擺動參數對鋁合金電弧增材制造薄壁成形形貌及尺寸的影響

謝偉峰，周禹陽，年科宇，黃特，李雨，丁彥

（1.東北電力大學，吉林 吉林 132012；2.深圳瑞凌實業股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

鋁合金由于其高強度、耐腐蝕和優異的力學性能，廣泛應用于航空航天、武器裝備、交通運輸等領域[1-2]，而隨著金屬增材制造技術的發展，可以快速高效地將鋁合金焊絲熔融加工成所需的零件，電弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing,WAAM）作為金屬增材制造的一種，具有制造成本低、制造自由度高、成形效率高等優點，因其以連續的“線”作為基本構型單元，非常適用于中低結構復雜度的鋁合金構件的集成成形，例如航空航天中的鋁合金機體內部框架、加強肋及壁板結構的快速成形，極大的減少了制造周期[3]。雖然WAAW 技術已經過長時間的發展，但也存在成形形貌粗糙，尺寸精度控制難等問題[4-5]。在逐層堆焊成形的過程中，因為熱輸入變化使不同的焊道層發生形變，產生較大尺寸偏差，這不但增加整個制造過程的輔助修整時間、降低生產效率，也會使構件頻繁處于加熱-熔化-冷卻-切削-再加熱這樣的循環過程，造成結構件材料組織及力學性能的不穩定[6-8]。

為了改善WAAM 成形形貌及尺寸精度等問題，國內外學者開展了大量的研究工作。Clark 等學者[9]研究了焊接速度、焊絲直徑及送絲速度對MIG 電弧增材制造成形形貌的影響規律，發現選取適當焊接參數可改善增材制造成形形貌。Oyama 等學者[10]通過監測熔敷過程中熔池的尺寸和形狀變化，分析了尺寸精度的影響因素，發現通過控制熱輸入可提高熔覆效率和尺寸精度。對比常規電弧通過改變焊接電流、焊接速度及送絲速度等參數來控制焊接熱輸入，擺動鎢極惰性氣體保護焊（W-GTAW）可以通過調節擺動參數來實現焊接熱輸入的控制，這樣不僅操作更方便，電弧能量分配更均勻，而且可以控制熔融金屬流動，使焊道邊緣更加平整，在傳統電弧焊接領域已被證實W-GTAW 可以獲得更高的焊道成形精度[11-12]，但利用擺動電弧可以實現良好增材制造薄壁成形，以及關于擺動電弧參數對成形影響規律的研究報道尚未發現。所以在大力提倡資源節約和高效制造的背景下，研究及拓展新型熱源應用領域，推動高效制造方法適應先進工業發展的需求具有重要的意義。

文中首次提出了基于W-GTAW 熱源的WAAM技術，以挖掘擺動電弧工藝的應用潛力，通過控制電弧擺動速度及擺動左右停止時間來實現對焊接工藝的改變，對比觀察不同工藝下的焊接電信號穩定性及基板熔透量，最終對薄壁件的高度及表面粗糙度和尺寸精度進行計算，總結分析W-GTAW 工藝對WAAM 薄壁件制造成形過程的穩定性及成形規律的影響，探索擺動電弧在鋁合金增材制造領域的應用前景。

1 試驗材料及方法

試驗所用基板材料為7A52 鋁合金，焊絲材料為?1.2 mm 的ER5356 焊絲，其主要化學成分見表1?；宄叽鐬?50 mm × 100 mm × 4 mm，焊接采用交流WGTAW 填絲多道堆焊，鎢極尺寸為?2.4 mm，保護氣為純度99.9%的氬氣，其流量為15 L/min，行走速度為2.25 mm/s，送絲速度為33 mm/s，鎢極尖端距板材上表面高度為4 mm。并且在無擺動參數條件下，WGTAW 焊槍可以實現常規GTAW 焊接過程。焊接參數與試樣編號見表2。因為單一行走方向增材制造的熔覆層起弧端與熄弧端存在較大的高度差，所以采用逐層往復起弧的方式，減小起弧和熄弧對焊道形貌的影響，各道熔敷層的熔覆工藝保持一致，所采用的擺動電弧增材制造試驗裝置如圖1 所示。

