焊枪倾角对AZ31镁合金电弧增材制造组织与性能影响研究.pdf

2023年 第9期 热加工9增材制造专题Additive Manufacturing Topic焊枪倾角对AZ31镁合金电弧增材制造组织与性能影响研究蒋笑1，2，杨健楠2，方学伟21.上海航天设备制造总厂有限公司 上海 2002452.西安交通大学 陕西西安 710054摘要：针对镁合金电弧熔丝增材制造过程中存在的层间氧化及内部孔隙大的问题，开展改变焊枪倾斜角度的优化试验，研究不同倾角对单道多层样件氧化、内部孔隙率以及组织性能的调控作用和影响规律。研究发现，采取倾角沉积的样品，内部孔隙数量可以降到无倾角沉积的1/101/8，力学性能有提高的趋势。试验表明：焊枪倾角为7 时，成形件的形貌及综合力学性能更好。关键词：增材制造；冷金属过渡；AZ31镁合金；焊枪倾角；缺陷抑制基金项目：国家自然科学基金资助项目（52205414）。第一作者：蒋笑，硕士研究生，研究方向为电弧增材制造工艺，E-mail：。通信作者：方学伟，副教授，研究方向为金属增材制造，发表论文40余篇，E-mail：。1 序言电弧熔丝增材制造技术（Wire+Arc Additive Manufacturing，WAAM）由传统焊接技术发展而来，以电弧为热源，通过熔化金属丝进行逐层累积而生成金属构件的技术1。在铝合金、钛合金和镁合金等需求旺盛的航天航空及汽车等重要领域，其快速制造的一体化、高性能产品得到广泛的试验性应用。冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）工艺2是WAAM中的一种具备回抽特性的增材制造技术，具有低热输入、飞溅少、成形过程稳定，以及成形质量高等优点，该技术对镁合金等热输入敏感的金属在连续沉积和板材焊接连接中具有广阔的应用前景。在镁合金等轻质金属的电弧熔丝增材制造技术研究中，成形件表面波纹度大、孔隙率高和易氧化等缺陷是亟待解决的问题。MARTINA等3对等离子熔丝成形TC4钛合金采用跟随式装置，对新沉积层进行局部气体保护。HOYE等4进行了GTAW增材制造过程，改进现有的气体保护装置，进行局部保护罩的研发，实现熔滴的稳定性，并有效避免了样品的氧化。赵昀等5研究采用CMT技术沉积铝合金时，焊枪行走角对沉积过程及最终成形形貌的影响，当焊枪行走角达到10时，能够明显改善薄壁墙上表面和侧壁成形精度。SU等6研究了在不同的焊枪角度下，CMT沉积铝合金时会产生不同的缺陷，焊枪在向远离沉积方向垂直位置倾斜010时，沉积形貌良好，孔隙率等缺陷较少。徐梓惠等7通过Canny算子提取熔池边缘轮廓进行分析，得到GMAW沉积中，焊枪后倾焊接比前倾焊接稳定性更好。惰性气体保护法通过添加外置保护装置，通入惰性气体来排除装置内的氧气，从而防止增材样品发生氧化的问题。此外，不断流入的保护气在一定程度上可以降低环境温度和样件表面温度，从而提高沉积速率。但其缺点在于保护装置的大小需要根据成形样件尺寸定制，成本高且不具备通用性。相对而言，改变焊枪行走角度的方法不受样品尺寸的限制，并能够起到改善成形质量的效果，更适合生产工程应用。目前，关于镁合金增材制造的成形质量优化仍2023年 第9期 热加工10增材制造专题Additive Manufacturing Topic集中在焊接参数优化。因此，本文采用CMT电弧熔丝增材制造技术，针对镁合金增材应用中存在的成形差、氧化、气孔等问题进行研究。通过倾斜焊枪增大对镁合金熔积过程的局部保护范围，减少氧化程度，并研究不同焊枪倾斜角度对样件孔隙、力学性能的影响规律。2 试验材料和方法本文采用AZ31镁合金焊丝作为沉积材料，直径1.2mm，选用轧制态AZ31B镁合金作为基板，尺寸为400mm400mm10mm，丝材与基板化学成分见表1。焊接方法为冷金属过渡（CMT）增材制造。在进行沉积试验前，事先将镁合金基板表面打磨光亮，用无水酒精擦拭后烘干，去除表面油污，以防杂质影响沉积件性能。表1镁合金焊丝和基板化学成分（质量分数）（%）牌号AlZnMnNiFeSiMgAZ313.120.840.20.0010.0020.01Bal.AZ31B3.190.810.340.0010.0050.02Bal.对成形件取样进行孔隙率、微观组织、力学性能和耐腐蚀性能分析。