張驥俊， 邢彥鋒， 曹菊勇

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

增材制造(Additive manufacturing, AM)是將金屬熔化再逐層堆積成工件的新型制造工藝，具有材料利用率高、復雜結構直接成型等優(yōu)點,已被應用于航天航空及軍工領域[1]。冷金屬過渡(Cold metal transfer, CMT)焊作為一種新型焊接工藝，具有焊接過程中弧長控制較為精確，熱輸入量小、飛濺少等工藝特點，適用于鋁合金等低熔點金屬的增材制造[2]。然而，電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)過程中會出現的氣孔、裂紋、晶粒粗大等缺陷，會降低材料的力學性能。目前主要有引入顆粒[3]、工藝優(yōu)化[4]、焊后熱處理[5]、機械處理[6]以及超聲振動輔助等方法來減少缺陷。Zhang等[7]利用工作臺振動實現了高強度鋁合金的增材制造，發(fā)現隨著振動增強，熔池產生強烈攪拌作用，細化晶粒、減少氣孔、降低孔隙率，提高拉伸性能。何智等[8]發(fā)現超聲沖擊使得鈦合金沉積層內的粗大柱狀晶轉化為細小等軸晶粒，各向異性減小。陳偉等[9]研究了不同層間溫度下超聲振動對電弧增材制造Cu-8Al-2Ni-2Fe-2Mn合金組織及力學性能的影響。Yuan等[10]發(fā)現高強度超聲波的引入有效地中斷了激光線材增材制造中pre-β晶體的外延生長趨勢，削弱了pre-β晶體的織構強度，從而細化晶粒。Jian等[11]發(fā)現超聲振動在熔體中產生的空化效應促進了鋁合金液相線溫度附近熔體的異質形核。

目前眾多學者對超聲振動電弧增材制造不同材料進行了研究，而對于影響超聲振動產生的能量，諸如頻率、振幅、距焊縫距離等參數的研究較少。因此本文以CMT電弧增材制造工藝作為基礎，以4043鋁合金作為試驗對象，在電弧增材制造過程中對基板施加超聲振動，研究了振幅對電弧增材制造鋁合金中微觀組織及力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗基板選用6061-T6鋁合金板材，尺寸為200 mm×200 mm×6 mm。填充材料選用ER4043鋁硅焊絲，直徑為φ1.2 mm，其化學成分如表1所示。

表1 ER4043鋁硅焊絲的化學成分(質量分數，%)

焊接前，用砂紙打磨基板以去除表面氧化膜，并用酒精去除表面污漬。CMT電弧增材制造系統(tǒng)由Fronius CMT TPS4000焊接系統(tǒng)和6軸KUKA機器人組成。保護氣體為純氬氣(99.99%)，氣體流速為20 L/min，層間等待時間為60 s。超聲波振動頭的振動頻率為20.1 kHz，振動頭的直徑為φ12 mm，具體焊接參數如表2所示。本次試驗使超聲振動頭對基板直接振動，振動頭距離焊縫105 mm，具體如圖1所示。

表2 超聲振動輔助焊接的工藝參數

使用Keller試劑(95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF)對拋光后的樣品橫截面進行30 s的腐蝕。使用Leica光學顯微鏡分析焊接接頭的顯微組織。在本研究中，氣孔尺寸以及孔隙率是通過金相試樣的顯微切片進行測量的，截取試樣中間80 mm×60 mm 的部分，對直徑大于0.1 mm的氣孔使用Image pro plus軟件進行檢測。使用萬能試驗機對截取的標準拉伸試樣(見圖1)進行拉伸試驗，拉伸速度為1 mm/min。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of test platform