圖1 基于W-GTAW 熱源的WAAM 過程裝置示意圖

表1 7A52 鋁合金及ER5356 焊絲主要化學成分（質量分數，%）

表2 試樣焊接參數

試驗前先用酒精對基板的油污進行擦拭，隨后使用砂輪對上表面進行打磨直至露出金屬光澤，將打磨后的7A52 鋁合金基板固定在焊接平臺上，打開WSME-500I-TIG 焊機起弧的同時并送絲，隨后逐層往復在基板上進行單道12 層熔覆，當熔覆道第6 層時，打開電信號數據采集系統，電信號數據采集系統主要由CHV-50VD 電壓傳感器和CHB-500S 電流傳感器組成，實時記錄焊接過程的電流和電壓信號，利用高速攝像機采集擺動電弧的瞬時形貌圖像。單道12 層熔覆完成后，待焊件冷卻至室溫，對增材制造薄壁的寬度、高度和長度進行測量，隨后對薄壁的粗糙度和尺寸精度進行計算，在薄壁中央位置處將其沿垂直焊縫方向切取20 mm × 8 mm 的樣件，隨后用600 號、800 號、1000 號的砂紙依次對薄壁截面進行打磨、拋光并腐蝕后，利用體式顯微鏡進行宏觀形貌觀察。

2 試驗結果與觀察

2.1 焊接參數對基板熔透量及熔覆高度的影響

2.1.1 基板熔透量

多層熔覆熱輸入可導致基板被多次集中加熱，使基板金屬混合焊絲金屬熔融下沉，當在零件上進行熔覆時，可能會對其形貌造成損傷，因此控制基板熔透量在金屬增材制造產品方面有重要意義。圖2 為不同擺動參數下基板熔透圖像。觀察1 號試樣發現常規無擺動電弧可導致基板焊道整體區域熔透較大，最大達到4 mm 高度凸起；而利用擺動電弧后熔透量降低，只在起/收弧區域有部分凸起，其中在最大電弧擺動速度條件下的4 號試樣熔透程度最小，前后區域相加長度只有34 mm，整體焊道長度方向超過2/3無凸起發生；而在最大電弧擺動左右停止時間條件下（6 號試樣），基板背部凸起程度最小，背部損傷最小。這可能是因為W-GTAW 熱源在一定程度上可改善常規GTAW 熱源能量過于集中的問題，電弧擺動分散電弧熱量至焊道兩側邊，使整體焊道熱量分布更均勻，進而使熔寬增大，熔深減小。另外，對于Mg，Si 等這些熱敏感的金屬元素，采用擺動電弧降低焊接熱輸入，這也有助于抑制Mg 和Si 等熱敏感元素的燒損，改善零件的力學性能[13]。

圖2 不同擺動參數下基板熔透圖像

2.1.2 熔覆高度

為了追求WAAM 薄壁件的制造效率，獲得小層寬，大層高的單道多層熔覆薄壁最為理想，但采用大的焊接電流可使熔池的寬度和深度同時增大，進而降低熔覆層高度，而小電流將會使焊絲不能及時熔化，形成的焊接飛濺影響成形質量[14-15]，因此有必要進一步探討擺動電弧對增材制造熔覆層高度的影響。為了便于描述鋁合金薄壁成形過程，圖3(a)中定義L0為單層熔覆高度，L為12 層熔覆高度；圖3(b)為不同焊接參數下的L，由于擺動工藝的影響，焊絲會向焊道兩側熔融進而使薄壁寬度增加，又因行走速度和送絲速度未改變，焊絲熔融總量不變，W-GTAW 成形薄壁高度會有所降低，圖中常規GTAW 條件下，1號試樣的薄壁高度為15.96 mm，而2 號試樣的薄壁高度為15.91 mm，并且電弧擺動速度和擺動左右停止時間越大，薄壁高度越低；其中電弧擺動左右停止時間最大0.25 s 時（6 號試樣），薄壁高度最低，僅為12.97 mm，分析可知，停止時間的增大可能導致薄壁側邊焊絲熔覆過多使薄壁向兩側延展，導致高度降低。