采用X射线计算机断层扫描（XCT）对样品进行孔隙度检测，空间分辨率为20m，样品尺寸为10mm10mm。制备金相试样用金相显微镜OM、配备能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）和配备Oxford EBSD系统和Channel 5软件的钨灯丝扫描电镜进行组织观察分析。采用机电通用试验机（Instron-5982，美国）在室温下开展试样拉伸试验，并用扫描电镜观察了拉伸试样的断口形貌。3 试验设计镁合金增材制造过程中的气孔主要来源于溶解的氢气，而熔池中的氢气主要来自母材、焊丝或弧柱气氛周围的水分8。镁合金导热性很强，熔池凝固的速度很快，造成氢来不及逸出而形成气孔。同时，镁合金表面易生成MgO薄膜，Mg含量越多，导致MgO也越多，而MgO相对Al2O3等氧化物较疏松，更易吸附水分而形成气孔。焊枪倾角对保护气体和电弧形貌的影响如图1所示。一方面，当焊枪倾角改变，保护气体覆盖在新沉积表面的面积也随之变化。假定喷嘴垂直时，在离喷嘴高度为H的地方，保护气体面积为S，则当喷嘴倾角为、高度仍为H时，其保护气体覆盖面积：SS/cos。即保护气体覆盖面积随角的增大而增大，因此适当增加焊枪倾角可改善气体的保护情况9。但倾角选取太大，保护气体流态会发生变化，下方为层流、上方为紊流，易搅入空气，使保护气体变得稀疏，从而导致保护效果变差。另一方面，由于焊枪倾斜之后，电弧范围变大，对熔池的热影响时间延长，使形成内部孔隙的氢气有时间溢出熔池，从而可减少熔池内部孔隙，对单道多层的内部缺陷有一定的抑制作用。图1焊枪倾角影响示意因此，为了分析不同焊枪倾角对镁合金的保护作用及实际效果，设计三组不同倾角试验，具体成形参数见表2。按表2中参数打印单道多层成形件进行组织性能分析。表2不同倾角成形参数序号对比件123焊枪倾角/（）071727送丝速度/（m/min）5.5行进速度/（m/min）0.4弧长修正（%）30干伸长/mm154 结果分析与讨论（1）宏观形貌 图2所示为不同倾角成形件形貌及单道表面氧化情况。从图2可看出，3组倾角单道多层成形效果均良好，但3组倾角单道表面氧化与无倾角相比有较大区别。无倾角单道表面附着一层灰白氧化物，无光泽；有倾角单道表面无灰白色附着物，表面较为光亮，有金属光泽。从表面外观可知，在一定角度范围内，焊枪倾斜沉积镁合金，倾a2023年 第9期 热加工11增材制造专题Additive Manufacturing Topic角越大，单道表面越光滑光亮，试验表明，焊枪倾角能对沉积过程起到保护作用。采用工业CT扫描测量成形件内孔隙大小及分布情况。图3、图4所示分别为不同倾角试样的CT三维扫描模型和孔隙体积与数量统计，并与无倾角数据进行对比。从图中可以看出，与无倾角样品相比，焊枪倾斜成形的样品内部孔隙大小和数量显著减少，其中7 倾角下的样品孔隙缺陷最少。试验结果表明，通过调控合适的倾角，可以达到保护熔池的效果，为熔池中氢气的逸出提供更加合适的温度和时间，有利于抑制孔隙缺陷的形成。（2）微观组织 图5所示为3个试样进行金相SEM测定元素成分，元素标定结果见表3。经测量，3组成形样件的wO依次为3.4%、2.01%、1.25%。由此可推断，改变焊枪倾角可提高对焊道的保护作用，减少氧化。图6所示为焊枪倾角分别为7、17 和27 样品的EBSD晶粒分布。3个试样的YOZ平面如图6a、c、e所示。根据晶粒尺寸的统计分析，倾角7、17 和27 样品的平均晶粒直径分别为24.3m、22.8m和20.0m，晶粒直径变化不大，但是呈现晶粒减小的趋势。由图6b、d、f可看出，在试验数据范围内，a）焊枪倾角7 b）焊枪倾角17c）焊枪倾角27图3不同倾角CT扫描三维图 a）焊枪倾角7 b）焊枪倾角17 c）焊枪倾角27 d）表面氧化情况图2不同焊枪倾角的单道多层宏观形貌及保护效果 a）焊枪倾角7 b）焊枪倾角17图4不同倾角单道多层内部孔隙对比c）焊枪倾角27图5不同倾角的SEM图像2023年 第9期 热加工12增材制造专题Additive Manufacturing Topic倾斜角度越大，大晶粒占比逐渐减少，小尺寸晶粒占比逐渐增多。