何京文 王國(guó)慶 田彩蘭 馬 芳 金盈池

電弧增材制造ZL114A鋁合金工藝調(diào)控

何京文1王國(guó)慶2田彩蘭1馬 芳1金盈池1

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了電弧熔絲增材制造ZL114A鋁合金的成形電流、電壓、軸增量、層間停留時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)成形鋁合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響程度關(guān)系是：送絲速度>電流>電壓>層間停留時(shí)間；層寬極差分析表明：電流和電壓因素對(duì)層寬的影響非常顯著，層間停留時(shí)間因素對(duì)層寬的影響顯著，送絲速度因素對(duì)層寬的影響不明顯；電弧熔絲增材制造ZL114綜合力學(xué)性能最好時(shí)的成形工藝參數(shù)是：電流170A、電壓13V、送絲速度90mm/min、層間停留時(shí)間10s。

ZL114A鋁合金；電弧增材；正交試驗(yàn)；力學(xué)性能

1 引言

電弧增材是以電弧作為熱源，將絲材融化并逐層堆積而成形的一種增材制造技術(shù)，具有效率高、成本低等[3～6]優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)將電弧增材制造技術(shù)應(yīng)用于鋁合金構(gòu)件的快速制造，并取得了一定成果。本文以ZL114A鋁合金為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，綜合調(diào)控電弧增材制造ZL114A鋁合金的成形電流、電壓、軸增量、層間停留時(shí)間等工藝參數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)特征

由Motoman HP20D機(jī)器人、Motoman雙軸變位機(jī)、Fronius KD 4010推絲式送絲機(jī)、Miller Dynasty 350焊機(jī)、Jetline AVC 501弧長(zhǎng)控制器等主要構(gòu)件集成了電弧增材制造設(shè)備，通過(guò)控制機(jī)器人、TIG焊接電源與送絲機(jī)構(gòu)的同步協(xié)調(diào)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擬成形三維結(jié)構(gòu)件的快速成型，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用電弧增材制造設(shè)備

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

絲材選用牌號(hào)為ZL114A、直徑為1.2mm的鋁合金焊絲，基板選用牌號(hào)為6061、厚度為10mm的鋁合金平板；保護(hù)氣體選用高純氬氣。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

任何一個(gè)工藝參數(shù)的改變均會(huì)對(duì)成形質(zhì)量有不同程度的影響，為了分析各因素對(duì)成形質(zhì)量的影響情況，明確各因素之間的主次關(guān)系，在單道多層成形工藝規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法中的L9（34）進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)以進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

大量試驗(yàn)表明，成形電流、電壓、層間停留時(shí)間、送絲速度和軸增量對(duì)成形質(zhì)量的影響較大。由于試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備配備了弧長(zhǎng)控制器，可以忽略軸增量對(duì)成形質(zhì)量的影響。因而重點(diǎn)探討電流、電壓、送絲速度和層間停留時(shí)間對(duì)成形質(zhì)量的影響。采用四因素三水平的正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，因素和水平的具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 因素和水平表

2.3 力學(xué)性能分析

由表2可知，經(jīng)過(guò)T6狀態(tài)熱處理后，電弧增材制造ZL114A鋁合金的力學(xué)性能較好，b=336～352MPa，0.2=264～283MPa，10=9.0%～11.8%，b和0.2的波動(dòng)范圍小，在4%～7%之間，10的波動(dòng)范圍大，為34%。參照QJ 3185—2003《航天用鋁合金ZL205A、ZL114A鑄件規(guī)范》可知，電弧增材制造ZL114A鋁合金的b和0.2基本達(dá)到了同牌號(hào)鑄件在相同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)水平，10遠(yuǎn)高于同牌號(hào)鑄件在相同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)水平。

表2 力學(xué)性能極差分析結(jié)果

2.4 力學(xué)性能的極差和方差分析

以T6狀態(tài)熱處理后試樣力學(xué)性能為目標(biāo)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，以力學(xué)性能的最大值為最優(yōu)水平。表2是根據(jù)表1試驗(yàn)的結(jié)果和極差分析，其中力學(xué)性能指標(biāo)的具體數(shù)值為三次測(cè)量結(jié)果的平均值。

極差數(shù)值反映了相應(yīng)因素作用的大小，值大的因素表示不同水平對(duì)指標(biāo)造成的影響較大，是主要因素；值小的因素，其不同水平對(duì)指標(biāo)造成的影響也相對(duì)較小，為次要因素。由此可知，工藝參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度b、屈服強(qiáng)度0.2的影響程度關(guān)系為：送絲速度（C）>電流（A）>電壓（B）>層間停留時(shí)間（D）；對(duì)延伸率10的影響程度關(guān)系為：電流（A）>送絲速度（C）>電壓（B）>層間停留時(shí)間（D）。

由于極差分析是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，涵蓋了試驗(yàn)誤差對(duì)分析結(jié)果的影響，需要進(jìn)行方差分析，剔除了試驗(yàn)誤差對(duì)結(jié)果的影響。因而，方差分析是極差分析的有利補(bǔ)充。用SPSS軟件對(duì)力學(xué)性能三次測(cè)試的所有結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3、表4所示。

