胡青松，閆朝陽，章朋田，陳樹君

(1.北京工業(yè)大學,汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心,北京,100124；2.中國空間技術研究院,北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京,100124)

0 序言

WAAM采用電弧為熱源，將金屬絲材熔化并逐層堆積直至零件成形.WAAM即屬于先進焊接與連接成形制造中堆焊技術的衍生又明顯區(qū)別于堆焊，是無約束狀態(tài)的自由立體成形技術.由于傳統(tǒng)熱源的傳熱、傳力和傳質具有深度的耦合性，在WAAM過程中，熱擴散隨著增材層數的增加，熱傳導由向工件進行轉變至向周圍空氣進行，當熱源傳熱恒定時增材件的熱積累造成熔池坍塌，成形精度降低等嚴重問題[1].以往的加工過程通過降低熱源的熱輸入以滿足沉積精度，而造成沉積效率的損失.亟需能夠實現熱質力解耦控制以滿足各沉積層熱質需求的新方法，以兼顧WAAM的高質量和高效率.

近年來，多電極電弧克服了傳統(tǒng)熱源在傳熱，傳質和傳力方面的固有約束，具有良好的發(fā)展前景.旁路電極焊接(DE-GMAW)[2]，旁路耦合變極性等離子弧焊接(DB-MIG)[3]，分體等離子弧旁路耦合雙絲間接電弧焊接(BC-TWIAW)[4-7]等方法均通過分流流經工件的電流以減小熱輸入，均通過多焊槍耦合，一支分路控制工件熱輸入，另一支分路可以控制焊接過程中的傳質.該類方法雖然提高了熔覆率并降低了母材熱輸入，但是無法完成熱質力解耦控制.交叉耦合電弧[8]、斜交差耦合電弧[9-11]在電極和工件之間建立主電弧，主要決定工件的熱、力輸入，絲間電弧在兩根焊絲之間燃弧，與工件沒有電氣連接，主要用來控制傳質并補充工件的部分熱輸入.然而，交流間接電弧在極性變換瞬間會引起主弧擺動的特定極區(qū)效應，對電弧形態(tài)，絲材熔化和過渡等方面產生影響，進而影響焊接與WAAM過程的穩(wěn)定性.

該研究在上述多電極電弧熱源的基礎上提出一種新型等離子弧熔絲增材制造工藝方法：極性變換自適應分流交替電弧WAAM工藝方法，利用交替電弧解耦電弧的傳熱、傳力和傳質以解決WAAM過程的熱積累嚴重的問題.與此同時，沉積效率降低的問題得到有效解決.首先搭建試驗系統(tǒng)，驗證該方法的適用性；其次進行單一變量試驗，探究不同焊接參數對電弧行為、熔滴過渡以及沉積層形貌的影響.最后對比 VPPA-WAAM技術來分析自適應分流交替電弧WAAM的特點，并闡述了極性變換自適應分流交替電弧兼?zhèn)涞蜔彷斎牒透呷鄹猜实膬?yōu)勢.該創(chuàng)新性方法可拓展金屬WAAM的應用前景，改變WAAM過程中熱質力不可按需調控以及形性不可在線調節(jié)的現狀，在一定程度上提高等離子弧/電弧增材制造的適用性和可制造性，具有重要的研究意義和實用價值.

1 試驗方法

圖1為極性變換自適應分流交替電弧WAAM工藝的系統(tǒng)示意圖，由一臺變極性電源，等離子焊槍，冷卻水箱，送絲機，保護氣和離子氣組成；配備六軸機器人系統(tǒng)實現焊槍的運動.

圖1 WAAM系統(tǒng)示意圖Fig.1 WAAM experimental diagram

變極性電源一極連接在等離子焊槍上，另一極通過并聯的方式連接在工件和焊絲上.在焊絲和工件的通路上放置兩個大容量二極管，利用二極管的截止作用在3個電極中產生交替電弧，變極性電源的直流正接(direct current electrode negative,DCEN)階段為焊絲-鎢極電弧，直流反接(direct current electrode positive,DCEP)階段為鎢極-工件電弧.在WAAM過程中，焊絲與工件之間的距離為8 mm，焊槍與工件之間的距離為10 mm，采用直徑為1.6 mm的ER-2319鋁合金焊絲，表1為ER-2319鋁合金焊絲化學成分.

