Ti-6Al-4V熔絲等離子弧與激光復(fù)合增材制造中的焊道形狀控制（一）

1825　 2023-06-03 10:58:14

線基等離子轉(zhuǎn)移弧（PTA）-激光混合增材制造具有制造高沉積速率和近凈形狀的大型金屬部件的潛力。在此過(guò)程中，單個(gè)焊道是每個(gè)沉積組件的基本構(gòu)件，因此，焊道形狀控制對(duì)于不同幾何形狀的沉積至關(guān)重要。然而，如何通過(guò)操縱各種工藝參數(shù)來(lái)控制胎圈形狀仍不清楚。在本研究中，系統(tǒng)地研究了不同工藝參數(shù)，包括激光功率、PTA和激光之間的能量分布、送絲速度、移動(dòng)速度和激光束尺寸對(duì)沉積過(guò)程和珠形狀的影響。
結(jié)果表明，復(fù)合工藝的最佳操作制度是：焊絲由PTA完全熔化，熔池由激光控制，從而獲得良好的珠狀和穩(wěn)定的沉積過(guò)程。由于能量輸入的巨大變化，激光功率和移動(dòng)速度對(duì)珠形狀有顯著影響。送絲速度的影響更為復(fù)雜，胎圈寬度最初增加到最大值，然后隨著送絲速度的增加而減小。激光束尺寸對(duì)焊道形狀的影響較小，但由于高功率密度導(dǎo)致的不穩(wěn)定過(guò)程，較小的激光束尺寸會(huì)導(dǎo)致焊道外觀不規(guī)則。此外，還提出了混合工藝中的珠粒形狀控制程序，為選擇不同的工藝參數(shù)以獲得所需的珠粒形狀提供了參考。兩個(gè)沉積的多層單通道壁證明了該方法的可行性。

混合(低溫蒸餾+物理吸收)工藝流程。

如，混合工藝(上圖)基于雙制冷劑CO2分餾+ Selexol流動(dòng)方案(Ross和Cuellar, 2010)，包括通過(guò)低t蒸餾將CO2含量降低到20 mol%的整體去除步驟，以及通過(guò)物理吸收到DEPG完成的最后一步。

1.介紹

與傳統(tǒng)的減法和成形制造方法相比，增材制造（AM）由于大量減少浪費(fèi)材料、相對(duì)較短的交付周期、無(wú)需模具和模具以及較高的設(shè)計(jì)靈活性而備受關(guān)注。在金屬AM中，粉末或金屬絲通常用作原料，由激光、電子束或電弧熱源熔化。在不同的AM技術(shù)中，導(dǎo)線+電弧增材制造（WAAM）最具成本效益，因?yàn)閷?dǎo)線的成本低于粉末，電弧的效率高于激光和電子束，因此適用于高沉積速率的大型結(jié)構(gòu)部件的沉積。在基于等離子轉(zhuǎn)移弧（PTA）的WAAM中，鈦的典型沉積速率為0.4–1.2 kg/h。可以實(shí)現(xiàn)更高的沉積速率，但以低表面質(zhì)量為代價(jià)，導(dǎo)致大量材料需要機(jī)加工。

(a)磁場(chǎng)輔助微細(xì)電火花加工的工作原理( Heinz, K.; Kapoor, S. G.; DeVor, R. E.; Surla, V. AnInvestigation of Magnetic-field-assisted Material Removal in Micro-EDM forNonmagnetic Materials. J. Manuf. Sci. Eng. 2011, 133, 021002 (9 pp);(b)常規(guī)微細(xì)電火花加工的微孔截面;(c)磁場(chǎng)輔助微細(xì)電火花加工的微孔截面，加工條件與(b)相同。

混合工藝涉及微細(xì)電火花加工和磁場(chǎng)輔助的復(fù)雜組合，以便通過(guò)提高碎屑去除率和磁流變比來(lái)改善加工性能。與高縱橫比和/或盲區(qū)特征的微細(xì)電火花加工相關(guān)的問(wèn)題之一是難以沖洗加工區(qū)的碎屑。這些碎屑顆粒通過(guò)產(chǎn)生電弧和短路導(dǎo)致不穩(wěn)定的加工，并降低磁流變比和表面質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，在微細(xì)電火花加工過(guò)程中引入了磁場(chǎng)，以改善碎屑循環(huán)。實(shí)施垂直于電極旋轉(zhuǎn)力的磁力產(chǎn)生合力，在加工過(guò)程中有效地將碎屑移出孔。磁場(chǎng)輔助微細(xì)電火花加工中的磨粒受到兩種力：磁力和離心力。通過(guò)磁力和離心力的矢量相加，給出了碎屑顆粒上的合力，這有助于將碎屑顆粒從機(jī)器區(qū)域沖出，從而提高加工穩(wěn)定性和MRR，減少刀具磨損，并整體改善微細(xì)電火花加工性能。在類似的工作條件下，與傳統(tǒng)微細(xì)電火花加工相比，磁場(chǎng)輔助微細(xì)電火花加工可以產(chǎn)生更高的長(zhǎng)徑比孔。磁場(chǎng)的應(yīng)用有助于微細(xì)電火花加工中的間隙清潔，因?yàn)樵黾恿碎g隙外的碎屑傳輸。由于磁場(chǎng)的應(yīng)用，碎屑清除能力增強(qiáng)，導(dǎo)致MRR增加。上圖（a）顯示了磁場(chǎng)輔助微細(xì)電火花加工的示意圖。從圖（b）和（c）（38）可以理解磁場(chǎng)輔助微細(xì)電火花加工中微孔縱橫比的增加。

