黃仕程， 黃一鳴, 2*， 楊立軍*， 袁 炯， 林智雄， 趙曉燕

1. 天津大學材料科學與工程學院， 天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室， 天津 300350

2. 哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

增材制造技術因降低生產(chǎn)時間和成本， 減少材料浪費等優(yōu)點受到航空航天、 軍事、 汽車、 國防、 建筑等領域廣泛關注[1]。 金屬增材制造技術以金屬絲材或粉末為原料， 其熱源主要有電子束、 激光和電弧[2]。 絲材電弧增材制造技術(wire arc additive manufacturing, WAAM)是以金屬絲材為原料， 電弧為熱源的直接能量沉積技術， 避免了粉末的回收， 提高了沉積效率[3-4]。 WAAM工藝主要有TIG(tungsten inert gas)增材制造、 MIG(metal inert gas)增材制造、 CMT(cold metal transfer)增材制造和PAW(plasma arc welding)增材制造， 這些工藝均以一層一層的方式來熔化絲材沉積金屬[5]。 以脈沖TIG電弧為熱源的WAAM， 能夠在脈沖電流峰值熔化焊絲， 在脈沖電流基值降低熱輸入， 參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣， 熱輸入控制靈活， 便于精確控制成形質量[6-7]。 實心焊絲常用于TIG-WAAM， 但藥芯焊絲中包含更多金屬元素， 冶金反應豐富， 絲材成分調(diào)控靈活[8]， 得到的成形件質量好， 熔敷金屬有更好的工藝性能和力學性能。

在藥芯焊絲脈沖TIG-WAAM過程中， 薄壁成形件側壁無約束， 出現(xiàn)電弧“騎”在成形件兩側的現(xiàn)象， 電弧形狀不同于一般的TIG電弧， 像是倒“Y”形， 稱之為倒Y形電弧。 倒Y形電弧對成形件兩側均有加熱作用， 相比焊接過程的電弧約束條件差異較大， 對成形有著重要影響。 此外， 由于送絲角度不當或前一道熔敷層成形不良等因素的影響， 造成倒Y電弧發(fā)生偏移， 電弧僅騎在成形件一側， 導致成形質量變差， 還影響熔敷過程穩(wěn)定性。 因此研究倒Y形電弧的物理特征具有重要意義， 為進一步研究WAAM過程穩(wěn)定性提供理論支撐。

倒Y形電弧是電弧增材制造的重要特征， 與一般電弧有明顯區(qū)別， 但目前對倒Y形電弧物理特征的研究極少得到關注。 本研究擬展開此方面的研究， 利用光譜信號和電信號對正常倒Y形電弧及偏移的倒Y形電弧的溫度分布特征和電信號變化特點進行分析研究， 研究結果對于建立WAAM新的熱源模型和WAAM的過程監(jiān)控具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 裝置及參數(shù)

藥芯焊絲脈沖TIG-WAAM試驗采用YC-400TX型TIG焊機， 采用THY-51A藥芯焊絲， 以Q235為基板得到了約7 mm厚的薄壁成形件， 試驗參數(shù)如表1所示。 脈沖電流的頻率約3 Hz, 占空比約60%， 弧長為5 mm， 保護氣為20 L·min-1的純Ar。 試驗裝置示意圖如圖1所示， 主要由焊接系統(tǒng)、 送絲系統(tǒng)、 高速攝像采集系統(tǒng)、 光譜信號采集系統(tǒng)、 電信號采集系統(tǒng)組成， 圖中標出了X-Y-Z三維坐標方向。 利用PHOTRON FASTCAM Mini UX100型高速攝像拍攝熔滴過渡， 分辨率為1 280×616， 拍攝頻率為500幀·s-1。 采用的光譜儀為AvaSpec-3648-USB2-RM型光纖式數(shù)字光譜儀， 可測量范圍為440～720 nm。 電信號采集系統(tǒng)由霍爾電壓電流傳感器及外圍調(diào)理濾波電路、 PCIE1810采集卡組成， 并用labview編寫上位機電信號采集處理軟件。

表1 試驗參數(shù)