2 試驗結果與討論

2.1 超聲振動對微觀組織的影響

CMT電弧增材制造堆積試樣的微觀組織如圖2所示。圖2(a)為未使用超聲振動輔助的試樣，其組織中存在大量柱狀晶，晶粒細而長，且有連續(xù)生長的現象。由于在焊接過程中溫度梯度過大，組織中存在大量的樹枝結構，富鋁硅共晶組織大量存在于樹枝晶結構間隙中。在沒有超聲振動的情況下產生的鋁硅共晶組織主要以長條狀形式出現。觀察發(fā)現，在熔合線附近存在大量柱狀晶以及少量等軸晶粒，且柱狀晶穿越熔合線進行生長，平均晶粒大小為30.2 μm，最大晶粒尺寸可達102.0 μm。圖2(b)為施加振幅為25 μm的超聲振動輔助的試樣，其微觀組織由大量等軸晶粒組成，同時隨機分布了少量柱狀晶粒。

圖2 增材制造試樣的微觀組織(a)未施加超聲振動輔助；(b)施加振幅為25 μm的超聲振動輔助Fig.2 Microstructure of the additive manufactured specimens (a) without ultrasonic vibration； (b) ultrasonic vibration assisted with amplitude of 25 μm

對于使用超聲振動輔助的試樣，圖3分析了振幅為20 μm時試樣的焊縫頂端以及熔合線附近區(qū)域的微觀結構。在焊接過程中，熔覆金屬使得焊縫下方金屬發(fā)生熔化，在層與層之間形成明顯的熔合線。圖3(a)所示試樣焊縫頂部的顯微組織，可以看出，焊縫頂部微觀組織主要由細長的柱狀晶粒構成。由于焊接過程中溫度梯度較大，且位于頂部的晶粒距離基板較遠，其冷卻速率較慢，導致晶粒呈柱狀。圖3(b)所示為單層焊縫中間部分的顯微組織，主要由大量等軸晶粒以及少量枝晶組成，且在富鋁硅共晶組織附近的等軸晶粒更為細小。在超聲振動的作用下，富鋁硅共晶組織以球狀顆粒形式出現。圖3(c)為熔合線處的顯微組織，熔合線下方的等軸晶粒在熱輸入的作用下長大，平均晶粒尺寸為24.3 μm。熔合線上方的晶粒以細小的等軸晶粒組成，平均晶粒尺寸為9.2 μm，總體較未使用超聲振動輔助的堆積試樣平均晶粒尺寸下降了22.5%。圖3(d)為增材制造中間層的顯微組織，受到下一層熔覆時熱輸入的影響，等軸晶粒長大。

圖3 超聲振動輔助增材制造試樣的微觀組織 (振幅20 μm)(a)焊縫頂部;(b)單層焊縫中部;(c)熔合線處;(d)中間層Fig.3 Microstructure of the WAAM specimen with ultrasonic vibration assistance (amplitude of 20 μm)(a) top of the weld; (b) middle of single layer weld; (c) fusion line; (d) middle layer

在距離基板20 mm的位置截取試樣進行平均晶粒大小的測量，結果如圖4所示。未施加超聲振動的試樣，其焊縫內部的平均晶粒尺寸為30.2 μm。在超聲振動的作用下試樣的平均晶粒大小明顯降低，但隨著振幅增大，平均晶粒尺寸呈現先減小后增大的趨勢。當振幅為20 μm時，平均晶粒尺寸為18.2 μm。當振幅為25 μm時，平均晶粒尺寸為15.4 μm，而當振幅為28 μm時，平均晶粒大小增大至24.6 μm。

圖4 增材制造試樣的平均晶粒尺寸Fig.4 Average grain size of the additive manufactured specimens

超聲振動促進熔池內部攪拌，正在長大的枝晶在空化作用產生的高溫高壓下破碎，并被隨機分散至熔池內部形成新的成核點，從而增大形核率，細化了晶粒。同時，固相與液相之間的界面在聲流效應的影響下趨于不穩(wěn)定，部分粗大柱狀晶粒在高聲流的作用下破碎，因此存在柱狀晶粒周圍隨機分布等軸晶粒的現象。熔池中的氣泡在空化效應的作用下長大、破裂，使附近熔體發(fā)生劇烈流動，并產生高溫、高壓。這有利于晶核的形成，并抑制枝晶生長，亦能使晶粒細化。但隨著振幅增加，超聲波在介質產生的能量也就越高，熱輸入的增高促使熔池內部的冷卻速度減緩，導致晶粒粗化。