線基PTA激光混合AM已顯示出構(gòu)建具有高沉積速率和近凈形狀的大型組件的潛力。它結(jié)合了兩種熱源的優(yōu)點(diǎn)（即PTA的高效率和激光的高精度），并且顯示出比PTA或激光沉積工藝本身更大的優(yōu)勢(shì)。例如，與PTA沉積工藝相比，混合沉積工藝形成小孔的可能性較低，且與激光沉積工藝相比，沉積速率和工藝公差較高。此外，它允許獨(dú)立控制沉積速率和珠形狀，這是單熱源難以實(shí)現(xiàn)的。在沉積過(guò)程中，單個(gè)焊道是最小的基本單元，它決定了沉積零件的最終表面質(zhì)量和尺寸精度。因此，了解單個(gè)工藝參數(shù)如何影響焊道形狀以及如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)焊道尺寸是至關(guān)重要的，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的工藝，以沉積各種幾何形狀。

D-WAAM過(guò)程的沉積模型。

與單線不同?+?電弧增材制造過(guò)程中，兩根焊絲通過(guò)兩個(gè)送絲器和雙絲裝置在電弧前方送絲，在雙絲中熔化并流入熔池?+?電弧增材制造工藝，如上圖所示。銅和鎂的含量可以通過(guò)調(diào)整送絲速度（WFS）來(lái)調(diào)節(jié)。

線基電弧-激光混合AM工藝尚未得到廣泛研究。到目前為止，大多數(shù)使用電弧-激光混合熱源的焊道形狀參數(shù)研究都集中在焊接應(yīng)用上。然而，在混合焊接中，激光束通常用于其深穿透能力，因此激光在小孔區(qū)域以較小的光束尺寸運(yùn)行。然而，在混合AM中，激光用于提供額外的能量，并在熔化金屬絲和擴(kuò)展熔池時(shí)支持電弧。因此，在混合AM過(guò)程中，傳導(dǎo)機(jī)制更為合適。此外，在大量混合焊接情況下，與AM工藝相比，所需填充焊絲的體積要小得多。因此，焊接和AM之間的不同實(shí)際要求導(dǎo)致不同的最佳工作條件，這意味著在混合焊接工藝中獲得的結(jié)果可能不適用于混合AM工藝。據(jù)作者所知，還沒(méi)有關(guān)于電弧激光混合AM中珠粒形狀控制的系統(tǒng)研究報(bào)告。

在基于導(dǎo)線的電弧或激光AM工藝中，已經(jīng)有很多工作致力于開發(fā)此類工藝?yán)斫狻inovitzer等人研究了不同工藝參數(shù)（包括送絲速度（WFS）、行程速度（TS）和電流）對(duì)鎢極氣體電弧（GTA）沉積工藝中焊道幾何形狀的影響。他們得出結(jié)論，隨著WFS的增加，胎圈寬度減小，而胎圈高度增加。TS對(duì)胎圈寬度的影響較大，但對(duì)胎圈高度的影響較小。此外，焊道寬度隨電流的增加而增加。開發(fā)工程零件沉積的工藝算法需要了解此類工藝。

(a)每面墻取樣位置;(b)拉伸試樣尺寸。

如上圖，將每面墻的兩端(15?mm)剪掉并丟棄。在壁中部進(jìn)行顯微組織和顯微硬度試驗(yàn)。在垂直方向上，從墻體中間到端部等距取三個(gè)拉伸試樣。從每面墻的頂部到根部均勻取3個(gè)水平方向的拉伸試樣。拉伸試驗(yàn)試樣按標(biāo)準(zhǔn)加工，如圖b所示。采用機(jī)電萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(SANS 5504)，在1.5?mm/min加載速率下進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。采用維氏顯微硬度試驗(yàn)機(jī)(FM800)，在1.96?N載荷下，測(cè)量15?s的顯微硬度。硬度測(cè)試從每面墻底部50?mm開始。沿垂直方向，間隔0.5?mm進(jìn)行30次顯微硬度試驗(yàn)。

