絲材感應預熱對電弧增材制造鋁合金薄壁構件組織和性能的影響

周海武， 李 澤， 閆 帥， 任杰亮， 張毅川， 李志勇

中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051

0 引言

鋁及鋁合金具有產量高、易于加工、輕量、導電能力強、成本低廉等諸多優點，被廣泛應用于航空領域。但是鋁的硬度低、耐磨性差嚴重限制了其進一步發展。增材制造技術（俗稱3D打?。┚C合了數字建模、機械加工等方面的先進技術，通過計算機程序控制將絲材或粉末逐層堆積制成任意形狀的零件，相較于傳統機械加工具有加工周期短、工序簡捷、自由度高、節省材料等優點［1］。增材制造以熱源類型可分為激光增材制造、電弧增材制造、電子束增材制造等。對于鋁合金的增材制造，激光熱源因鋁合金表面反射率高導致熱能利用率低，而電子束熱源對環境要求較高，因此電弧是鋁合金增材制造較為理想的熱源。電弧增材制造技術［2-3］源于傳統電弧焊技術，有一定的技術基礎，應用成本較低，具有節省材料、熔池尺寸小、移動速度快、形狀限制少、非均勻形核位置多等優點。電弧增材制造按照工藝種類［4-5］又可分為熔化極惰性氣體保護焊（MIG）增材制造、非熔化極惰性氣體保護焊（TIG）增材制造、冷金屬過渡（CMT）增材制造、等離子弧焊（PAW）增材制造、復合電弧增材制造等。國內外目前關于電弧增材制造方面的研究已有很大進展。劉望蘭［6］研究了5356鋁合金TIG-WAAM過程中各個工藝參數對成形形貌和微觀組織的影響，得出增材制造過程中同層焊道間隔時間2 min、層間焊道間隔時間10 min或者逐層遞增（6 min、10 min、14 min）的試件微觀組織較為均勻，為大量β 相（Mg5Al8）和少量雜質相（FeMnAl6）彌散分布在α固溶基體上。

但TIG 電弧增材制造鋁合金也存在一些缺點。電弧的能量密度高，鋁合金本身熱導性強，熔池凝固速率快，導致這一過程中會形成大量的氣孔缺陷，而氣孔會使得應力集中，導致裂紋的形成與擴展，降低力學性能。聶文忠［7］等總結了電弧增材制造鋁合金零件中氣孔的形成機理、工藝參數對氣孔率的影響、降低電弧增材制造鋁合金零件氣孔率的措施。在現有研究中，絲材預熱是顯著降低熔絲式增材制造鋁合金氣孔率的方法。絲材預熱按加熱方式的不同分為電流預熱、感應預熱等，電流預熱絲材是將絲材與電源正極相連，基板與負極相連，在絲材不能被電弧完全熔化時絲材伸進熔池，與基板接通形成電流，利用產生的電阻熱加熱絲材，輔助電弧熔化絲材［4］。Hori［8］等討論了熱絲TIG 焊中使用脈沖電流的優化效果，詳細描述了熱絲TIG 焊中的問題及原因，提出了解決相關問題的構想。感應預熱絲材［9］則是在送絲機構上加裝高頻感應線圈，使絲材先通過線圈感應加熱提高溫度，再伸入電弧下方被熔化，然后沉積成形。范成磊等［10］運用實心線圈法算出感應系數，設計制作了感應加熱線圈，通過實驗測得了不同參數下焊絲溫度的變化。

本文選用鎢極惰性氣體保護焊（TIG）電弧增材制造技術，采用ER4043焊絲制造鋁合金薄壁構件，并在TIG 增材制造基礎上增加了焊絲感應預熱工藝，研究絲材感應預熱對于鋁合金電弧增材制造的優化作用。

1 試驗及方法

1.1 試驗設備及材料

試驗使用自主搭建的TIG 電弧增材制造系統，該系統以OTC500P 型TIG 焊機為熱源，采用PML送絲機和SPG-10 型高頻感應加熱機，由IRB 工業機器人負載TIG 焊槍、高頻感應加熱頭和送絲嘴。TIG 電弧增材制造系統結構如圖1所示。焊絲由PML送絲機所連的送絲嘴送出，穿過高頻感應加熱頭的線圈部分，最終到達TIG焊槍正下方，被電弧熔化后在基板上凝固成形。

