熔敷电流对镁合金CMT熔丝增材成形特征的影响

来源：第三届航空航天增材制造大会优秀论文集章节内容
作者：刘思余 陈梦凡 柯林达 沈泳华 程鹏
作者单位：航天八院800所

导读：采用CMT熔丝增材制造工艺进行相同熔敷速度、不同熔敷电流单道多层镁合金试样的制备，研究熔敷电流对镁合金成形特征的影响规律。结果表明，CMT熔丝增材熔敷速度为10mm/s时，熔敷电流在85A~125A范围内可成形表面平整度好的单道多层镁合金试样，105A时成形外观最佳；试样中间稳定区域高度略高于两端起、熄弧位置，熔敷电流为95A~125A时可将高度偏差控制在2.6mm以内；随熔敷电流从85A增加到125A时，熔敷层层间层高从2.39 mm减小到2.16 mm，而熔敷层层宽则从8.61 mm增加到14.23 mm；熔敷电流过大或过小均会影响试样的表面粗糙度，105A试样表面粗糙度最小、侧壁边缘平滑，粗糙度为0.16 mm。

镁合金密度小，仅为1.78~1.83g/cm3，约是钢材的四分之一、铝合金的三分之二。同时镁合金还具有较高的比强度和比刚度，以及良好的减震性、机械加工性和可回收性，是一种公认的绿色环保工程结构材料。近年来，镁合金已逐渐成为仅次于钢铁和铝的结构功能材料，镁合金产量的增长率高达25%，应用前景十分可观。目前镁合金的生产方式主要包括铸造工艺和塑性成形工艺。虽然镁合金的铸造性能较好，但镁合金铸件内部存在夹渣、气孔、疏松等缺陷，产品致密度较低，力学性能偏差较大，同时还面临绿色环保的问题。塑性成形工艺虽然可以生产力学性能良好的镁合金产品，但对尺寸有一定限制，无法完成复杂结构件的整体成形。随着我国航空航天及武器装备等军事领域的产品越来越趋向于材料轻量化、形状复杂化和结构功能一体化，传统的生产加工工艺难以实现，因此急需寻找一种新方法来实现镁合金结构件的整体快速制造。

熔丝增材制造技术可以通过逐层堆积的方法完成金属构件的直接成形，具有成本低、周期短、无需模具等特点，能有效解决镁合金塑性变形能力差的问题。与传统的铸造镁合金和变形镁合金相比，该方法不仅可以直接完成复杂结构件的一体化成形，还能够同时达到节省材料与时间的目的。已有学者针对镁合金熔丝增材制造技术开展相应基础试验，获得一定的研究进展。Han等采用PAW增材工艺制备的AZ91D 镁合金试样表面存在断续、驼峰等成形缺陷。Y Guo等通过TIG熔丝增材工艺制备的镁合金薄壁试样两端高度差较大。P Wang通过工艺优化发现，CMT+Pulse工作模式制备的镁合金熔敷层更有利于增材成形。本文作者前期针对AZ31镁合金增材成形质量控制进行研究，最终得到成形良好、表面平滑的直壁试样。然而目前镁合金熔丝增材制造技术尚未成熟，如何提高镁合金增材成形质量、获得镁合金增材成形规律，依旧是各国研究学者迫切需要解决的问题，需要大量基础研究数据以进行深入探究。

本文采用CMT熔丝增材制造工艺进行镁合金单道多层增材试样的制备，研究相同熔敷速度条件下，熔敷电流对镁合金熔丝增材制造成形特征的影响，为镁合金增材产品的推广与应用提供技术依据。

1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验采用直径为1.2mm的AZ80镁合金丝材为试验材料，厚度为15mm的AZ31镁合金板材作为基板。所用镁合金丝材和板材的化学成分符合GB/T 5153标准要求。镁合金丝材表面光滑、无打弯，可保证电弧熔丝增材试验的稳定性。