表1 ER-2 319焊絲的化學成分Table 1 Chemical compositions of ER-2 319 wire

工件選用規(guī)格為200 mm × 200 mm × 6 mm的5052鋁合金；表2為工件的化學成分，保護氣和離子氣成分均為純氬氣(99%)，離子氣流量為1.5 L/min，保護氣流量為12 L/min.

表2 5052工件的化學成分Table 2 Chemical compositions of substrate

將焊絲送到噴嘴正下方，打開變極性電源的維弧開關，噴嘴與鎢電極之間形成轉移弧，以便更好地在鎢電極和焊絲之間形成直流非轉移弧.因為在DCEN階段電流從焊絲流到鎢電極，如果焊絲與鎢電極距離較遠則不能成功起主弧，所以在即將起主弧時，需要先送絲，而后打開變極性電源的主弧開關.采用高速攝像系統(tǒng)在電弧的正面進行拍攝，來采集WAAM過程中的電弧行為和熔滴過渡過程，高速攝像設備為英國iX公司的型號為i-speed 7-716的高速攝像機，每秒的幀數設置為5 000張，曝光時間為1 μs.采用兩只霍爾傳感器分別測量流經焊絲的電流和流經工件的電流，通過同步采集的方式記錄WAAM過程中交替電弧的電流電壓等電信號和圖像信號.

2 結果與討論

2.1 電弧行為與熔滴過渡

該研究提出了新型WAAM工藝方法，即極性變換自適應分流交替電弧WAAM工藝方法.定義DCEN階段的電弧為主電弧，DCEP階段的電弧為從電弧.在變極性電源的DCEN階段，電流從焊絲流向鎢極，主電弧在焊絲與鎢極之間燃燒，當極性轉換到DCEP階段，電流從鎢極流向工件，從電弧在鎢極與工件之間燃燒.在變極性電源的DCEN階段，在利用陽極產熱熔化焊絲的同時，利用電弧等離子體的熱輻射加熱工件，滿足工件所需熱量的同時增加熔覆率；變極性熱源的極性轉變后，利用電極轉換瞬間的沖擊力造成熔滴受迫脫離，在保留陰極清理工件氧化膜的同時，利用電弧弧柱區(qū)的熱量繼續(xù)加熱焊絲，并在極性轉回到DCEN階段時完成焊絲熔滴弱動量過渡.從電弧的電弧力促進上個周期過渡到工件的熔滴向熔池組裝的過程如圖2所示.DCEN和DCEP階段電弧行為如圖3所示，在DCEN階段，電子從陰極流向陽極焊絲；在DCEP階段，電子從工件流向鎢極.圖4為高速攝像機在WAAM過程中拍攝的電弧行為與熔滴過渡圖像.圖5為測得的電弧電流數據，DCEN階段電流大小為90 A，DCEP階段電流大小為-250 A.表3為此焊接參數，在電流圖像中發(fā)現放置在分路上的兩只大容量二極管起到了截止電流的作用；在DCEN階段，流經焊絲上的電流大小為90 A，流經工件上的電流為0 A；在DCEP階段，流經焊絲上的電流為0 A，流經工件上的電流為250 A；由此可驗證電路連接的可行性，達到了預定的目標.

表3 WAAM的焊接參數Table 3 Welding parameters of WAAM

圖2 WAAM 原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of WAAM

圖3 電弧行為Fig.3 Arc behavior.(a) DCEN;(b) DCEP

圖4 WAAM單周期高速攝像圖Fig.4 One cycle of high speed images of the whole WAAM process

圖5 電弧的電流數據Fig.5 Arc current data

在DCEN階段，焊絲在電阻熱，陽極效應產熱，電弧的熱傳導和熱輻射的加熱作用持續(xù)熔化，焊絲前端的熔滴持續(xù)長大.同時電弧等離子體的熱輻射加熱工件，變極性電源極性轉換到DCEP階段后，電弧在鎢極和工件之間燃燒.在極性轉換瞬間的沖擊力，電磁力，等離子流力和重力的共同作用下，熔滴克服表面張力的影響向下受迫脫落，熔滴脫落后電源極性轉換到DCEN階段.此時熔滴僅受到重力的作用而實現了熔滴的弱動量過渡，與傳統(tǒng)變極性等離子弧增材制造不同.熔滴脫離焊絲向工件過渡，在下個電流周期的DCEP階段，在電弧力和表面張力梯度的共同作用下實現熔池的組裝.在此焊接參數下，熔滴呈一脈一滴的模式實現過渡，過渡頻率為55 Hz.

