李 權(quán)，羅志偉，馮 晨，張睿澤，李 晗，孫 超，王福德，曾曉雁

(1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2. 華中科技大學(xué) 武漢光電國(guó)家研究中心，武漢 430074)

0 引言

航天航空產(chǎn)品具有小批量、多品種的特點(diǎn)，歷來(lái)是各種增材制造技術(shù)率先應(yīng)用的領(lǐng)域[1-3]。電弧熔絲增材制造(Wire + Arc Additive Manufacturing，WAAM)同激光同步送粉和電子束熔絲增材制造一樣，是一種金屬材料近凈成形制造技術(shù)，所不同的只是所采用的熱源和材料送進(jìn)方式。該技術(shù)被歐洲航天局稱為是一種低能耗、可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術(shù)，特別適合大型難加工、貴金屬零件的增材制造。20世紀(jì)90年代中期，英國(guó)著名航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)與克蘭菲爾德大學(xué)(Cranfield University)合作開(kāi)展高溫合金的電弧增材制造技術(shù)研究，并成功地將其應(yīng)用到了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金機(jī)匣的生產(chǎn)[4-5]。

2219鋁合金是一種Al-Cu系高強(qiáng)鋁合金，Cu含量約為6.3%，在航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，是運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)彈武器艙體的主要材料[6]。WAAM技術(shù)可解決復(fù)雜Al-Cu合金構(gòu)件鑄造缺陷多、成品率低的難題。為推動(dòng)WAAM技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)均開(kāi)展了2219鋁合金的WAAM工藝基礎(chǔ)研究。研究發(fā)現(xiàn)，WAAM成形的2219的主要問(wèn)題是沉積組織中的顯微氣孔。為此，英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)(Cranfield University)的Gu Jianglong和Williams Stewart等開(kāi)展了層間碾壓壓力對(duì)WAAM成形2219鋁合金顯微組織、氣孔及力學(xué)性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)層間碾壓可顯著減少熱處理后的顯微氣孔、提高延伸率，其力學(xué)性能夠達(dá)到鍛件水平[7-8]。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的柏久陽(yáng)等研究了基于TIG電弧增材制造的2219鋁合金組織及力學(xué)性能，認(rèn)為層間密集氣孔是導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性的原因[9]。CONG Baoqiang采用奧地利Fronious公司生產(chǎn)的CMT Advanced 4000R焊接電源開(kāi)展了WAAM成形2219鋁合金的研究，使用四種熔滴過(guò)渡模式成形2219鋁合金單道單層試樣，發(fā)現(xiàn)Advanced CMT+P模式氣孔含量最少[10]。

本文采用氣孔含量定量統(tǒng)計(jì)分析的方法，系統(tǒng)研究熔滴過(guò)渡模式及不同廠家絲材對(duì)WAAM成形的2219鋁合金單壁墻試樣內(nèi)部氣孔尺寸、數(shù)量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝備

試驗(yàn)采用自主研制集成的WAAM成形系統(tǒng)。裝備硬件主要由日本安川Motoman-HP20D六軸機(jī)器人、ZC01兩軸變位機(jī)和奧地利Fronius公司的CMT Advanced 4000R焊接電源組成。其中CMT Advanced 4000R焊接電源是目前國(guó)際上較先進(jìn)的全數(shù)字一元化焊接電源，具有豐富的多材料焊接專家工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于鋁合金焊接，該電源提供了四種熔滴過(guò)渡模式，分別是冷金屬短路過(guò)渡模式(CMT)、冷金屬短路+脈沖噴射過(guò)渡模式(CMT+P)、變極性冷金屬短路過(guò)渡模式(Advanced CMT)和變極性冷金屬短路+脈沖噴射過(guò)渡(Advanced CMT +P)模式。不同模式具有不同電流、電壓波形和熱輸入[11]，對(duì)氧化膜的清除效果不同。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用絲材為三種市售直徑1.2 mm的Al-6.3Cu鋁合金熔化極氣體保護(hù)焊絲。分別是加拿大Indalco Alloy公司的2319焊絲，瑞典ESAB公司的2319焊絲，航天材料與工藝研究所(IAMT)的2325焊絲(國(guó)產(chǎn)牌號(hào))。焊絲成分化學(xué)分析結(jié)果如表1所示，符合《GB/T10858—2008鋁合金焊絲標(biāo)準(zhǔn)》要求。增材制造過(guò)程使用的保護(hù)氣體為99.99%的高純氬氣。試樣成形用基板為2219鋁合金板材。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)熔滴過(guò)渡模式對(duì)WAAM成形Al-6.3Cu合金氣孔含量的影響