2.2 超聲振動對氣孔的影響

鋁合金WAAM過程中主要的氣孔為氫氣孔，氫元素主要來源于鋁基板表面、焊絲以及保護氣氛圍[12]。圖5所示為焊縫中氣孔的宏觀照片，可以看出，未施加超聲振動輔助的焊縫表面氣孔較少，其氣孔均位于焊縫下方。而施加超聲振動輔助的試樣焊縫表面積聚了較多氣孔，且大多聚集于焊縫中線處，氣孔平均尺寸為0.3 mm，最大氣孔尺寸可達0.8 mm。

圖5 增材制造試樣焊縫淺表面處氣孔的宏觀形貌(a)未施加超聲振動輔助；(b)施加振幅為20 μm的超聲振動輔助Fig.5 Macromorphologies of the pores on the weld surface of the additivel manufactured specimens(a) without ultrasonic vibration； (b) ultrasonic vibration assisted with amplitude of 20 μm

氣孔的形成包括成核、漂浮以及成長3個過程。隨著凝固的進行，由于固相區(qū)與液相區(qū)氫元素溶解度的不同，在凝固過程中存在于熔池內部的氫元素不斷從固相區(qū)相液相區(qū)轉移。在結晶過程中，氫元素會在富鋁硅共晶組織附近聚集，隨著熔池內氫濃度不斷增加，當液相區(qū)不能維持過飽和狀態(tài)時，氣泡隨之產生。由于鋁的熱傳導能力強，熔池冷卻速度過快，氣泡不能及時從焊縫表面逸出，致使焊縫內部存在大量氣孔。當施加超聲振動輔助后，超聲波在熔池中傳播，空化作用促進氣泡的形成與長大，當聲壓達到一定值時，氣泡發(fā)生崩潰，附近熔體發(fā)生劇烈流動，產生高溫及高壓促使晶核的形成，抑制枝晶生長。超聲振動過程引起熔池攪拌，促進氣泡向焊縫表面逸出[12]。在圖5(b)中，焊縫淺表面處積聚的氣孔現象可以解釋為在超聲波的促進下，微小氣泡向上逸出，但由于熔池冷卻速度過快，來不及完全逸出，滯留在焊縫淺表面處，如圖6所示，氣泡在向上逸出的過程中，小氣泡可能會融合成大氣泡，在空化作用下破裂。在下一層熔覆時，熔覆金屬會使焊縫下方金屬熔化，大部分氣孔會被消除，只留下一些距離焊縫表面較遠的氣孔。

圖6 施加超聲振動輔助時熔池內部氣孔逸出過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of the escaping process of pores from molten pool with ultrasonic vibration assistance

圖7所示為施加不同振幅的超聲振動輔助試樣中氣孔的宏觀形貌?？梢钥闯?，在引入超聲振動輔助之后，試樣內部的氣孔數量以及大小均有明顯減少。當振幅為20 μm時，雖然氣孔已經大幅減少，但仍有個別粗大氣孔存在。當振幅為25 μm時，粗大氣孔幾乎不存在，最大氣孔尺寸僅為0.4 mm。當振幅為28 μm時，氣孔數量有所增加，最大尺寸為1.2 mm。當振幅超過30 μm時，超聲振動產生的拉應力大于焊縫未完全凝固狀態(tài)下所能承受的最大抗拉強度時，焊縫發(fā)生崩裂。

圖7 施加不同振幅超聲振動輔助試樣的宏觀氣孔形貌Fig.7 Macromorphologies of the pores in the specimens ultrasonic vibration assisted with different amplitudes(a)未施加(without ultrasonic vibration)； (b) 20 μm； (c) 25 μm； (d) 28 μm