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 光譜診斷方法

利用光譜儀分別從平行(X方向)和垂直(Y方向)于焊槍移動方向進行采集。 光纖探頭固定在二維移動滑臺上進行電弧空間定點掃描。 規(guī)定在工件表面以上為正方向， 工件表面以下為負方向， 坐標零點位于鎢極軸線與已成形熔敷層的表面的交點處。 在X方向上， 采集示意圖如2(a)所示。 由于光纖探針在焊槍后側， 光纖探針和焊槍之間會增加一層1～1.5 mm的部分完成的熔敷層。 因此以鎢極軸線為中心， 分別沿左右方向采集， 距離工件表面(坐標原點所在平面)4.5， 3.5， 2.5和1.5 mm每層采集11個點， 點間距和層間距為1 mm。 落在工件兩側的電弧以鎢極軸線為中心， 距離鎢極軸線4 mm左右各采集3個點， 共掃描3層， 分別距離工件表面(坐標原點所在平面)0.5， -0.5和-1.5 mm， 點間距和層間距均為1 mm。 在Y方向上， 采集示意圖如2(b)所示， 以鎢極軸線為中心， 分別沿左右方向采集， 每層采集11個點， 點間距和層間距均為1 mm， 共掃描7層， 分別距離工件表面(坐標原點所在平面)4.5， 3.5， 2.5， 1.5， 0.5， -0.5和-1.5 mm。

圖2 不同方向光譜分層掃描示意圖

1.3 光譜診斷原理

1.3.1 LTE判斷

達到局部熱力學平衡(local thermodynamic equilibrium, LTE)狀態(tài)是進行諸如光譜診斷熱力學計算研究的前提， 有關研究[9]表明， 除了電弧邊緣區(qū)域外的電弧大部分區(qū)域處于LTE狀態(tài)。 但以往的研究面對的是有電(鎢)極和工件強烈約束的電弧， 電弧的自由擴展受到較大約束， 而倒Y形電弧拖曳部分[如圖2(a)]受到較小約束， 電弧擴展的邊緣區(qū)域溫度降低導致電離度下降。 可以推測， 倒Y形電弧拖曳部分會有區(qū)域因溫度降低而不滿足LTE條件。

基于上述考慮， 本研究擬對倒Y形電弧和偏移的倒Y形電弧拖曳部分進行LTE判斷， 確定符合LTE條件的區(qū)域。 Griem[10]提出的LTE判據(jù)如式(1)

(1)

1.3.2 Boltzmann圖法計算溫度

符合LTE條件的等離子體， 利用Boltzmann作圖法計算電子溫度的公式[式(2)]為[12]

(2)

圖3是試驗得到的范圍為440～490 nm的譜線， 發(fā)現(xiàn)Ar Ⅱ的454.501 6， 460.956 69， 473.590 55和484.780 95 nm這四條譜線分辨率高且線形較好， 將被用于Boltzmann圖法計算溫度。 計算采用譜線的光譜學參數(shù)如表2所示。

2 結果與討論

2.1 熔滴接觸過渡的高速攝像分析

熔滴過渡影響著電弧溫度場分布， 已有研究表明在藥芯焊絲TIG焊接過程中， 滴狀過渡的電弧溫度場畸變嚴重， 而接觸過渡的電弧溫度場扭曲較小[13]。 本研究拍攝了電弧與熔滴過渡的高速攝像， 確定試驗的熔滴過渡是渣柱和液橋兩種接觸過渡方式， 如圖4所示。

圖3 特征譜線標定

表2 Ar Ⅱ譜線的光譜學參數(shù)

圖4(a)中為渣柱過渡， 因藥芯滯熔產(chǎn)生渣柱， 鋼皮在脈沖電流峰值階段熔化形成熔滴， 圍繞渣柱運動， 逐漸增大隨焊絲送進， 渣柱與熔滴和熔池接觸形成過渡。 圖4(b)為液橋過渡， 未產(chǎn)生滯熔渣柱， 焊絲熔化直接與熔池表面接觸形成液橋， 形成連續(xù)過渡。 接觸過渡方式對電弧溫度分布仍將會有一定影響， 但整體上擾動較小保持電弧溫度一定的均衡分布， 將在后文論述。

2.2 電弧拖曳部分電子密度

試驗發(fā)現(xiàn)高分辨率的Ar Ⅱ 480.602 02 nm自吸收效應不明顯， 波峰較尖銳， 如圖5所示。 用Stark展寬[14]方法計算電子密度

(3)

式(3)中， Δλ是Lorentz擬合的半峰全寬，ω為電子碰撞系數(shù)， 文獻[15]給出了2 500， 5 000， 10 000和20 000 K四種溫度下的電子碰撞系數(shù)分別為0.047 6， 0.017 4， 0.006 87和0.003。 式(3)的計算并不需要滿足LTE條件， 但需要根據(jù)電弧溫度確定電子碰撞系數(shù)。 不過因為此時不知是否滿足LTE條件而無法利用光譜診斷方法計算電弧溫度， 故而可根據(jù)可能的電弧溫度范圍計算多種溫度下的電子密度。