采用加拿大Indalco Alloy公司的2319鋁合金焊絲，在相同的送絲速度(Wire Feed Speed—VWFS)、掃描速度(Travel Speed—VTS)條件下，分別采用四種熔滴過(guò)渡模式(CMT、CMT+P、Advanced CMT、 Advanced CMT+P)成形15層的單壁墻試樣，試樣尺寸長(zhǎng)100 mm，高20～40 mm，具體參數(shù)見(jiàn)表2。其中，21#～24#試樣在增材制造過(guò)程中，焊槍在沿試樣長(zhǎng)度方向掃描沉積的同時(shí)還沿垂直于掃描方向來(lái)回?cái)[動(dòng)，焊槍擺動(dòng)頻率Fw為3 Hz、幅度Dw為5 mm，在成形25#～28#試樣過(guò)程中未采用擺弧技術(shù)。成形過(guò)程中采用HKS μQAS焊接電流電壓監(jiān)測(cè)儀記錄電流電壓波形。計(jì)算的電流I、電壓U平均值如表2所示，四種熔滴過(guò)渡模式的熱輸入大小依次為：CMT+P、CMT、Advanced CMT、Advanced CMT+P。對(duì)成形的沉積態(tài)試樣沿中部橫向(取樣位置如圖1,單位mm)剖切制備金相試樣，不腐蝕，在光學(xué)金相顯微鏡下放大50倍觀察氣孔大小和分布，每個(gè)試樣在5個(gè)隨機(jī)視場(chǎng)拍攝金相照片，采用ImageJ圖像處理軟件對(duì)照片中的氣孔數(shù)量、面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算氣孔的數(shù)量及尺寸(直徑)。

表1 不同廠家焊絲化學(xué)成分

(2)絲材表面質(zhì)量對(duì)WAAM成形Al-6.3Cu合金氣孔含量的影響

采用美國(guó)KLA-TENCOR公司Alpha-Step IQ接觸式表面形貌儀測(cè)量上述三種Al-6.3Cu合金焊絲表面粗糙度。采用優(yōu)化的Advanced CMT +P工藝參數(shù)(表3)分別沉積兩道多層試樣(圖2所示)，試樣長(zhǎng)180 mm，高90 mm，厚約22 mm。對(duì)沉積后的試樣進(jìn)行熱處理，熱處理制度為：540 ℃固溶1.5 h，淬火，175 ℃時(shí)效3 h。采用上述同樣的方法統(tǒng)計(jì)分析氣孔數(shù)量及尺寸，金相試樣取樣位置如圖2所示。

表2 不同熔滴過(guò)渡模式WAAM成形工藝參數(shù)

注：1)VWFS=6 m/min時(shí)擺弧無(wú)法成形。

圖1 成形試樣尺寸及取樣方向示意圖

表3 兩道多層單壁墻WAAM工藝參數(shù)

圖2 兩道多層單壁試樣尺寸及金相試樣取樣位置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熔滴過(guò)渡模式對(duì)成形氣孔的影響

采用不同熔滴過(guò)渡模式、擺弧和未擺弧工藝成形的15層單壁墻試樣實(shí)物照片如圖3所示。單壁墻試樣橫截面光學(xué)金相顯微照片如圖4和圖5所示。采用四種熔滴過(guò)渡模式制備的試樣內(nèi)部均有氣孔發(fā)現(xiàn)，尺寸均在200 μm以下，主要為顯微氣孔。對(duì)比四種熔滴過(guò)渡模式制備的試樣，可以發(fā)現(xiàn)采用Advanced CMT +P熔滴過(guò)渡模式成形的試樣內(nèi)部顯微氣孔最少。

