倪加明 劉思余 陳夢凡

摘要：針對AZ80鎂合金CMT熔絲增材制造工藝，開展不同熔積電流對鎂合金直壁試樣成形特性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明，CMT熔絲增材熔積速度為10 mm/s時，熔積電流在85～125 A范圍內(nèi)可獲得成形良好的單道鎂合金直壁試樣，穩(wěn)定成形直壁高度比起弧、熄弧位置略高，高度偏差控制在2.6 mm以內(nèi);隨著熔積電流從85 A增至125 A，熔積層層間層高從2.39 mm減小到2.16 mm，而熔積層層寬則從8.61 mm增至14.23 mm;熔積電流過大或過小均會影響直壁試樣的表面粗糙度，熔積電流為105 A時表面粗糙度最小，粗糙度為0.16 mm。

關(guān)鍵詞：鎂合金;CMT熔絲增材;熔積電流;成形特征

0? ? 前言

鎂合金的密度很低、比強度和比剛度較高，是最輕的金屬材料之一，可作為結(jié)構(gòu)材料使用[1-3]。此外，鎂合金在自然界中的儲量非?？捎^，并且具有可再生性，能夠滿足社會對節(jié)能減排、綠色可持續(xù)發(fā)展的要求[4-5]。近年來，鎂合金已逐漸成為僅次于鋼鐵和鋁的結(jié)構(gòu)功能材料，鎂合金產(chǎn)量的增長率高達25%，應(yīng)用前景十分可觀[6-7]。目前鎂合金的生產(chǎn)方式主要包括鑄造工藝和塑性成形工藝。雖然鎂合金的鑄造性能較好，但鎂合金鑄件內(nèi)部存在夾渣、氣孔、疏松等缺陷，產(chǎn)品致密度較低，力學(xué)性能偏差較大，同時還面臨綠色環(huán)保的問題[8]。塑性成形工藝雖然可以獲得力學(xué)性能良好的鎂合金產(chǎn)品，但對尺寸有一定限制，無法完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體成形[9]。隨著我國航空航天及武器裝備等軍事領(lǐng)域的產(chǎn)品越來越趨向于材料輕量化、形狀復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)功能一體化，傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工工藝難以實現(xiàn)，因此急需尋找一種新方法來實現(xiàn)鎂合金結(jié)構(gòu)件的整體快速制造。

熔絲增材制造技術(shù)是通過逐層堆積的方法完成金屬構(gòu)件的直接成形，具有成本低、周期短、無需模具等特點[10-12]，能有效解決鎂合金塑性變形能力差的問題。與傳統(tǒng)的鑄造鎂合金和變形鎂合金相比，該方法可以直接完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成形，并達到節(jié)省材料與時間的目的[13-14]。已有學(xué)者針對鎂合金熔絲增材制造技術(shù)開展了相應(yīng)基礎(chǔ)試驗，獲得一定的研究成果。Han[15]等采用PAW增材工藝制備的AZ91D 鎂合金試樣表面存在斷續(xù)、駝峰等成形缺陷。Y Guo[16-17]等通過TIG熔絲增材工藝制備的鎂合金薄壁試樣兩端高度差較大。P Wang[18]通過工藝優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，CMT+Pulse工作模式制備的鎂合金熔敷層更有利于增材成形。倪加明團隊[19]前期針對AZ31鎂合金增材成形質(zhì)量控制進行研究，最終得到成形良好、表面平滑的直壁試樣。然而目前鎂合金熔絲增材制造技術(shù)尚未成熟，如何提高鎂合金增材成形質(zhì)量、獲得鎂合金增材成形規(guī)律，依舊是研究學(xué)者迫切需要解決的問題，需要大量基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)以進行深入探究。

文中采用CMT熔絲增材制造工藝進行鎂合金單道多層增材試樣的制備，研究在相同熔積速度條件下，熔積電流對鎂合金熔絲增材制造成形特征的影響，為鎂合金增材產(chǎn)品的推廣與應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用直徑1.2 mm的AZ80A鎂合金絲材為試驗材料，厚度為15 mm的AZ31B鎂合金板材作為基板。鎂合金絲材和板材的化學(xué)成分如表1所示，鎂合金絲材表面光滑。

