調(diào)控。

針對上述問題,國內(nèi)外研究學(xué)者開展了大量關(guān)于CMT電弧增材制造技術(shù)的控形與控性研究工作。

2.1 表面成形質(zhì)量

表面成形質(zhì)量是衡量增材制造制件質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。為了獲得良好的表面成形質(zhì)量,研究人員通過優(yōu)化工藝參數(shù)、優(yōu)化搭接率以及規(guī)劃路徑,以此來提高制件的表面成形質(zhì)量。

2.1.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

制件的表面成形質(zhì)量在很大程度上受到了工藝參數(shù)的影響,尤其受到送絲速度與焊接速度的影響。AYARKWA K等人[22]通過研究工藝參數(shù)對成形形貌的影響,發(fā)現(xiàn)送絲速度與焊接速度的比值是影響成形形貌的主要因素,提高該比值可以增加熔覆層的高度和寬度。王曉光等人[23]以316 L奧氏體不銹鋼薄壁件為研究對象,分析了工藝參數(shù)對成形寬度以及側(cè)面成形誤差的影響,發(fā)現(xiàn)焊接速度、送絲速度和熱輸入是影響成形精度的關(guān)鍵因素,側(cè)面成形誤差隨著熱輸入的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

除此之外,熔積電流、電弧長度和焊槍行走角也會對制件的成形形貌產(chǎn)生影響。倪加明等人[24]發(fā)現(xiàn)熔積電流過大或者過小都會影響制件表面的粗糙度,當(dāng)熔積電流為105 A時表面粗糙度最小。趙昀等人[25]以單壁墻為研究對象,研究了電弧長度和焊槍行走角對成形形貌的影響,發(fā)現(xiàn)采用-15%的弧長修正值和10°的焊槍行走角可以改善成形質(zhì)量。

2.1.2 搭接率優(yōu)化

利用WAAM制造厚壁零件時,必然需要采用多層、多道結(jié)構(gòu),因此,搭接率的選擇將直接影響零件的表面質(zhì)量[26]98。根據(jù)焊道形貌,控制相鄰焊道之間的焊道間距d,會對零件表面的成形精度起關(guān)鍵作用。

4種常見的搭接情況實物圖如圖2所示。

圖2 4種搭接情況實物圖

為了獲得最優(yōu)搭接率,國內(nèi)外研究者進行了大量的實驗研究。徐健寧[27]基于TIG電弧增材制造試驗,發(fā)現(xiàn)焊道間距為6/9焊道寬度時,零件表面平整度最好。方學(xué)偉等人[28]將單層焊道輪廓分別擬合成拋物線、余弦和圓弧3種標(biāo)準(zhǔn)曲線進行了研究,發(fā)現(xiàn)圓弧曲線和拋物線的擬合效果較好;并基于拋物線建立搭接模型,得到最優(yōu)搭接間距為0.715倍焊道寬度。CAO Yong等人[29]將焊道輪廓擬合成為余弦函數(shù),從而計算出焊道間距為0.636 6焊道寬度時最好。

目前,最優(yōu)搭接率大多是把焊道截面輪廓擬合成曲線來計算的。然而,所有的曲線模型都存在一定的擬合誤差,這種誤差在多層累計之后是不容忽視的問題[26]98。

因此,基于何種曲線模型來計算焊道間距對優(yōu)化搭接率起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。

2.1.3 路徑規(guī)劃

增材制造技術(shù)是一個通過逐點、逐道、逐層加工的制造技術(shù)。因此,國內(nèi)外關(guān)于增材制造技術(shù)規(guī)劃路徑的研究主要集中在分層處理和優(yōu)化路徑兩個方面[30]。

對于加工制件,尤其是曲面制件來說,分層方式和分層算法優(yōu)化對其成形精度有著至關(guān)重要的影響。EZAIR B等人[31]提出了一種曲面覆蓋的分層方式來解決平面分層導(dǎo)致的表面光潔度問題。徐敬華等人[32]提出了一種基于鄰接拓?fù)涞牧餍尉W(wǎng)絡(luò)模型層切多連通域構(gòu)建方法,提高了分層處理時截面輪廓生成的精度。此外,不同的掃描路徑對WAAM的質(zhì)量影響顯著[33,34]。

常見的掃描路徑有平行掃描路徑、環(huán)形掃描路徑和分形掃描路徑等[35,36],如圖3所示[37]。

圖3 常見掃描方式

在此基礎(chǔ)上,為了提高加工零件的表面質(zhì)量和掃描效率,許多研究人員提出了不同的改進方式。劉海華等人[38]提出了將輪廓偏置路徑和Z字形路徑相結(jié)合的復(fù)合路徑規(guī)劃方法,試驗結(jié)果表明,該方法提高了制件輪廓的幾何還原度,并且提高了制件的成形質(zhì)量。孫清潔等人[39]采用CMT電弧增材制造技術(shù),研究了不同掃描路徑對薄板焊后變形程度的影響,發(fā)現(xiàn)由邊緣向截面內(nèi)部延伸結(jié)合交替形式的掃描方式可以獲得成形良好的加工制件。