圖3 薄壁成形模型及高度對比

2.2 焊接參數對基板翹起角度及上表面形貌的影響

2.2.1 翹起角度

當多次反復進行焊接操作時，基板會發生形變現象，反觀WAAM 的影響薄壁成形結構，由于基板前后兩端會受到多次起弧和熄弧的影響，這很容易出現基板翹起現象，翹起角度θ越大，對于薄壁整體成形精度影響越嚴重，甚至使薄壁整體呈U 狀，如圖4所示，因此需要優化焊接工藝以獲得較小的翹起角。利用型號為MG-8 的焊縫檢驗尺對基板兩端的厚度中點a 及基板中部厚度中點b 進行高度測量，結合兩中點的水平及垂直高度差計算得出基板翹起角度，并且為保證數據準確，每個測量值為多次測量的平均值，圖5 列出了不同參數條件下θ的變化情況。對比常規GTAW 熱源，采用W-GTAW 后均可獲得較小的θ，且電弧擺動速度越小，θ越??；而增大擺動左右停止時間也可以有效減小θ，其中在擺動速度為4.0 × 10-2rad/s，擺動左右停止時間為0.25 s 的焊接條件下（6號試樣），薄壁基板的θ僅有0.2°，獲得了最小的θ值。

圖4 增材制造基板翹起角度示意圖

圖5 基板翹起角度對比圖

2.2.2 薄壁上表面形貌

因擺動電弧不同于常規電弧的直線行走路徑，焊道表面形貌勢必受到影響，圖6 為增材制造薄壁的上表面圖像，觀察發現W-GTAW 焊道相較于常規GTAW焊道呈S 狀，由2 號、3 號及4 號試樣發現，當增大電弧擺動速度后，焊縫紋路間距會減小且更為清晰，而對比3 號、5 號和6 號試樣則發現，增大電弧擺動左右停止時間會使焊縫紋路邊緣之間距離增大，但其單獨紋路的形狀不改變，為了更加直觀的探究擺動參數對薄壁厚度的影響，圖7 統計了不同參數下的薄壁厚度，對比常規GTAW 薄壁，W-GTAW 薄壁厚度會有相應增大，并且電弧擺動左右停止時間越大，薄壁厚度越大，在6 號試樣下薄壁厚度為13.83 mm，其值為所有參數中最大，且比常規GTAW 壁厚增加了2.67 mm，對于較大壁厚零件的生產可以減少熔覆道數。

圖6 不同焊接參數下薄壁的上表面形貌

圖7 不同焊接參數下薄壁厚度

2.3 焊接參數對薄壁尺寸精度的影響

成形精度不高一直是電弧增材制造所存在的問題，而單道多層熔覆需要多次轉換基板方向，熔覆層中心線誤差等因素，均可能造成薄壁側壁面凹凸缺陷，因此可以通過計算薄壁剖面的尺寸精度及粗糙度的方式來衡量成形精度，試驗通過對薄壁兩側邊緣點作豎直平行切線，測得切線距離為l0，并作10 條等距的平行線平分薄壁件，起始于輪廓線左端，結束于輪廓線右端，10 條平行線的長度分別記為l1,l2,···,l10，如圖8 所示。

圖8 薄壁件尺寸精度示意圖

為了更加直觀衡量薄壁的尺寸精度，現對上述平行線長度進行統計計算得到薄壁表面粗糙度及尺寸精度，探究擺動工藝參數改變對鋁合金薄壁成形的影響規律，粗糙度公式r如式（1）[16]所示

式中：r為薄壁的表面粗糙度；l0表示薄壁最大厚度；ln則表示薄壁的等分厚度；k為比例尺。隨即利用獲得的表面粗糙度r計算尺寸精度a，如式（2）[16]所示

圖9 為薄壁的剖面圖像，經過測繪計算剖面圖像得圖10，由圖10 可知W-GTAW 可以有效提高薄壁件尺寸精度并降低表面粗糙度，但是較大的電弧擺動速度會使焊接熱輸入降低，從而不利于焊絲的熔融，薄壁容易出現凹凸缺陷，因此圖10(d)相較于其他擺動工藝薄壁的精度最低；而適當增大擺動停止時間對于薄壁件尺寸精度則有一定的提升作用，增大停止時間使薄壁側邊焊絲熔融更為充分，對薄壁的拱形缺陷有修復作用，但過大的停止時間則會使焊絲熔融偏左或偏右導致薄壁左右交替出現突出部分，進而導致尺寸精度下降并增大表面粗糙度。