2.2 焊接速度對沉積層形貌的影響

為研究不同焊接速度對沉積層形貌的影響，通過控制其他焊接參數不變，觀察不同焊接速度下各沉積層的形貌.表4為不同焊接速度試驗的焊接參數.

表4 不同焊接速度下的焊接參數Table 4 Welding parameters under different travel speeds

圖6為不同焊接速度的單層沉積層形貌和對應的熔滴過渡，在焊接速度為2.7 mm/s和焊接速度為4.1 mm/s時得到的沉積層形貌成魚鱗狀.其原因為焊接速度較小，單位距離內的傳遞金屬質量較大，導致在熔池組裝時出現了熔滴累積的現象，當高速攝像中變極性熱源在極性轉換為DCEP階段時，并沒有足夠大的力實現熔滴脫落.兩者焊絲前端位置并不處在電弧弧柱區(qū)，原因是在該焊接速度下，單位空間內電弧熱量提高，焊絲在弧柱區(qū)受到的熱量高于焊絲熔化所需的熱量；焊絲的熔化速率變快，焊絲相對于電弧向后移動，遠離弧柱區(qū)的電弧力較小，焊絲前端熔滴所受到的合力并不能使其脫離焊絲，直到在多個周期后，熔滴體積大到與工件接觸實現熔滴的搭橋過渡.

圖6 不同焊接速度下沉積層形貌和熔滴過渡Fig.6 Morphology of deposited layer and droplet transfer at different welding speeds.(a) 2.7 mm/s;(b) 4.1 mm/s;(c) 5.7 mm/s

當焊接速度為2.7 mm/s和4.1 mm/s時，沉積層并不能滿足WAAM的要求，原因是該焊接參數下沉積層表面粗糙度較高，導致后續(xù)層沉積過程中弧長會持續(xù)變化，WAAM過程不穩(wěn)定.當焊接速度為5.7 mm/s時沉積層形貌光滑，無明顯缺陷.表面粗糙度較低說明在WAAM過程中單位距離內傳遞金屬質量與工件所需要的金屬質量相等.在對應的高速攝像圖像中發(fā)現焊絲前端在電弧弧柱區(qū)內，熔滴在相同位置實現過渡，原因是單位空間內焊絲受到的熱量輸入與焊絲熔化所需的熱量相等，焊絲位置保持不變，可實現一脈一滴過渡.同時工件上單位長度所需的金屬質量與熔滴質量相等，形成了表面粗糙度較低的沉積層.

2.3 絲材高度對沉積層形貌的影響

為研究不同絲材高度對沉積層形貌的影響，通過控制其他焊接參數不變，觀察不同絲材高度下各沉積層的形貌，表5為不同絲材高度試驗的焊接參數.

表5 不同絲材高度下的焊接參數Table 5 Welding parameters under different wire heights

圖7為不同絲材高度下得到的單層沉積層形貌，所得到的沉積在對應的電弧圖像中，當絲材高度為2 mm和4 mm時絲材高度較小，在變極性電源極性轉換到DCEP階段時，熔滴受迫向下運動而均可接觸到工件實現搭橋過渡；當絲材高度為8 mm時，熔滴過渡形式為大滴過渡，過渡頻率為一脈一滴.層形貌均連續(xù)光滑，無明顯缺陷.當絲材高度為6 mm時，在DCEN階段熔化的熔滴在變極性電源極性轉換后受迫向下運動，與此同時由于DCEP階段的電弧力作用使工件上且在電弧軸線下方的液態(tài)金屬沿熔池表面向凝固側流動，具體熔滴過渡的高速攝像圖像如圖8所示.焊絲前端的熔滴與工件上的熔池相接觸，焊絲端的熔滴不是通過搭橋通路進入熔池中，而是形成大量飛濺進入熔池中，該過渡形式并不穩(wěn)定且處于在滴狀和搭橋過渡之間.