然而，在他們的研究中，選定的工藝窗口非常窄（例如，電流范圍僅為50至59 A）。Martina等人對(duì)鈦的PTA沉積進(jìn)行了更大范圍的參數(shù)研究（例如，電流范圍為120至300 a）。他們發(fā)現(xiàn)，有效壁寬隨著電流的增加和TS的降低而增加，而層高度隨著WFS的增加和電流的降低而增加。除了基于電弧的沉積工藝外，還研究了激光絲沉積工藝中的珠粒形狀控制。Schulz等人采用半解析方法獲得了工藝圖，以研究激光絲沉積過(guò)程中作為WFS、激光功率和激光強(qiáng)度分布函數(shù)的焊道寬度，并獲得了基于電弧的工藝中所述的類似結(jié)果。

圖A 焊道-基體界面的元素掃描結(jié)果（左側(cè)顯示的焊道）。

圖B 珠-基底界面的定量EDS分析（方向與圖A中標(biāo)記的方向相同）。

采用能量色散x射線能譜(EDS)分析方法，觀察了基體與微珠之間擴(kuò)散區(qū)的成分變化。彩色地圖如圖A所示，說(shuō)明了界面中幾種元素的濃度。此外，還進(jìn)行了定量掃描，得到了如圖B所示的圖形。界面可以在鐵、鎳、鉬等元素的圖形中清楚地識(shí)別出來(lái)。

此外，他們還報(bào)告說(shuō)，該工藝對(duì)WFS與TS的比率非常敏感，低比率會(huì)導(dǎo)致液滴的形成和工藝的不穩(wěn)定性。Abioye等人開發(fā)了一個(gè)工藝圖，用于預(yù)測(cè)激光絲沉積工藝中的工藝特性和微珠幾何形狀，并得出了輸入?yún)?shù)（WFS、TS和激光功率）與最終微珠特性（接觸角、寬高縱橫比和稀釋比）之間的關(guān)系。Mok等人研究了激光功率、TS和WFS對(duì)胎圈形狀的影響，并聲稱胎圈寬度主要由激光功率決定，而TS對(duì)胎圈高度的影響比激光功率更為顯著。

需要對(duì)基于線的PTA激光混合AM工藝進(jìn)行類似的工作，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組件沉積所需的珠形狀。眾所周知，WFS和TS是控制胎圈形狀需要考慮的兩個(gè)最關(guān)鍵的工藝參數(shù)。此外，在混合AM過(guò)程中，PTA和激光都提供能量，這有助于金屬絲的熔化和熔池的擴(kuò)展。因此，需要考慮兩種熱源的影響。然而，這兩種熱源有不同的工作范圍。例如，在PTA沉積工藝中，在高電弧壓力引起的高電流水平下可形成小孔，這可導(dǎo)致缺陷形成，而基于激光的工藝中過(guò)大的功率密度可導(dǎo)致蒸發(fā)和熔池不穩(wěn)定。因此，在PTA激光混合沉積工藝中，對(duì)于給定的總功率輸入，工藝穩(wěn)定性和珠形狀將根據(jù)電弧功率與激光功率的比率而變化。然而，這些參數(shù)如何影響沉積過(guò)程和珠形狀尚不清楚。此外，還需要制定選擇不同工藝參數(shù)的程序，為混合工藝中的胎圈形狀控制提供參考。

本研究系統(tǒng)地研究了Ti-6Al-4V線基PTA激光混合AM工藝中不同工藝參數(shù)，包括激光功率、電弧功率與激光功率之比、WFS、TS和激光束尺寸對(duì)珠子形狀形成的影響。目的是了解每個(gè)工藝參數(shù)對(duì)沉積工藝和珠形狀的影響，并制定工藝參數(shù)選擇程序，以在混合沉積工藝中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)珠形狀。

2.實(shí)驗(yàn)程序

2.1. 材料和設(shè)置

用于基板和線材的材料為Ti-6Al-4V。金屬絲的直徑為1.2mm，基板的尺寸為300mm×200mm×7mm。在沉積之前，首先對(duì)基底進(jìn)行研磨，然后用丙酮清洗，以去除任何表面污染。圖1顯示了基于線的PTA激光混合AM系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。PTA由EWM Tetrix 552電源產(chǎn)生。等離子炬的保護(hù)氣體（流速：8 L/min）和等離子氣體（流速：0.8 L/min）均使用純氬。將AMV 4000電弧監(jiān)測(cè)器連接至等離子弧電源，以記錄電弧電壓和電弧電流。使用波長(zhǎng)為1070nm、最大功率為8kW的IPG光纖激光器。