圖9 薄壁剖面圖像

圖10 擺動參數對薄壁件側壁尺寸精度影響

單道多層熔覆過程中需要多次起弧和熄弧，很容易造成薄壁兩端受熱不均，焊絲熔覆量出現差異，而在多次熔覆后，使薄壁兩端與中間出現高度差，因此對于高度差的修復在薄壁電弧增材制造中也很重要。為了更好地對比上述高度差，圖11 為各個參數下的薄壁側視圖，1 號試樣的薄壁因未加入擺動工藝成形較差，如圖11 所示，兩端高度與中間高度相差約2 mm，這不利于薄壁整體的成形，而加入擺動工藝參數后則使薄壁頂部更為平整，且隨著電弧擺動速度及左右停止時間的增大薄壁件頂部弧度也隨之減小，在薄壁長度相同的條件下，選用6 號試樣的參數時，所獲得薄壁兩端高度與中間高度差異最小。對于實際結構件，這有助于減少后處理工序時間及材料的浪費。由圖11 可看出，適當增大電弧擺動速度及左右停止時間可使側壁的粗糙程度降低，為了探究擺動工藝對鋁合金成形穩定性的影響，對焊接過程中的焊接電流、電弧電壓數據進行統計，圖12～圖17為不同參數條件下U-I圖像，觀察可知電弧電壓在圖像中部動態工作點移動軌跡較集中，兩側工作點則比較雜亂，因此選取兩側區域的電壓信號統計繪制成表3。

圖13 2 號焊接參數下的U-I 圖像

圖14 3 號焊接參數下的U-I 圖像

圖15 4 號焊接參數下的U-I 圖像

圖16 5 號焊接參數下的U-I 圖像

圖17 6 號焊接參數下的U-I 圖像

表3 圖12 放大部分的電壓工作點統計

由于衡量電信號穩定的條件便是其工作點是否密集，觀察圖12 發現1 號參數下的U-I圖像由于無擺動工藝其工作點分布相較于其他參數下的更集中，而改變電弧擺動速度和左右停止時間都會不同程度的影響電信號的穩定性，觀察圖15 發現4 號參數下的U-I圖像因增大擺動速度導致受影響最為明顯，其圖像左端出現較多的雜亂線條，且4 號參數在表3 中的主要集中區域占比最小僅為96.13%；而觀察表3 發現2 號參數波動區間差值是最大的，電壓波動范圍最廣，對照圖11 發現2 號、4 號參數條件下的薄壁側壁均也較為粗糙，因此電信號工作點越密集或電壓波動越小可能會減小薄壁側面粗糙程度，而且圖11 中5 號參數條件下的薄壁最為光滑，其電信號工作點也較為集中，表3 顯示5 號參數條件下波動區間差值最小為5.36 V，即波動范圍最小，也驗證了上述說法。

3 分析和討論

電弧擺動參數對鋁合金薄壁成形精度造成影響可能有兩點原因，其一為電弧擺動速度及擺動停止時間的改變影響了焊接行走路徑，如圖18 所示。當沒有電弧擺動左右停止時間及較小擺動速度時，較多焊絲會熔融在焊道中心線上，導致薄壁側邊與中間高度出現差異，進而影響下一層的焊絲熔融堆覆，使薄壁尺寸精度下降增大表面粗糙度，而觀察圖18發現適當增大電弧擺動左右停止時間和擺動速度都會使電弧在左右兩側的實際停留時間增大，進而增大了送絲量使側邊與中間高度差減小，使薄壁上表面及側表面粗糙度有所降低。

圖18 擺動參數對熱源行走路徑的影響

在W-GTAW 鋁合金增材制造過程中，由于電弧及焊絲一起隨焊槍整體擺動，電弧在擺動過程中形貌會發生變化，其中電弧擺動速度的影響最為顯著，當電弧在擺動到焊道邊緣時，擺動速度越大，電弧形狀向擺動方向偏移現象越明顯（圖19），因此對金屬熔滴受力大小和方向有所改變，可能對鋁合金薄壁成形精度也會造成影響。

圖19 不同電弧擺動速度對電弧形態的影響

熔滴在過渡過程中會受到電弧中帶電粒子的作用以及自身重力、擺動離心力的影響，其中帶電粒子的作用又包括電弧吹力（Fa）、電場力（Fe）和洛倫茲力（Fb）[17]。這其中Fa是保護氣體從噴嘴噴出而產生，其方向由噴嘴指向工件熔池，具體如公式（3）[17]所示