1.2 試驗設(shè)備

采用6軸聯(lián)動的機器人熔絲增材制造系統(tǒng)進行增材試驗，該系統(tǒng)主要由ABB-IBR2600ID機器人、Fronius-CMT焊機、RA5000焊槍及2軸旋轉(zhuǎn)工作平臺構(gòu)成，如圖1所示。采用自行開發(fā)的CMT鎂合金電流特征曲線進行試驗，實現(xiàn)焊機對熔積電流和送絲速度的控制，以及機器人移動對熔積速度的調(diào)整。

1.3 試驗方法

采用CMT熔絲增材制造工藝，保持熔積速度不變，通過調(diào)整熔積電流來研究不同熔積電流對鎂合金增材成形特征的影響。采用往復(fù)循環(huán)路徑進行單道多層鎂合金薄壁試樣的制備，熔積電流為75～135 A，熔積速度為10 mm/s，層間間隔為45 s，焊槍送絲嘴與基板及試樣上表面的距離為15 mm，保護氣體為99.99%純氬，氣體流量為18 L/min，具體工藝參數(shù)如表2所示。成功制備的鎂合金試樣整體外觀尺寸約長190 mm、高110 mm。線能量為：式中 q為熱輸入;η為CMT電弧熱效率（80%）[20];I為熔積電流;U為熔積電壓;v為熔積速度。

試樣制備結(jié)束后，對7組鎂合金單道多層薄壁增材試樣的成形外觀進行觀察。使用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測量試樣高度和寬度，測量位置如圖2所示，并計算熔積層層間高度及寬度。在試樣中間區(qū)域選取橫截面觀察試樣，分析穩(wěn)定段的成形輪廓及表面粗糙度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熔積電流對成形外觀的影響

不同熔積電流的鎂合金單道多層增材試樣成形如圖3所示。熔積電流為85～125 A的試樣表面平整、兩端高度基本一致，無明顯增材缺陷。熔積電流為85 A的試樣表面平整度較差;熔積電流依次增加到105 A時，試樣表面平整度變好、層間紋路逐漸清晰、明確;熔積電流進一步增加，試樣層間紋路清晰度下降，125 A時試樣表面分層界線模糊不清，無法分辨。分析認(rèn)為，熔積電流較小時熔化金屬無法得到充分鋪展，導(dǎo)致熔積層形狀穩(wěn)定性較差;當(dāng)熔積電流增加時，熔化金屬鋪展性和流動性提升，熔積層形狀得到改善;同時熔積電流增加、送絲速度也隨之增加，單位時間內(nèi)的熔化金屬量增加，過多的熔化金屬極易導(dǎo)致熔池流淌、熔積層坍塌現(xiàn)象，不利于試樣成形。結(jié)果表明，熔積電流為105 A時，制備的鎂合金電弧熔絲增材直壁試樣成形外觀最佳。

熔積電流為75 A和135 A時，制備的試樣側(cè)表面及上表面如圖4所示。增材過程中，2組試樣上表面均出現(xiàn)寬度不一致現(xiàn)象，無法完成單道多層薄壁試樣的制備。熔積電流75 A時的熱輸入較小（52.2 J/mm），導(dǎo)致熔化金屬的鋪展性和流動性較低，熔積層形狀變差、寬度出現(xiàn)較大波動，無法進行薄壁試樣的制備;而熔積電流135 A時的熱輸入過大（140.4 J/mm），層間熱量累積過多導(dǎo)致熔積層出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，且試樣表面存在飛濺，難以成形。