1.2 试验设备
采用6轴联动的机器人熔丝增材制造系统进行增材成形试验，该系统主要由ABB-IBR2600ID机器人、Fronius-CMT焊机、RA5000焊枪及2轴旋转工作平台构成。采用自行开发的CMT镁合金特征曲线进行试验，通过焊机对熔敷电流和送丝速度进行控制，通过机器人对熔敷速度进行控制。

1.3 试验方法
采用CMT熔丝增材制造工艺，保持熔敷速度不变，通过调整熔敷电流来研究不同熔敷电流对镁合金增材成形特征的影响。采用往复循环路径进行单道多层镁合金薄壁试样的制备，熔敷电流为75 A~135 A，熔敷速度为10 mm/s，层间间隔为45 s，焊枪送丝嘴与基板及试样上表面的距离为15 mm，保护气体为99.99 %纯氩，气体流量为18 L/min，具体工艺参数见表1。成功制备的镁合金试样整体外观尺寸约长190mm、高110mm。线能量主要由下式求得：

式中q为热输入、η为CMT电弧的热效率（80%）[20]、I为熔敷电流、U为熔敷电压、v为熔敷速度。

表1 变化工艺参数

试样制备结束后对7组镁合金单道多层薄壁增材试样的成形外观进行观察。使用精度为0.02mm的游标卡尺对试样高度和宽度进行测量，并计算熔敷层层间高度及宽度，高度和宽度测量位置如图1。在试样中间区域选取横截面观察试样，分析稳定段的成形轮廓及表面粗糙度。

图1  成形尺寸测量方法

2 实验结果与分析

2.1 熔敷电流对成形外观的影响
5组不同熔敷电流的镁合金单道多层增材试样成形如图2所示。熔敷电流为85A~125A试样的表面平整、两端高度基本一致，无明显增材缺陷。熔敷电流85A试样表面平整度较差；熔敷电流依次增加到105A时，试样表面平整度变好、层间纹路逐渐清晰、明确；熔敷电流进一步增加，试样层间纹路清晰度下降，125A试样表面分层界线模糊不清，无法分辨。分析认为，熔敷电流较小时熔化金属无法得到充分铺展，导致熔敷层形状稳定性较差；当熔敷电流增加时，熔化金属铺展性和流动性提升，熔敷层形状得到改善；同时熔敷电流增加送丝速度也随之增加，单位时间内的熔化金属量增加，过多的熔化金属极易导致熔池流淌、熔敷层坍塌现象，不利于试样成形。结果表明，熔敷电流为105A时，制备的镁合金电弧熔丝增材试样成形外观最佳。

图2  不同熔敷电流镁合金试样成形

熔敷电流为75A和135A时制备的试样侧表面及上表面如图3。增材过程中，2组试样上表面均出现宽度不一致现象，无法完成单道多层薄壁试样的制备。熔敷电流75A时的热输入较小（52.2 J/mm），导致熔化金属的铺展性和流动性较低，熔敷层形状变差、宽度出现较大波动，无法进行薄壁试样的制备；而熔敷电流135A时的热输入过大（140.4 J/mm），层间热量累积过多导致熔敷层出现坍塌现象，且试样表面存在飞溅，难以成形。

（a）熔敷电流75A

（b）熔敷电流125A

图3  75A和135A制备的试样成形

2.2 熔敷电流对起熄弧高度的影响
采用不同熔敷电流增材成形的镁合金薄壁试样高度尺寸如图4。5组试样中间稳定区域高度一致性较好，略高于两端起、熄弧位置。在熔敷速度不变的条件下，CMT熔丝增材电流为85A时，试样上表面高度偏差最大，距离两端起熄弧15mm处存在凹坑，最大高度偏差为4.1mm。熔敷电流95A~125A时，试样上表面高度偏差控制在2.6mm以内；且电流大于105A后，高度偏差随熔敷电流增加略呈下降趋势，125A试样最大高度偏差为1.8mm。熔敷电流较小时，熄弧点处熔化的液态金属流动性较差、表面张力也较小，使起弧点与熔敷层中间段存在尺寸偏差，而熄弧处受热量累积的影响，金属流动性增强、成形得到改善，而往复循环的路径使起弧点与熄弧点交替出现在试样两端，能够有效改善试样的成形质量。电流增加时，熄弧点处热输入也增加，熔化金属流动性变好使起弧点与熔敷层中间段尺寸偏差大幅减小，试样较为平整。