四種熔滴過(guò)渡模式制備試樣的氣孔面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。采用CMT+P模式制備的試樣平均氣孔面積最大，達(dá)到照片視場(chǎng)面積的1.2%～1.3%。采用CMT和Advanced CMT模式制備的試樣氣孔面積相差不大，平均氣孔面積達(dá)0.8%～1.2%。采用Advanced CMT+P模式制備的試樣氣孔面積最小，平均氣孔面積達(dá)0.1%～0.3%。相同熔滴過(guò)渡模式下，對(duì)比擺弧與未擺弧成形試樣，內(nèi)部顯微氣孔面積未顯著增加或減少。

(a) CMT (b)CMT+P

(c) Advanced CMT (d) Advanced CMT +P

(a) CMT (b) CMT+P

(c) Advanced CMT (d) Advanced CMT +P

從直徑為10 μm的氣孔開(kāi)始統(tǒng)計(jì)，每隔10 μm設(shè)一個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)分析采用四種熔滴過(guò)渡模式成形試樣內(nèi)部顯微氣孔尺寸大小和分布，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。直徑10～20 μm的顯微氣孔數(shù)量最多，隨氣孔尺寸增加，顯微氣孔數(shù)量顯著降低。采用Advanced CMT+P模式制備的試樣總氣孔數(shù)量最少，且氣孔尺寸小于60 μm。對(duì)比采用擺弧與未擺弧成形試樣的氣孔大小、分布，采用擺弧成形的試樣中10～30 μm顯微氣孔數(shù)量多于未采用擺弧的，未采用擺弧成形的試樣中直徑40 μm以上顯微氣孔數(shù)多于擺弧成形的試樣(Advanced CMT+P模式除外)。

圖6 不同熔滴過(guò)渡模式制備試樣的氣孔面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(a)CMT (b)CMT+P

2.2 焊絲表面質(zhì)量對(duì)成形氣孔的影響

表4為不同焊絲表面粗糙度測(cè)量結(jié)果。IAMT的2325焊絲表面粗糙度較高，是其他兩種絲材的3倍。圖8是不同廠家絲材的表面形貌SEM觀察結(jié)果。可見(jiàn)，IAMT的2325絲材表面微裂紋缺陷較多。

表4 絲材表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

(a) Indalco 2319焊絲 (b) ESAB 2319焊絲 (c) IAMT 2325 焊絲

圖9為采用3個(gè)不同廠家生產(chǎn)的焊絲所成形的試樣內(nèi)部顯微氣孔分布狀況的光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果?？梢?jiàn)，采用IAMT的2325焊絲成形的試樣內(nèi)部顯微氣孔尺寸較大。圖10為對(duì)應(yīng)的顯微氣孔面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。采用IAMT的2325焊絲成形試樣內(nèi)部氣孔面積最大，達(dá)0.6%。其次是采用Indalco Alloy的2319焊絲成形的試樣。采用ESAB的2319焊絲成形試樣內(nèi)部氣孔面積最小。

(a) Indalco 2319焊絲 (b) ESAB 2319焊絲 (c) IAMT 2325焊絲

圖11為采用不同廠家焊絲成形試樣內(nèi)部顯微氣孔尺寸及數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。采用Indalco Alloy的2319焊絲成形試樣內(nèi)部30 μm以下顯微氣孔數(shù)量最多。采用IAMT的2325焊絲成形試樣的顯微氣孔數(shù)量不多，但尺寸較大，最大直徑達(dá)160 μm。

圖10 不同廠家焊絲成形單壁墻試樣的氣孔面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖11 不同廠家焊絲成形試樣的氣孔尺寸及數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 分析討論

WAAM鋁合金試樣中的顯微氣孔主要是氫氣孔[8]，成形構(gòu)件中氫的來(lái)源主要有焊絲表面氧化膜吸附的水分和保護(hù)氣體中的水分。增材制造時(shí)，在電弧高溫作用下，焊絲表面氧化膜吸附的水分和保護(hù)氣體中的水分分解成氫原子溶解在液態(tài)鋁合金中。氫原子在液態(tài)鋁中溶解度為0.69 cm3/100 g，而在固態(tài)鋁中的溶解度僅為0.036 cm3/100 g，約為液態(tài)鋁的1/20。因此，熔池液態(tài)金屬凝固時(shí)會(huì)析出氫氣，形成氣孔。