圖8 絲材高度6 mm的高速攝像圖Fig.8 High speed images at wire height of 6 mm

2.4 自適應分流交替電弧與傳統(tǒng)VPPA的對比

圖9為VPPA-WAAM與自適應分流交替電弧WAAM在相同的焊接參數下得到的單層沉積層，在該焊接參數下，自適應分流交替電弧WAAM可以較好的完成熔滴與工件的組裝.傳統(tǒng)VPPAWAAM并未得到完整連續(xù)的沉積層，主要因為該模式下絲材受熱依靠電弧熱輻射和熱傳導，即使熱源參數一致，該模式的絕大部分熱量依然可以傳遞至工件，所以不能較好的完成沉積層成形；該單沉積層中熔滴微元尺寸變化較大，原因是熔滴過渡頻率不規(guī)律；在圖9(b)中可觀察到，大量熔滴微元并未組裝進入熔池，原因是絲材未充分熔化，不能與工件浸潤而形成的飛濺.圖10為傳統(tǒng)VPPA-WAAM采用與自適應分流交替電弧相同的焊接參數，拍攝的高速攝像圖像，焊絲前端熔滴體積較大，原因是在上個變極性周期中熔滴不是向工件過渡，而是停留在焊絲上.

圖9 WAAM沉積層宏觀形貌Fig.9 Macroscopic morphology of WAAM deposition layers.(a) adaptive shunt alternating arc WAAM;(b) traditional VPPA

圖10 傳統(tǒng) VPPA-WAAM的高速攝像圖Fig.10 High speed images of traditional VPPA-WAAM

當極性轉換到DCEP階段后，熔滴不是立即脫離焊絲而是在極性轉換到DCEN階段后脫離焊絲.變極性電源在極性轉換時的沖擊力和電弧力并沒有促進熔滴過渡，熔滴僅依靠力的慣性持續(xù)向下運動，并在以重力為主導的情況下實現過渡.與自適應分流交替電弧WAAM工藝方法不同的是，在傳統(tǒng)VPPA-WAAM過程中，熔滴溫度較低能提高熔滴的表面張力[12].導致熔滴在DCEP階段受到力的作用，而不能克服表面張力來實現熔滴過渡，熔滴依靠慣性脫離焊絲來阻礙熔滴進入熔池，該現象造成了沉積層并不連續(xù)且有較多的飛濺.在相同焊接參數下，與自適應分流交替電弧WAAM電弧相比，在1個電流周期內的傳統(tǒng)VPPA無法提供足夠的熱量來熔化焊絲，不規(guī)律的熔滴過渡頻率，造成了連續(xù)光滑的沉積層難以形成.

將圖11中兩種方法的受熱模型對比，可知在圖11(a)自適應分流交替電弧WAAM工藝方法中，焊絲熔化所需的熱量主要來源于電弧熱輻射，熱傳導和加在焊絲上的電流所帶來的電阻熱以及作用在焊絲端部的陽極效應能；在DCEN階段，焊絲作為電極所受的熱量為以上三部分之和.在DCEP階段，焊絲不作為電極，此時的熱量僅來源于電弧熱輻射和熱傳導.在如圖11(b)的傳統(tǒng)VPPA中，DCEN階段和DCEP階段焊絲熔化所需的熱量均來源于電弧熱輻射和熱傳導，因此在傳統(tǒng)VPPA的焊絲受到的熱量遠低于在自適應分流交替電弧WAAM的焊絲受到的熱量.電源參數相同時，傳統(tǒng)VPPA的焊絲接受的熱量不足以完全熔化焊絲，以致得到的增材層并不連續(xù).自適應分流交替電弧不但可以增大焊絲端傳熱以增加熔覆率，而且可以依靠EN/EP極性比、占空比等解耦WAAM過程中的熱質力傳輸.

圖11 WAAM傳熱模型Fig.11 WAAM heating transfer model.(a) adaptive shunt alternating arc;(b) traditional VPPA

3 結論

(1)驗證了極性變換自適應分流交替電弧WAAM工藝的可行性，可以實現無明顯缺陷的單道沉積層打印.

(2)焊接速度對極性變換自適應分流交替電弧的電弧行為和熔滴過渡影響較大，當焊接速度為5.7 mm/s時，熔滴過渡頻率為一脈一滴，沉積層形貌良好.

(3)絲材高度是影響極性變換自適應分流交替電弧WAAM沉積層形貌的重要因素，當絲材高度為2～4 mm時，熔滴過渡為搭橋過渡；當絲材高度為8 mm時，熔滴過渡為周期性，規(guī)律性的過渡大滴過渡；當絲材高度介于4 mm和8 mm之間時，熔滴過渡為滴狀和搭橋過渡之間.

(4)絲材高度是影響極性變換自適應分流交替電弧在DCEN階段(絲材為陽極)，絲材的熔化效率大幅度提高，同時母材熱輸入減??；且可以滿足高精度控形，低損傷控性的要求.