電弧溫度一般在2 500～20 000 K范圍內(nèi)， 可利用式(3)計算電弧在2 500， 5 000， 10 000和20 000 K的電子密度來判定LTE條件。 按照圖2的點陣法采集到Ar Ⅱ 480.602 02 nm譜線， 計算X方向倒Y形電弧拖曳部分的電子密度， 將電子密度在1016cm-3左右及以上位置點(y,z)列入表3， 這些位置點基本符合或符合LTE條件。 可以發(fā)現(xiàn)， 這些位置點基本分布在側壁以外2 mm左右，Z方向0位置以下1.5 mm左右的電弧區(qū)間內(nèi)。

圖4 兩種典型的熔滴接觸過渡方式

圖5 Ar Ⅱ 480.602 02 nm輪廓圖

2.3 電弧溫度場分析

按照圖2點陣法得到光譜數(shù)據(jù)后， 利用Boltzmann作圖法計算擬合得到電弧的溫度分布。 由于在脈沖電流基值階段電弧面積小， 幾乎沒有形成倒Y形電弧， 因此只擬合在脈沖峰值電流階段的電弧溫度場。 與正常倒Y形電弧相比， 偏移的倒Y形電弧在X方向上差異顯著， 而在Y方向上差異不明顯， 因此在X方向上擬合了正常倒Y形電弧和偏移的倒Y形電弧的兩種溫度場， 在Y方向只擬合了正常倒Y形電弧的一種溫度場。

表3 電弧拖曳部分各溫度下電子密度

續(xù)表3

從X方向測得的電弧溫度場如圖6所示， 從Y方向測得的電弧溫度場如圖7所示。 在距離工件表面相同位置處， 從兩個方向得到的倒Y形電弧鎢極軸線處的溫度最高值均為14 000～16 000 K, 分布在鎢極端部下方0.5～1.5 mm范圍內(nèi)， 電弧拖曳部分的溫度大體在5 000～8 000 K范圍。

圖6 X方向上的電弧溫度場分布

圖6(a)是X方向上鎢極軸線與熔敷層中心重合得到的倒Y形溫度場， 由于陽極區(qū)(工件)附近的溫度不滿足LTE條件， 用間隙來表示。 倒Y形電弧等溫線關于鎢極軸線呈對稱分布。 熔敷層兩側的溫度在5 000～8 000 K。

圖6(b)是X方向上鎢極軸線向左偏移熔敷層中心1 mm得到的溫度場。 倒Y形電弧此時向左發(fā)生了偏移， 導致整個溫度場分布也向左偏移， 熔敷層右側邊緣幾乎沒有電弧出現(xiàn)。 在熔敷層以上的等溫線關于鎢極軸線近似呈對稱分布， 但靠近熔敷層， 左側溫度明顯高于右側溫度。

圖7是Y方向上鎢極軸線與熔敷層中心重合得到溫度場， 該溫度場出現(xiàn)一定程度的扭曲， 原因是熔敷過程中焊絲從鎢極前(左)側送入， 擾動電弧且吸收電弧熱量， 導致電弧的前(左)側的尺寸和溫度小于后(右)側的溫度， 符合前述高速攝像的關于接觸過渡檢測的結果。 在工件表面以下的電弧拖曳部分發(fā)生了收縮， 表現(xiàn)為圖中灰色區(qū)域不滿足LTE條件， 不能利用光譜診斷方法計算溫度， 可以推測此區(qū)域的溫度相對較低； 灰色區(qū)域實質上是高溫的電弧向低溫區(qū)域的一種延伸， 除了圖中灰色區(qū)域外， 電弧下部也出現(xiàn)和灰色區(qū)域LTE條件相同的延伸[參考圖2(b)]， 不妨將這種延伸稱之為電弧尾焰。

圖7 Y方向上的電弧溫度場

上述分析表明， WAAM過程中成形層側壁在較大電弧電流下也會受到電弧熱作用， 這與普通電弧作用有明顯不同， WAAM的電弧熱源建模范圍與普通電弧熱源也應有所不同。 同時， 電弧尾焰對下部成形層有一定的加熱和熱處理作用， 也應予以關注。

2.4 電信號特征分析-電弧偏移導致的能量變化

從上述光譜診斷分析可以看到， 電弧偏移后電弧溫度場發(fā)生變化， 兩側的側壁能量輸入不均衡， 但電弧能量是否發(fā)生變化也值得關注， 這需要從電弧電參數(shù)的變化展開研究。

利用圖1中的電信號采集系統(tǒng)采集電流和電壓信號， 由于采用的是恒流控制模式， 脈沖電流和基值電流都比較穩(wěn)定(如圖8所示)， 因此主要對電壓信號的變化進行分析。 圖9(a)和(b)分別是鎢極軸線與熔敷層中心重合， 鎢極軸線向左偏移熔敷層中心1 mm的電壓信號。