圖1 TIG增材制造系統Fig.1 TIG Additive Manufacturing system

采用ER4043鋁硅焊絲，直徑1.2 mm，化學成分如表1所示?；鍨?050 純鋁板，尺寸為15 mm×5 mm×3 mm，化學成分如表2所示。

表1 ER4043焊絲化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of ER4043 welding wire （wt.%）

表2 1050純鋁板化學成分（質量分數，%）Table 2 Chemical compositions of the 1050 pure aluminum plate（wt.%）

1.2 工藝參數及結果

試驗選擇的電流方式為交流脈沖電流，脈沖頻率為2 Hz，保護氣體流量為15 L/min，送絲方式為前送絲，分別在冷絲和熱絲兩種工藝下增材制造薄壁構件。在進行增材制造之前，先進行單道試驗得到的工藝參數如表3、表4所示。在電流相同的情況下，當預熱溫度較低時，由于總體熱輸入偏小，絲材熔化速度不均勻，導致焊道成形過程不穩定，形成高度與厚度方向上的較大起伏；當預熱溫度較高時，總體熱輸入大于勻速熔化絲材需要的熱輸入，絲材熔化過快，焊道前后寬度差大，在末端塌陷現象嚴重；當預熱溫度與其他參數匹配，即冷絲工藝基值電流60 A、峰值電流100 A、送絲速度2.2 m/min，熱絲工藝基值電流60 A、峰值電流80 A、送絲速度2.2 m/min、感應預熱溫度220 ℃時，成形過程穩定，絲材熔化速率基本保持不變，焊道的連續性較好，成形尺寸均勻，焊道整體成形高度和寬度基本一致，表面形貌比較均勻，沒有明顯塌陷，分別用這兩種參數增材制造薄壁構件，結果如圖2所示。

表3 冷絲工藝單道試驗參數Table 3 Single-wire test parameters of cold wire process

表4 熱絲工藝單道試驗參數Table 4 Single-wire test parameters of thermal wire process

圖2 增材制造薄壁構件Fig.2 Additive manufacturing of thin-walled components

在制成薄壁構件后，對構件進行金相磨拋處理，再用HNO3∶HF∶H2O=1∶1∶10 的試劑腐蝕7 s，然后用光學顯微鏡觀察其微觀組織。

2 結果與討論

2.1 宏觀形貌

對兩種工藝制造的薄壁構件截面進行觀察，如圖3所示。測量兩個構件的尺寸，得到結果如表5所示，由于熱輸入較小，熱絲工藝下平均層高大于冷絲工藝，而平均厚度相差不大，使用熱絲工藝堆積10層后的高度與冷絲工藝下堆積11層的高度相同，熱絲工藝的平均堆積效率高于冷絲工藝，約為冷絲工藝的111%。由圖3可以看出，熱絲工藝制造的薄壁構件的整齊程度要強于冷絲工藝，而且兩種構件層與層之間都有明亮的條紋區，采用光學顯微鏡觀察條紋區，金相組織如圖4所示。由圖4 可以看出，條紋區域的晶粒為細長的柱狀晶，沿堆積方向生長，垂直穿過條紋區。分析認為這是增材制造過程中的熔合區，前一層凝固成形后，在堆積下一層的過程中，前一層的頂部再次被電弧熔化然后凝固成形，使構件具有明顯的層狀分布。