由此可見,規(guī)劃路徑對提高制件的表面成形質(zhì)量有著極大的幫助。

2.2 內(nèi)部冶金缺陷

氣孔是影響制件質(zhì)量的主要內(nèi)部冶金缺陷之一,其大大降低了制件的疲勞性能和強度[40]。由于具有較高的熱輸入量,采用傳統(tǒng)的電弧增材制造技術(shù)極易造成熔滴飛濺,導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。而因具有穩(wěn)定的電弧和超低的熱輸入量,CMT電弧增材制造技術(shù)避免了熔滴飛濺問題,降低了氣孔率。但是,CMT電弧增材制造技術(shù)仍然很難做到完全消除氣孔。

因此,為進一步改善制件的質(zhì)量,研究者做了大量的實驗。目前,控制內(nèi)部冶金缺陷的方法主要包括合理的參數(shù)優(yōu)化和過程監(jiān)控與過程質(zhì)量檢測。

2.2.1 合理的參數(shù)優(yōu)化

在電弧增材制造過程中,通過優(yōu)化工藝參數(shù)以改善加工過程中的傳熱與傳質(zhì)效果,可以有效控制制件內(nèi)部缺陷的形成[41]。閆保山[42]研究了不同工藝參數(shù)對氣孔的影響規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)了適當(dāng)降低送絲速度和提高焊接速度可以減少宏觀氣孔的產(chǎn)生。從保強等人[43,44]分析了不同純氬保護氣體流量對鋁合金WAAM氣孔的影響,研究發(fā)現(xiàn)了提高純氬保護氣體流量有助于減少氣孔;此外,其還發(fā)現(xiàn)了相對于常規(guī)CMT工藝方法,變極性復(fù)合脈沖CMT(CMT pulse advanced,CMT-PADV)工藝可以減少甚至消除氣孔。

因此,合理的優(yōu)化工藝參數(shù)有助于進一步抑制制件內(nèi)部缺陷的形成,從而獲得性能良好的制件。

2.2.2 過程監(jiān)控和過程質(zhì)量檢測

鑒于增材制造技術(shù)的特點,對制件內(nèi)部質(zhì)量進行后續(xù)工序檢測,需采用破壞性檢測方式。因此,建立可靠的過程監(jiān)控和過程質(zhì)量檢測相當(dāng)重要。良好的實時監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷并進行補救,可以大幅度提高制件的成形質(zhì)量。例如,袁久鑫等人[45]開展了激光超聲對WAAM試塊內(nèi)部缺陷檢測的研究,研究結(jié)果表明:對于直徑1 mm的孔缺陷直徑,檢測深度可以達(dá)到10 mm,并且當(dāng)缺陷尺寸減小時,需降低檢測深度。劉磊[46]利用永磁擾動檢測方法,成功檢測到了直徑為0.8 mm的內(nèi)部氣孔缺陷、寬度為0.3 mm的裂紋,以及深度為3 mm、直徑為1 mm的內(nèi)部缺陷。

隨著過程監(jiān)控和過程質(zhì)量檢測的不斷提高,可做到及時發(fā)現(xiàn)并解決制件的內(nèi)部缺陷,這無疑對控制內(nèi)部冶金缺陷起到了積極的作用。

2.3 微觀組織與性能調(diào)控

與其他工藝的電弧增材制造技術(shù)相比,CMT電弧增材制造技術(shù)制備的制件組織晶粒細(xì)小、均勻,力學(xué)性能優(yōu)異[47]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對進一步提高CMT電弧增材制造技術(shù)組織性能等方面展開了大量的研究,采用的主要方法有:優(yōu)化工藝參數(shù)、工藝改進、采用外部輔助手段實現(xiàn)晶粒細(xì)化及均勻化組織等[12]11。

2.3.1 工藝參數(shù)優(yōu)化與工藝改進

不同的送絲速度與焊接速度將影響打印件的微觀組織結(jié)構(gòu),進而影響制件的力學(xué)性能。研究者著手于優(yōu)化工藝參數(shù),以改善制件的微觀組織結(jié)構(gòu),提高其力學(xué)性能。

王立偉等人[48]研究了不同的工藝參數(shù)對鋁合金CMT電弧增材制造微觀組織和力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)晶粒隨著送絲速度的增大而增大,隨著增材速度的增大而減小,并得出較優(yōu)的工藝參數(shù):增材速度為50 cm·min-1,送絲速度為4 m·min-1。WANG Jian等人[49]發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化送絲速度來改變沉積層的溫度梯度,可以抑制柱狀晶的生長,獲得各向異性較低的制件。