圖8 電流信號

圖9 鎢極軸線與熔敷層中心處于不同位置的電壓信號

鎢極軸線與熔敷層重合時電壓均值、 電壓基值均值、 電壓峰值均值分別為14.72， 12.34和16.33 V。 而鎢極軸線向左偏移熔敷層中心1 mm的電壓均值、 電壓基值均值、 電壓峰值均值分別為16.04， 13.68和17.36 V， 電壓值升高， 實際上相當于電弧長度被拉長。 與正常倒Y形電弧相比,偏移的倒Y形電弧的鎢極端部與熔池液面的距離增大約0.3 mm, 導致其電壓增大。 電壓信號的變化會造成電弧能量發(fā)生變化， 進一步影響熱流密度， 造成電弧各點溫度發(fā)生變化。

一般電弧熱源可視為經(jīng)典高斯面熱源， 如圖10所示， 距離電弧作用面中心r處的熱流密度q(r)如式(4)[16]

q(r)=qmexp(-kr2)

(4)

(5)

對于倒Y形電弧， 可將工件視為伸入電弧內(nèi)， 對工件表面以上的電弧熱流分布基本沒有影響， 為便于說明問題， 假定作用于工件表面的電弧熱流被工件接收， 因而工件側面的電弧熱流分布仍遵循式(5)的規(guī)律。 根據(jù)圖6的電弧溫度場發(fā)現(xiàn)， 正常倒Y形電弧和偏移的倒Y形電弧的R差異不大， 可近似認為相等。 以左側壁y=-4，z=0.5的位置為例， 與正常倒Y形電弧相比， 偏移的倒Y形電弧工件側壁處r減少了1 mm， 并且偏移的倒Y形電弧的均值電壓增大1.32 V， 由式(5)可知，r的減小和U的增大分別導致熱流密度q(r)增大約2～3倍和9%， 熱流密度增加可能使得偏移的倒Y形電弧在左側壁處溫度高于正常倒Y形電弧。 同理， 以右側壁y=4，z=0.5的位置為例， 與正常倒Y形電弧相比， 偏移的倒Y形電弧工件側壁處r增大了1 mm， 雖然U的增大導致q(r)增大約9%， 但r的增大導致q(r)減少約2～3倍， 總的熱流密度q(r)減少， 可能導致在工件右側壁位置相同點處偏移的倒Y形電弧的電弧溫度低于正常倒Y形電弧的溫度。 根據(jù)上述推測的側壁溫度變化與圖6的電弧溫度場展示的側壁處溫度變化是一致的。

圖10 熱源模型示意圖

當?shù)筜形電弧不偏移時， 工件兩側受熱均勻， 成形件挺直， 成形質量較好， 如圖11(a)所示。 當?shù)筜形電弧偏移時， 工件兩側受熱不均， 導致成形件傾斜， 成形質量較差， 如圖11(b)所示。

圖11 薄壁成形件

3 結 論

對藥芯焊絲脈沖TIG增材制造倒Y形電弧光電特性進行分析， 主要結論如下：

(1)在本研究條件下， 倒Y形電弧的拖曳部分有一部分區(qū)域(側壁以外2 mm左右，z方向0位置以下1.5 mm左右)符合LTE條件， 其溫度大約在5 000～8 000 K范圍內(nèi)； 拖曳電弧會延伸出電弧尾焰， 雖溫度較低， 不滿足LTE條件， 但仍應關注電弧尾焰對側壁的加熱和熱處理作用。

(2)光譜診斷結果表明， 在X方向， 當鎢極軸線與熔敷層中心重合時， 形成的倒Y形電弧溫度場關于鎢極軸線對稱分布。 當鎢極軸線偏移熔敷層中心左側1 mm時， 倒Y形電弧向左發(fā)生了偏移， 其溫度場分布也向左偏移。 在Y方向上， 倒Y形電弧前側的溫度和尺寸均低于后側， 電弧拖曳部分發(fā)生了收縮。

(3)與正常倒Y形電弧相比的電壓信號相比， 偏移的倒Y形電弧的電壓均值、 基值電壓均值、 峰值電壓均值均增大， 側壁受熱變化不僅與電弧軸線位置變化有關， 還與電弧能量變化有關。 根據(jù)電信號結合高斯熱源模型進行分析， 由于溫度場偏移和電弧能量增加， 在成形件左側壁相同的位置點處， 偏移的倒Y形電弧的熱流密度和溫度大于正常倒Y形電弧。 在成形件右側壁相同的位置點處， 偏移的倒Y形電弧的熱流密度和溫度小于正常倒Y形電弧。 這種變化與光譜診斷的電弧溫度場偏移變化是一致的。

(4)正常的倒Y形電弧較偏移的倒Y形電弧溫度場分布對稱， 穩(wěn)定性更好， 使成形件兩側受熱更均勻。 這對于建立WAAM新的熱源模型和WAAM的過程監(jiān)控具有重要意義。