表5 構件尺寸Table 5 Member dimensions

圖3 構件截面Fig.3 Section of members

圖4 明亮條紋區金相組織Fig.4 Metallographic organization of the bright stripe zone

2.2 缺陷分析

如圖3所示，分別在構件截面取均勻分布的9個點，在100倍光鏡下觀察，結果如圖5所示。由圖5 可以看出，制成的構件中存在裂紋與氣孔缺陷。裂紋的形成一方面是由于鋁合金熱膨脹系數大，在凝固收縮過程中體積變化較為明顯，容易在柱狀晶薄弱晶界處形成裂紋。另一方面是隨著晶界處形成的鋁硅共晶相濃度增加，裂紋敏感度就增加，極易產生凝固裂紋。電弧增材制造鋁合金過程中氣孔的形成機理有兩種，一種是氫原子在鋁合金固相中的溶解度遠小于在鋁合金液相中的溶解度［12］，當絲材與基板在電弧下加熱熔化成為液相后開始沉積凝固時液相中氫原子含量大幅度增加，當含量超出最大溶解度時，就形成了氫分子氣泡。由于鋁合金的散熱能力強，液相凝固的速度比較快，來不及逸出的氫分子氣泡就在固相中形成氣孔。另一種形成機理是鋁合金的固相與液相的密度不同［13］，在液相沉積凝固的過程中凝固收縮和枝晶臂供液不足的現象導致固相與液相之間體積出現差異，而固相與液相的熱收縮系數不同，固相的收縮速率更高，液相在凝固過程中凝固速率有增大的趨勢，此時拉應力大于液相與固相界面的表面張力，液相與固相之間就會有空隙，再加上枝晶數量的不斷增加和小范圍的凝固阻礙了液相的流動，從而形成了收縮性氣孔［12］。從圖5中可以觀察到增加感應預熱焊絲工藝后氣孔缺陷數量明顯減少，主要原因是熱輸入相較于冷絲工藝下有所減小。氫原子在鋁合金中的溶解度是與溫度正相關的，熱輸入越大，氫原子被吸收的量就越多，進而導致氫氣孔越多。較小的熱輸入可以使晶粒尺寸減小，還能促進枝晶形成，從而減少氣孔的形成。

圖5 截面取點金相組織Fig.5 Metallographic structure of the cross-section

2.3 顯微組織分析

分別用光學顯微鏡、掃描電鏡、XRD 分析儀對構件進行微觀組織觀察。圖6為200倍光學顯微鏡下兩種工藝制成的構件基體端、熔覆層的組織?？梢钥闯?，在基體與第一層堆積的界面以及堆積層與堆積層之間均有區別明顯的分層區域，即熔合區，熔合區的晶粒相較于熔覆層更加細小，分析認為是由于熔合區的相對冷卻速度更快，過冷度大，因此形成的晶粒更為細小。同理，增加了熱絲工藝的增材制造過程調小了電流，相比于冷絲工藝減小了熱輸入，增加了過冷度，使得熱絲工藝制造出的構件的晶粒尺寸更細小。

用掃描電鏡觀察熔覆層的顯微組織，并分別對兩個構件的截面做XRD分析，如圖7所示。并對點1 和點2 兩個位置做EDS 點掃描，結果如表6所示。從表6可以得到晶粒的主要成分為α-Al固溶體，晶界之間為Al-Si 共晶，結合XRD 分析的結果可知晶間化合物為Al9Si。ER4043焊絲中Si元素的含量為5%，而晶粒之間Si 的含量遠高于這一數值，這是由于凝固階段Si 元素擴散速度慢，晶粒先凝固成形，然后晶界形成，來不及擴散的Si 元素就留在晶界中，產生晶間偏析。

表6 EDS分析結果（原子百分比，%）Table 6 Results of the EDSanalysis（at.%）

圖7 熱絲構件SEM與XRD分析結果Fig.7 SEM of hot-wire process components and the XRD analysis results

2.4 硬度測試

分別取構件的基體端～第2 層、4～6 層、9～11 層三個部位，以200 μm為間隔，平行距離1 mm對構件截面進行3次硬度測試，取平均值，測得的結果如圖8所示?？梢钥闯?，熱絲工藝構件與冷絲工藝構件在基體端硬度大致相同，隨著沉積層數的增加，熱絲工藝構件的硬度逐漸明顯大于冷絲工藝構件，增加25%～35%。分析認為，堆積的層數越多，熱量積累越多，過冷度越大，獲得的晶粒更加細小，硬度就逐漸增加。熱絲工藝下熱輸入更小，有利于晶粒細化，較小的晶粒排列更為整齊，分布均勻，增加了構件的硬度。測試得到的硬度存在誤差，范圍在0～2.5 HV，產生誤差的原因一方面是測試過程中儀器與操作所致，另一方面是組織分布不夠均勻。

圖8 硬度測試結果Fig.8 Hardness test results

3 結論

（1）焊絲感應預熱工藝能有效提高增材制造鋁合金的成形質量，獲得的構件成形更加均勻，平均堆積效率相較于冷絲工藝增加了11.1%。

（2）電弧增材制造出的4043鋁合金具有明顯的層狀特征，熔合區宏觀表現為明亮條紋。條紋區的金相組織以排列整齊的柱狀晶為主。

（3）增加焊絲感應預熱工藝后制造出的構件氣孔數量遠低于冷絲工藝構件，主要是熱輸入小、氫原子吸收量低的原因。

（4）增加了焊絲感應預熱工藝后熔池熱輸入更小，晶粒細化，在堆積區域中上部相較于冷絲工藝構件硬度增加了25%～35%。