2.2 熔積電流對起弧、熄弧高度的影響

采用不同熔積電流增材成形的鎂合金薄壁試樣高度尺寸如圖5所示。中間穩(wěn)定區(qū)域高度一致性較好，略高于兩端起弧、熄弧位置。在熔積速度不變的條件下，CMT熔絲增材電流為85 A時，試樣上表面高度偏差最大，距離兩端起弧、熄弧15 mm處存在凹坑，最大高度偏差為4.1 mm。熔積電流95～125 A時，試樣上表面高度偏差控制在2.6 mm以內(nèi);且電流大于105 A后，高度偏差隨熔積電流增加呈略微下降趨勢，125 A試樣最大高度偏差為1.8 mm。熔積電流較小時，熄弧點處熔化的液態(tài)金屬流動性較差、表面張力也較小，使起弧點與熔積層中間段存在尺寸偏差，而熄弧處受熱量累積的影響，金屬流動性增強、成形得到改善，而往復(fù)循環(huán)的路徑使起弧點與熄弧點交替出現(xiàn)在試樣兩端，能夠有效改善試樣的成形質(zhì)量。電流增加時，熄弧點處熱輸入也增加，熔化金屬流動性變好使起弧點與熔積層中間段尺寸偏差大幅減小，試樣較為平整。

2.3 熔積電流對熔積層尺寸的影響

不同熔積電流鎂合金熔絲增材試樣熔積層尺寸如圖6所示。隨熔積電流從85 A增至125 A，試樣的熔積層層間層高從2.39 mm降至2.16 mm，呈下降趨勢;而熔積層層寬從8.61 mm增至14.23 mm，呈上升趨勢。由于鎂合金流動性較差，熔積電流越小線能量也越小，導(dǎo)致熔化的鎂合金無法獲得較好的鋪展性和流動性，發(fā)生快速凝固，因而鎂合金增材試樣熔積層層間層高隨熔積電流的增加呈下降趨勢。而熔積電流增加，送絲速度和線能量都隨之增加，使熔化金屬的含量增加、流動性也得到提升，最終液態(tài)鎂合金能夠得到較好的鋪展，獲得較大的熔積層層寬。即在熔積速度不變的條件下，隨CMT熔絲增材熔積電流的增加，鎂合金試樣寬度呈上升趨勢。

2.4 熔積電流對表面粗糙度的影響

通過將試樣橫截面照片進行圖像二值化處理及截面輪廓曲線提取，得到CMT熔絲增材工藝成形的鎂合金增材試樣截面如圖7所示。對比圖中不同熔積電流鎂合金試樣輪廓曲線發(fā)現(xiàn)，熔積電流為105 A時，試樣側(cè)壁邊緣較直且較為平滑;熔積電流減小或增大，試樣側(cè)壁邊緣左右波動均會加劇，其中125 A試樣右側(cè)中下部邊緣波動最為突出。主要原因是熔積電流較大時，熔積層制備時底部試樣略窄，無法支撐熔化金屬，發(fā)生流淌導(dǎo)致側(cè)壁波動較大。而熔積電流較小時，試樣表面平整度較差、存在較大波動，也會影響側(cè)壁平滑度。

進行試樣表面粗糙度R[21]為熔積電流對鎂合金試樣表面粗糙度的影響如圖8所示。熔積速度不變，熔積電流為85～125 A時，105 A試樣表面粗糙度最低，僅為0.16 mm;電流低于105 A時的表面粗糙度略高;85 A和95 A試樣表面粗糙度平均值分別為0.20 mm和0.23 mm。熔積電流高于105 A時，試樣表面粗糙度隨電流增加而增加，105 A試樣的表面粗糙度達0.3 mm，這與熔化金屬含量及線能量增加有關(guān)，過多的液態(tài)金屬使熔池流淌、影響表面粗糙度。結(jié)果表明，熔積電流過大或過小均會影響鎂合金熔絲增材薄壁試樣的表面粗糙度。

3 結(jié)論

（1）采用熔積速度10 mm/s、熔積電流85～125 A時，CMT熔絲增材工藝可獲得表面平整度好的單道多層鎂合金直壁。

（2）熔積電流從85 A增至125 A時，鎂合金熔絲增材試樣熔積層層間高度從2.39 mm減至2.16 mm，而熔積層層寬則從8.61 mm增至14.23 mm。

（3）CMT單道多層鎂合金試樣中間穩(wěn)定區(qū)域高度略高于兩端起熄弧位置，熔積電流95～125 A試樣上表面高度偏差控制在2.6 mm以內(nèi)。

（4）熔積電流過大或過小均會影響試樣的表面粗糙度，105 A試樣表面粗糙度最小、側(cè)壁邊緣平滑，粗糙度為0.16 mm。

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