圖8所示為施加不同振幅的超聲振動輔助試樣中的氣孔數量及孔隙率?？梢钥闯?，在引入超聲振動輔助后，氣孔數量減少了80%～91%，且孔隙率也明顯降低。當振幅為20 μm時，氣孔數量及孔隙率均降至最低，氣孔數量相較于未施加超聲振動的試樣降低了90%。但當振幅達到28 μm時，氣孔數量較振幅為25 μm的試樣有明顯提高。這是因為熔池內部聲壓隨著振幅的增大而逐漸增大，當聲壓達到空閥值時，分子之間的距離超過極限值，液態(tài)金屬介質結構完整性遭到破壞，從而形成孔洞[13]。

圖8 施加不同振幅超聲振動輔助試樣的氣孔數量及孔隙率Fig.8 Number and porosity of pores in the specimens ultrasonic vibration assisted with different amplitudes

2.3 超聲振動對力學性能的影響

圖9所示為施加不同振幅的超聲振動輔助試樣的抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率?？梢钥闯?，孔隙率的減少以及晶粒的細化使得抗拉強度和屈服強度提高了8.2%～16.3%。隨超聲振幅的增加，試樣抗拉強度呈先升高再降低的趨勢。當振幅為25 μm時，水平方向平均抗拉強度可達到135.2 MPa。但是當振幅為28 μm時，其抗拉強度與屈服強度明顯降低，這與其晶粒變大以及存在的粗大氣孔有關。通過計算發(fā)現，在施加超聲振動后，試樣抗拉強度的各向異性從4.4%降至3.1%。各向異性的減少主要是因為柱狀晶粒轉變?yōu)榈容S晶粒，其水平方向上的晶粒尺寸與垂直方向上的晶粒尺寸基本相同。但隨著振幅的增加，當振幅為28 μm時，各向異性上升至6.3%，這與其內部存在的氣孔以及晶粒粗化有關。從圖9(c)可以看出，與未施加超聲振動試樣相比，施加超聲振動輔助試樣在平行于熔覆方向上的斷后伸長率有所降低，最多下降了43.1%。垂直于熔覆方向的試樣其斷后伸長率由5.8%提升至9.3%，但隨著振幅的增加，其斷后伸長率也不斷減小。導致斷后伸長率發(fā)生變化的因素有：在施加超聲振動后，豎直向上生長的柱狀晶粒轉變?yōu)榈容S晶粒，晶粒尺寸的減小導致晶界的增多，為裂紋的擴展提供了路徑；氣孔在平行于豎直方向上的不同分布形式也會引起斷后伸長率發(fā)生變化。

圖9 施加不同振幅超聲振動輔助試樣的力學性能(a)抗拉強度；(b)屈服強度；(c)斷后伸長率Fig.9 Mechanical properties of the specimens ultrasonic vibration assisted with different amplitudes(a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

3 結論

1) 施加于基板的超聲振動引起熔池攪動，焊縫中的柱狀晶粒轉變?yōu)榧毿〉容S晶粒。當振幅為25 μm時，平均晶粒尺寸為15.4 μm。隨著振幅增加，超聲波在介質產生的能量也就越高，熱輸入的增高促使熔池內部的冷卻速度減緩，導致晶粒粗化。

2) 超聲振動的空化及聲流效應使熔池中的氣泡崩潰或向焊縫表面逸出，試樣中氣孔尺寸減小，孔隙率減少。但隨著振幅的加大，當聲壓達到空閥值時，液態(tài)金屬介質結構完整性遭到破壞，從而形成孔洞。當振幅為25 μm時，氣孔數量最低，與未使用超聲振動的試樣相比，氣孔數量減少了90%。

3) 施加超聲振動輔助使試樣的抗拉強度及屈服強度提高了8.2%～16.3%，抗拉強度的各向異性由原先的4.4%降至3.1%，但隨著振幅的逐漸加大，各向異性逐漸增大。斷后伸長率的各向異性隨著振幅的增加而逐漸減小。