關(guān)于施工用火，規(guī)程規(guī)定：外保溫工程施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)為禁火區(qū)域，并應(yīng)遠(yuǎn)離火源，嚴(yán)禁吸煙。動(dòng)用明火時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行動(dòng)火審批制度，且確認(rèn)該區(qū)域內(nèi)的可燃類保溫材料已覆蓋了抹面層或界面層，并采取相應(yīng)的安全措施，設(shè)專門的動(dòng)火監(jiān)護(hù)人，配備足夠的滅火器材。嚴(yán)禁在已完成安裝的保溫材料上進(jìn)行電氣焊接和其他明火作業(yè)。

表3 抗拉強(qiáng)度方差分析結(jié)果

表4 屈服強(qiáng)度方差分析結(jié)果

由表3可見(jiàn)，A因素、B因素與C因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響非常顯著，D因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不顯著。各因素對(duì)于抗拉強(qiáng)度影響的主次順序是A=C>B。這與方差分析結(jié)果相一致，但是D因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

由表4可知，A和C因素對(duì)屈服強(qiáng)度的影響非常顯著，B和D因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響顯著。各因素對(duì)屈服強(qiáng)度影響的主次順序是C>A>B>D。這與方差分析結(jié)果相一致。

由上述正交試驗(yàn)的極差和方差分析結(jié)果可知各因素的最佳工藝參數(shù)，具體如下：

a. 因素A和C對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響都非常顯著，且因素C較因素A的影響更為顯著；對(duì)延伸率的影響不顯著。結(jié)合極差分析可知，C3A1（=170A，=90mm/min）為最佳工藝組合。

b. 因素B對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響非常顯著，對(duì)屈服強(qiáng)度的影響顯著，對(duì)延伸率的影響不顯著。結(jié)合極差分析可知，B2（=13V）為最佳工藝。

c. 因素D對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響顯著，對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不顯著，對(duì)延伸率的影響不顯著。結(jié)合極差分析可知，D2和D3（=10s和=20s）為最佳工藝。結(jié)合電弧增材制造效率可知，越小越有利于提高成形效率。因此，層間停留時(shí)間的最佳選擇為=10s，對(duì)于大尺寸構(gòu)件可以連續(xù)成形。

由上述分析可知，獲得最佳力學(xué)性能的最優(yōu)工藝參數(shù)是：=170A，=13V，=90mm/min，=10s。

由上述正交試驗(yàn)的極差和方差分析結(jié)果對(duì)各因素的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行分析，具體如下：

a. A和B因素對(duì)層寬的影響非常顯著，結(jié)合極差分析和電流對(duì)層寬的影響可知，電流與層寬成正比。因而，A（150～170A）可以依據(jù)擬成形構(gòu)件的尺寸和力學(xué)性能對(duì)電流參數(shù)進(jìn)行選擇。B對(duì)層寬的影響較小，因而根據(jù)力學(xué)性能和成形過(guò)程的穩(wěn)定性要求，B（=13V）為最佳工藝。

b. C因素對(duì)層寬的影響不顯著，可不考慮。

c. D因素對(duì)層寬的影響顯著，由極差分析結(jié)果可知，層寬與層間停留時(shí)間成反比。

3 結(jié)束語(yǔ)

單道多層試樣綜合力學(xué)性能最高時(shí)的成形工藝參數(shù)是：=170A，=13V，=90mm/min，=10s。構(gòu)件最佳的成形工藝參數(shù)應(yīng)依據(jù)構(gòu)件尺寸對(duì)成形寬度的要求和成形效率在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的調(diào)整。

研究成果可用于支撐件、過(guò)渡段殼體類構(gòu)件、框梁類構(gòu)件等構(gòu)件的快速研制。同時(shí)，可以為其它牌號(hào)鋁合金、鎳基高溫合金、鈦合金等材質(zhì)零件的快速研制技術(shù)研究提供參考，加快電弧熔絲增材制造技術(shù)在不同材料體系中的應(yīng)用推廣，有利于提高我國(guó)國(guó)防武器裝備、航天運(yùn)載型號(hào)的快速研制能力。

1 熊江濤，耿海濱，林鑫，等. 電弧增材制造研究現(xiàn)狀及在航空制造中應(yīng)用前景[J]. 航空制造技術(shù)，2015(23/24)：80～85

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Technical Adjusting of Wire Arc Additive Manufactured ZL114A Aluminum Alloy

He Jingwen1Wang Guoqing2Tian Cailan1Ma Fang1Jin Yingchi1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076； 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

The effects of technical parameters of electrical current, electrical voltage, increment onaxis, standing time between layers, etc, on mechanical properties of wire arc additive manufactured ZL114A aluminum alloy were researched by orthogonal test method. The results showed that the incidence of technical parameters on mechanical properties were wire feeding speed > electrical current > electrical voltage > standing time between layers. The range analysis on layer width results manifested that electrical current and electrical voltage had very significant effect, standing time between layers had significant effect, wire feeding speed had no significant effect. The optimal technical parameters on mechanical properties of wire arc additive manufactured ZL114A aluminum alloy were that, electrical current was 170A, electrical voltage was 13V, wire feeding speed was 90mm/min, standing time between layers was 10s.

ZL114A aluminum alloy；wire arc additive；orthogonal test；mechanical properties

2018-10-01

何京文（1968），研究員，計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)；研究方向：電弧增材制造。