式中：Cps為帶電粒子的阻力系數；ρg為保護氣體密度；vg為保護氣體噴出速度；rp為帶電粒子的半徑；Q為保護氣體的流入率；Rn和Rw分別是氣體噴嘴和焊絲的半徑。

焊接過程中鎢極端部和熔池上表面之間會產生電弧電壓。當帶電粒子在鎢極端部和熔池上表面之間移動時，也會受電場力（Fe）作用

式中：e為帶電粒子的電荷；E為電場強度；U為電弧電壓；D為鎢極端部到熔池上表面的距離；R為電阻；σ為電導率；A為電弧橫截面。根據電磁感應原理，電場會產生自感磁場。故帶電粒子會受到洛倫茲力（Fb）的影響，具體描述如公式（5）所示

式中：I為焊接電流；rw為焊絲半徑；θ是電極軸與帶電粒子位置之間的最大角度。

圖20 為電弧擺動到最右側時電弧與熔滴受力分析示意圖。如圖20(a)所示，以鎢極接電源的正極為例，電弧內部的電場方向是從鎢極尖端到焊道。因此，在Fa和Fe的作用下，電弧中的帶電粒子 將直接從鎢極尖端移動到焊道，繼而合力推動熔滴向此方向移動[18]，而由于電弧擺動速度越大其形狀向擺動方向偏移越明顯，使電弧出現不對稱現象，鎢極指向方向分割電弧其右側電荷數量大于左側電荷，又因洛倫茲力對電弧有壓縮作用，因此在電弧擺動到右側時熔滴受到較大的自右向左的Fb分力，其中熔滴重力（Fg）如公式（6）所示

圖20 電弧擺動到最右側時電弧與熔滴的受力分析示意圖

式中：rd為熔滴的半徑；ρ為熔滴的密度；g為重力加速度。由于熔滴在滴落時是擺動狀態的，因此也要考慮擺動所賦予離心力（Fc）的影響，如公式（7）所示

式中：m為熔滴質量；w為擺動角速度。綜上，熔滴所受合力（Fr）為

在這些力中，Fa，Fe和Fg都是推動熔滴向焊道過渡的力，而Fc和Fb是一對互相牽制的力，當增大電弧擺動速度，Fb大于Fc且對于整個力系影響較大時，合力Fr有向擺動反方向的分力，如圖20(b)所示，提高了拱形薄壁兩側的焊絲熔融量，從而減輕了熔滴向拱形薄壁表面兩側滑落所導致薄壁精度下降的影響，而過大的擺動速度可能導致Fc大于Fb，使熔滴進一步向擺動方向滴落增加薄壁寬度，并且熔滴可能離熱源過遠而凝結過快，使薄壁側壁出現焊瘤等缺陷，所以說適當的增大電弧擺動速度可以使得薄壁成形精度得到提高。

4 結論

（1）選用W-GTAW 熱源可以減少基板熔透量，電弧擺動速度為5.0 × 10-2rad/s 的基板熔透區域相加長度僅有34 mm，210 mm 以上的焊道沒有發生熔透現象，且增大電弧擺動速度及擺動左右停止時間都會減少基板熔透量，但一定程度上會降低薄壁高度。

（2）對比常規GTAW 成形件，W-GTAW 增材制造可以減小基板翹起角度，改善薄壁上表面形貌。電弧擺動速度越小或擺動左右停止時間越大則基板翹起角度越小，在最大擺動左右停止時間為0.25 s 時，獲得了最小的基板翹起角度，僅為0.2°。

（3）對于鋁合金W-GTAW 薄壁成形過程，適當增大電弧擺動速度和擺動左右停止時間可以提高薄壁尺寸精度。在擺動速度為3.0 × 10-2rad/s，擺動左右停止時間為0.20 s 時，試驗條件下獲得了最高的側壁尺寸精度（0.92）。

（4）對比常規GTAW 熱源薄壁成形極易出現薄壁兩端與中間高度差較大的問題，W-GTAW 熱源可以獲得高度差更小的薄壁成形件。在最大電弧擺動左右停止時間為0.25 s 條件下的薄壁高度差是最小的，整體高度更為平整。