熔池中的氣孔形成主要有三個(gè)階段，即形核、長(zhǎng)大和逸出。形核階段，熔池開(kāi)始凝固時(shí)，過(guò)飽和的氫從液態(tài)金屬中析出形成小氣泡，形核數(shù)量取決于溶入液態(tài)金屬中的原子氫的數(shù)量，及液態(tài)熔池的停留時(shí)間；長(zhǎng)大階段，熔池中的小氣泡隨著液態(tài)金屬的流動(dòng)發(fā)生匯聚和長(zhǎng)大，長(zhǎng)大的程度取決于液態(tài)金屬的流動(dòng)速度和停留時(shí)間；上浮逸出階段，長(zhǎng)大的氣泡向熔池表面上浮逸出，氣泡尺寸越大，上浮速度越快。未來(lái)得及逸出的氣泡殘留在凝固的金屬中形成氣孔。因此，液態(tài)熔池中的停留時(shí)間與氣孔的形成密切相關(guān)。

如圖12所示，若熔池長(zhǎng)度為L(zhǎng)p，掃描速度為VTS，則熔池中心某點(diǎn)液態(tài)金屬的停留時(shí)間為t=Lp/VTS，即熔池尺寸越大，掃描速度越慢，液態(tài)金屬停留時(shí)間越長(zhǎng)。

基于以上理論，分析認(rèn)為Advanced CMT +P熔滴過(guò)渡模式成形試樣內(nèi)部顯微氣孔含量較少的原因主要有兩方面。一方面，該模式的熱輸入最低(表2)，掃描速度相同條件下，熔池尺寸最小，液態(tài)停留時(shí)間最短，不利于氣孔的形核及長(zhǎng)大；另一方面，與其他三種熔滴過(guò)渡模式不同，Advanced CMT +P模式下焊絲極性正負(fù)交替變換，產(chǎn)生的陰極霧化效應(yīng)既可清除焊絲表面的氧化膜也可清除沉積層表面的氧化膜，最大地發(fā)揮了陰極霧化效應(yīng)，減少熔池中[H]的來(lái)源，同時(shí)正極性時(shí)的脈沖還可增強(qiáng)熔池的攪拌作用，促進(jìn)氣泡向熔池表面逸出。

在成形過(guò)程中采用低頻擺弧，主要作用是改善成形，將“小而深”的熔池變成“寬而淺”的熔池，熔池底部氣泡形核面積增加，形核的小氣泡數(shù)增加。此外，熔池變淺，氣泡上浮路徑變短，不利于長(zhǎng)大。因此，擺弧成形試樣內(nèi)部小氣孔數(shù)量多于未擺弧的。

圖12 熔池尺寸示意圖

分析三種絲材氣孔敏感性差異的原因，可能與絲材表面質(zhì)量有關(guān)。Indalco Alloy、ESAB公司2319焊絲光亮化處理效果較好，表面更清潔、光亮，粗糙度較低。IAMT研制的2325焊絲表面粗糙度是其他兩種焊絲的3倍，表面缺陷較多。表面粗糙度高、缺陷多，增加了焊絲的表面積，且更容易吸附水分和污漬，導(dǎo)致熔池中氫的來(lái)源增多，因此成形試樣內(nèi)部顯微氣孔較多。

4 結(jié)論

(1)對(duì)比四種熔滴過(guò)渡模式，Advanced CMT +P熔滴過(guò)渡模式因熔池尺寸小、焊絲與已沉積層表面陰極霧化去除氧化膜充分、熔池?cái)嚢枳饔脧?qiáng)等原因，成形的單壁墻內(nèi)部氣孔較少。

(2)成形過(guò)程中采用低頻擺弧，試樣內(nèi)部氣孔面積未見(jiàn)顯著降低，但小氣孔數(shù)多于未擺弧的。

(3)不同絲材表面質(zhì)量的差異是導(dǎo)致其成形氣孔含量不同的原因。焊絲表面粗糙度高、缺陷多，更容易吸附水分和污漬，導(dǎo)致熔池中氫的來(lái)源增多，成形試樣內(nèi)部氣孔較多。