从分析可知，由于焊枪倾斜后，气体的保护范围增大，保护气体的流动和电弧中电子的运动范围变大，在一定程度上增加了熔池的搅动作用，因此使大晶粒的数量减少，但由于堆积速度时间较短，所以搅动效果有限，晶粒细化不明显，总体上对晶粒的平均直径无显著作用。图7所示为根据焊枪倾角分别为7、17 和27样品EBSD数据导出的KAM分布图。蓝色区域对应的是无应变再结晶晶粒，亮绿色区域则是高位错密度的亚组织或变形晶粒。由图7ac可看出，焊枪倾角的增加使镁合金内部组织产生了少量的位错，17 倾角样品的位错分布较多。对比不同倾角样品的局部取向角分布如图7d所示。从图7d可看出，焊枪倾斜样品的局部取向角大部分2，且晶粒取向角的峰值为0.5 左右，样品局部取向角分布曲线随着倾角的增大而向右侧移动，这表明随着倾角的增大，晶粒的变形量增a）焊枪倾角7时晶粒图像 b）焊枪倾角7时晶粒大小分布e）焊枪倾角27时晶粒图像 f）焊枪倾角27时晶粒大小分布图6不同倾角EBSD图像及晶粒大小分布c）焊枪倾角17时晶粒图像 d）焊枪倾角17时晶粒大小分布表3SEM元素标定量（质量分数）分布结果（%）元素焊枪倾角/（）71727C13.217.1212.87O3.42.011.25Mg80.977.8380.72Al1.82.073.31Mn0.000.350.95Zn0.70.610.91总量100100100b）焊枪倾角17d）不同倾角取向角分布图7不同倾角KAM位错图及取向角分布a）焊枪倾角7c）焊枪倾角272023年 第9期 热加工13增材制造专题Additive Manufacturing Topic加，取向角增大。其中，倾角17 的大角度晶粒占比最多。不同倾角极图织构分布如图8所示。由图8可看出，不同倾角的镁合金样品中0001基面织构较为明显，倾角7、17 和27 样品的最大均匀分布倍数（MUD）值分别为3.95、3.90和2.70（晶体择优取向强度的测量值），织构纹理逐渐减弱。由于接近随机织构和三维等轴晶粒，因此不同倾角的WAAM镁合金样品力学性能的各向异性不明显，呈现各向同性。（104.77）MPa。经以上分析可知，无倾角样件在受到外力拉伸时，孔隙处比较薄弱，容易诱发断裂，导致力学性能较差。随着焊枪倾角的增加，样件内部的气孔明显减少，断裂不易发生，力学性能有所提高。通过对断口进行SEM观察（见图10）发现倾角27 与无倾角相比，孔隙明显减少，与力学性能测试结果相符。a）焊枪倾角7 a）无倾角取样位置 b）焊枪倾角27取样位置 c）焊枪倾角27图8不同倾角极图织构分布b）焊枪倾角17 c）无倾角断口SEM d）焊枪倾角27断口SEM 图10不同倾角拉伸断口分析图9不同倾角的力学性能（3）力学性能 图9所示为不同倾角的力学性能对比。从图9可看出，随着倾角的增加，抗拉强度有上升趋势，伸长率逐渐减小。无倾角的单道多层抗拉强度为（239.83）MPa，屈服强度为（102.61）MPa；当倾角7时，抗拉强度为（246.12）MPa，屈服强度为（93.93）MPa；当倾角17时，抗拉强度为（254.95）MPa，屈服强度为（101.01）MPa；当倾角27时，抗拉强度为（262.97）MPa，屈服强度为5 结束语本文通过改变镁合金电弧熔丝增材制造工艺中的焊枪倾角，分析成形件的宏观形貌、微观组织及拉伸性能，得到如下结论。1）在一定范围内增大焊枪倾角，可以在沉积过程中起到保护作用。能够有效抑制组织孔隙的产生。内部孔隙数量可以降到无倾角沉积的1/101/8，力学性能有提高的趋势。2）焊枪倾角为7 时，倾角保护效果更好，成（下转第19页）2023年 第9期 热加工19增材制造专题Additive Manufacturing Topic19 郭亚轩，胡洋，步贤政，等5B06铝合金电弧增材制造工艺参数对成形质量的影响J焊接技术，2018，47（1）：25-2820 马倩，马树元，刘长猛，等典型TC4框类结构TIG电弧增材制造工艺研究J热加工工艺，2018，47（1）：189-19421 李青壮基于CMT的Inconel 718镍基合金电弧增材制造工艺研究D石家庄：石家庄铁道大学，202222 范剑超，霍玉双，樊海卫工艺参数对电弧增材制造成形质量的影响J山东建筑大学学报，2022，37（5）：105-11123 