另外,電弧特性對增材制造制件的組織和性能也有影響。姚云飛等人[50]采用CMT,CMT-ADV(交流),CMT-P(脈沖),CMT-PADV(交流脈沖)4種電弧形式分別對2219鋁合金進行增材制造研究,發(fā)現(xiàn)CMT-PADV電弧形式下打印的制件晶粒更加均勻、細(xì)密,其力學(xué)性能明顯高于其他3種電弧形式。王會霞等人[51]研究發(fā)現(xiàn),CMT-VP電弧擁有較低的熱輸入量,使得打印試件的晶粒尺寸較小,組織分布均勻,力學(xué)性能良好。

由此可見,適當(dāng)增加送絲速度、減小焊接速度以及改進電弧特性可以使增材制造制件的晶粒更加細(xì)密、均勻,力學(xué)性能更加優(yōu)異。

在劇本《雷雨》中，這樣的“動作性”語言比比皆是。教師在設(shè)計中完全可以突出“動作性語言”這一最重要的元素，不僅要讓學(xué)生體會到人物語言“言為心聲”的作用，還要讓學(xué)生看到你來我往的語言其實也是一種動力，不斷把戲劇沖突推向高潮。所以，對這篇文章的同課異構(gòu)的方法之一就是以戲劇語言作為切入點，講好戲劇沖突和人物性格。

2.3.2 外部輔助手段

除了優(yōu)化工藝參數(shù)、工藝改進,通過外部輔助手段也可實現(xiàn)微觀組織與性能調(diào)控,其主要方法包括:熱處理、元素合金化、超聲沖擊處理和軋制等。

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明:熱輸入量會影響增材制造制件的微觀組織,對增材制造制件進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?可以細(xì)化晶粒,優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)[52]。針對合金元素中異質(zhì)形核點較少,難以形成等軸晶的鈦合金等問題,可以通過添加微量元素來調(diào)控制件的微觀組織。GOU Jian等人[53]通過在Ti-6Al-4V增材制造過程中添加微量元素Nb,阻止了定向柱狀晶的外延生長,細(xì)化了柱狀晶晶粒,獲得了柱狀晶與近等軸晶相混合的組織結(jié)構(gòu)。

超聲沖擊利用振動波來加強金屬的流動性,從而實現(xiàn)細(xì)化晶粒,許明方等人[54]利用超聲沖擊來處理鈦合金CMT電弧增材制造制件,研究結(jié)果表明:超聲沖擊可以使粗大的柱狀晶破碎,使其在后續(xù)的沉積層熱作用下形成細(xì)密的等軸晶。

除此之外,也有一些學(xué)者通過軋制的方式來處理制件[55,56],因為金屬材料在經(jīng)過壓力加工之后,表現(xiàn)出了良好的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

3 結(jié)束語

CMT技術(shù)自FRONIUS公司提出以來,已被廣泛應(yīng)用于增材制造方面的研究,目前CMT電弧增材制造的研究主要集中在控形與控性兩個方面。

針對制件內(nèi)部冶金缺陷問題,筆者提出了通過合理的參數(shù)優(yōu)化和過程監(jiān)控與過程質(zhì)量檢測來進行控制;并提出通過優(yōu)化工藝參數(shù)與工藝改進,采用外部輔助手段,以此來實現(xiàn)對其微觀組織與性能的調(diào)控。

在CMT電弧增材制造控形與控性的研究方面,目前國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的進步,但這些調(diào)控手段仍然存在各自的局限性,需要進一步對其進行優(yōu)化。

為實現(xiàn)CMT電弧增材制造技術(shù)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,未來的CMT電弧增材制造技術(shù)的研究方向可以從以下幾個角度進行考慮:

(1)“形”與“性”協(xié)同控制與優(yōu)化。目前針對CMT電弧增材制造技術(shù)的控形與控性研究大都分開進行,很少將表面成形質(zhì)量、內(nèi)部冶金缺陷以及微觀組織與性能等關(guān)聯(lián)起來。因此,實現(xiàn)“形”與“性”協(xié)同控制將是未來發(fā)展趨勢之一;

(2)CMT電弧增材制造難焊材料以及復(fù)合材料。當(dāng)前應(yīng)用的加工材料主要集中在易成形金屬及其合金方面,很少有研究難焊材料以及復(fù)合材料。為擴大CMT電弧增材制造應(yīng)用領(lǐng)域,研究難焊材料與復(fù)合材料將是未來發(fā)展的重要趨勢;

(3)調(diào)控方式的理論機制規(guī)律。目前提出的調(diào)控方式已經(jīng)取得了很大的進步,但是對于調(diào)控方式的理論機制規(guī)律尚不成熟,無法實現(xiàn)其工程化應(yīng)用。因此,對于調(diào)控方式的理論機制規(guī)律,還有待做進一步的深入研究。