图4  5组镁合金试样成形高度

2.3 熔敷电流对熔敷层尺寸的影响
5组不同熔敷电流镁合金熔丝增材试样熔敷层尺寸如图5。随熔敷电流从85A增加到125A，5组试样的熔敷层层间层高从2.39 mm降低到2.16 mm，呈下降趋势；而熔敷层层宽从8.61 mm增加到14.23 mm，呈上升趋势。由于镁合金流动性较差，熔敷电流越小线能量也越小，导致熔化的镁合金无法获得较好的铺展性和流动性，发生快速凝固，因而镁合金增材试样熔敷层层间层高随熔敷电流的增加呈下降趋势。而熔敷电流增加，送丝速度和线能量都随之增加，使熔化金属的含量增加、流动性也得到提升，最终液态镁合金能够得到较好的铺展，获得较大的熔敷层层宽。即在熔敷速度不变的条件下，随CMT熔丝增材熔敷电流的增加，镁合金试样宽度呈上升趋势。

图5 熔敷速度对熔敷层尺寸的影响

2.4 熔敷电流对表面粗糙度的影响
通过将试样横截面照片进行图像二值化处理及截面轮廓曲线提取，得到CMT熔丝增材工艺成形的镁合金增材试样截面如图6。对比图中5组不同熔敷电流镁合金试样轮廓曲线发现，熔敷电流为105A时，试样侧壁边缘较直且较为平滑；熔敷电流减小或增大，试样侧壁边缘左右波动均会加剧，其中125A试样右侧中下部边缘波动最为突出。主要因为熔敷电流较大时，熔敷层制备时底部试样略窄，无法支撑熔化金属，发生流淌导致侧壁波动较大。而熔敷电流较小时，试样表面平整度较差、存在较大波动，也会影响侧壁平滑度。

图6  不同熔敷电流镁合金试样截面

试样表面粗糙度计算时先利用最小二乘法对轮廓曲线进行线性拟合，得到拟合直线方程：

横截面轮廓曲线上所有点到拟合直线的距离和为：

式中d为横截面轮廓曲线上点到拟合直线的距离，n为横截面轮廓曲线上点的数量，根据下述公式进行试样表面粗糙度R[21]的计算：

熔敷电流对镁合金试样表面粗糙度的影响如图7。熔敷速度不变，熔敷电流为85A~125A时，105A试样表面粗糙度最低，仅为0.16mm。电流低于105A时的表面粗糙度略高，85A和95A试样表面粗糙度平均值分别为0.20mm和0.23mm。熔敷电流高于105A时，试样表面粗糙度随电流增加而增加，125A试样的表面粗糙度达0.3mm，这与熔化金属含量及线能量增加有关，过多的液态金属使熔池流淌、影响表面粗糙度。结果表明，熔敷电流过大或过小均会影响镁合金熔丝增材薄壁试样的表面粗糙度。

图7  熔敷电流对表面粗糙度的影响

3结束语

本文采用相同熔敷速度、不同熔敷电流的CMT增材工艺制备5组镁合金增材样件，通过对比分析获得熔敷电流与镁合金熔丝增材制造成形特征之间的影响规律，最终得到的主要结论如下。

1. 熔敷速度10mm/s、熔敷电流85A~125A，CMT熔丝增材工艺可制备表面平整度好的单道多层镁合金试样，105A试样的成形外观最佳。

2. 熔敷电流从85A增加到125A时，镁合金熔丝增材试样熔敷层层间层高从2.39 mm减小到2.16 mm，而熔敷层层宽则从8.61 mm增加到14.23 mm。

3. CMT单道多层镁合金试样中间稳定区域高度略高于两端起熄弧位置，熔敷电流95A~125A试样上表面高度偏差控制在2.6mm以内。

4. 熔敷电流过大或过小均会影响试样的表面粗糙度，105A试样表面粗糙度最小、侧壁边缘平滑，粗糙度为0.16 mm。