牛其华基于体素的电弧增材制造曲面分层及路径规划方法研究D武汉：华中科技大学，201924 金宇鹏机器人增材制造曲面分层与中轴路径规划算法研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，201925 李冉电弧增材制造分层算法与路径规划方法研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，201826 SIRASKAR N，PAUL R，ANAND SAdaptive slicing in additive manufacturing process using a modified boundary octree data structureJJournal of Manufacturing Science&Engineering，2015，137（1）：01100727 RIBEIRO F3D printing with metalsJComputing and Control Engineering Journal，1998，9（1）：31-3828 朱晓鹏激光熔覆再制造过程中的分层切片方法D上海：上海交通大学，201329 WANG S，WANG Y，CHEN C S，et alAn adaptive slicing algorithm and data format for functionally graded material objectsJInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，65（1）：251-25830 杨光，刘伟军，王维，等STL格式文件拓扑重建及快速切片算法研究J现代制造工程，2009（10）：32-3531 刘海华，高文强，赵淘，等基于电弧熔丝增材制造的复合路径规划方法J材料科学与工艺，2022，30（1）：53-6020230809形件的形貌更好，力学性能更高，抗拉强度和伸长率明显高于锻件水平，但是其屈服强度与锻件还存在一定差距。因此，若要满足航空航天服役条件，后续还需要进一步进行强化研究。本文为镁合金电弧熔丝增材过程中的缺陷抑制和性能调控提供了一定的工艺参考和研究思路。参考文献：1 卢秉恒，李涤尘增材制造（3D沉积）技术发展J机械制造与自动化，2013（4）：1-4.2 姜鹏举5356铝合金电弧增材制造成形控制及性能研究D秦皇岛：燕山大学，2019.3 MARTINA F，MEHNEN J，WILLIAMS S W，et alInvestigation of the benefits of plasma deposition for the additive layer manufacture of Ti-6Al-4VJJournal of Materials Processing Technology，2012，212（6）：1377-1386.4 HOYE NCharacterisation of Ti-6Al-4V deposits produced by arc-wire based additive manufactureJ2015.https:/ro.uow.edu.au/theses/4322.5 赵昀，卢振洋，陈树君，等薄壁结构冷金属过渡增材制造工艺优化J西安交通大学学报，2019，53（8）：82-89.6 SU C，CHEN XEffect of depositing torch angle on the first layer of wire arc additive manufacture using cold metal transfer（CMT）JIndustrial Robot，2019，46（2）：259-266.7 徐梓惠，姚屏，梁道赞，等基于机器人焊枪倾角变化的熔池图像分析J自动化与信息工程，2020，41（4）：6-12.8 张登魁，陈子昂，朱冬妹，等镁合金焊接缺陷的产生及防止J金属加工（热加工），2020，（4）：41-44.9 包晔峰，熊家林，王松祥工艺因素对铝合金焊缝扩散氢的影响J机车车辆工艺，1996（4）：17-20，36.20230818（上接第13页）