圖1 線基pta -激光混合調(diào)幅過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置。

本研究中使用的激光束散焦（即，離開焦點(diǎn)位置，見(jiàn)圖2）。激光頭傾斜30°，以防止背面反射。電線是用Dinse送絲機(jī)送的。一個(gè)安裝有等離子炬和激光頭的6軸Fanuc機(jī)器人用于控制沉積路徑。實(shí)驗(yàn)在用純氬吹掃的柔性透明外殼（帳篷）中進(jìn)行。在沉積過(guò)程中，通過(guò)PurgEye 600氧氣分析儀驗(yàn)證，將外殼中的氧氣水平控制在500 ppm以下。垂直于移動(dòng)方向安裝CMOS工藝攝像機(jī)（Xiris XVC-1000），以監(jiān)控熔池行為和金屬轉(zhuǎn)移過(guò)程。

圖2 配置用于基于線的pta -激光混合AM過(guò)程(側(cè)視圖)。

圖2示意性地顯示了本研究中使用的配置，這是PTA激光混合AM工藝的最佳操作條件，允許高工藝公差和高沉積速率。在這種配置中，導(dǎo)線由PTA照射，激光器置于PTA后面。等離子炬的定位間距為8 mm，傾角為20°，以確保電線有足夠的通道，并避免激光反射。送絲角度為15°。導(dǎo)線尖端和基板之間的距離（d1）為2mm，而PTA和激光器之間的分離距離（d2）為10mm。應(yīng)該提到的是，該送絲位置處于混合沉積工藝的最佳范圍內(nèi)，從而提供穩(wěn)定的沉積工藝和均勻的珠狀。

2.2. 方法

胎圈形狀有三個(gè)特征表征，即胎圈寬度、胎圈高度和接觸角（θ），如圖3所示。值得一提的是，接觸角決定了沉積材料的潤(rùn)濕和擴(kuò)散。對(duì)于基于線的AM工藝，較低的接觸角意味著材料具有更好的潤(rùn)濕性，從而導(dǎo)致較低的表面波紋度。在參數(shù)研究之前，進(jìn)行了初步試驗(yàn)，以確定不同工藝參數(shù)的合適范圍。然后，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究了激光功率對(duì)微珠形狀的影響。在其他恒定條件下，激光功率從1千瓦增加到7千瓦，增量為2千瓦，如表1所示。此外，僅使用PTA且不使用任何激光的沉積作為參考（案例1，表1）。

圖3 顯示焊道寬度、焊道高度和接觸角(θ)的截面示意圖。

表1 工藝參數(shù)用于研究各個(gè)參數(shù)對(duì)焊道形狀的影響。

在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究了電弧功率與激光功率之比對(duì)焊道形狀的影響（案例6-11，表1）。激光功率從0增加到5千瓦，而電弧功率從8減少到3千瓦，將總功率輸入恒定在8千瓦。PTA的輸出功率是根據(jù)電弧監(jiān)測(cè)器測(cè)量的外加電壓和電流計(jì)算的。為了研究WFS對(duì)胎圈形狀的影響，WFS從2 m/min增加到6 m/min，增量為1 m/min（案例12–16，表1）。此外，為了研究TS對(duì)胎圈形狀的影響，通過(guò)保持其他參數(shù)不變，TS從4 mm/s增加到12 mm/s，增量為2 mm/s（情況17–21，表1）。

為了研究激光束尺寸對(duì)焊道形狀的影響，激光束直徑從2毫米增加到12毫米，增量為2毫米（案例22-27，表1）。此外，在不同的激光功率下進(jìn)行了不同激光束直徑（5、12和15.6mm）的沉積。

在（A）20和（B）40 kV電壓下獲得的聚氨酯/NaCl納米網(wǎng)膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像。（C）和（D）分別顯示（A）和（B）中所示納米網(wǎng)孔寬分布的直方圖。

外加電壓是靜電紡絲過(guò)程中的重要參數(shù)之一，對(duì)靜電紡絲納米纖維/網(wǎng)狀膜的結(jié)構(gòu)具有重要的調(diào)節(jié)作用。因此，研究人員對(duì)外加電場(chǎng)強(qiáng)度與二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究，他們幾乎都認(rèn)為較高的電壓有利于納米網(wǎng)絡(luò)的形成。在PA-6溶液的電網(wǎng)化過(guò)程中，丁等人（2006）得出結(jié)論，通過(guò)提高電網(wǎng)化電壓，膜中納米網(wǎng)的覆蓋率顯著增加。這一結(jié)果可歸因于隨著外加電壓的增加，靜電力的增強(qiáng)導(dǎo)致帶電液滴的形成概率增加，從而促進(jìn)溶劑蒸發(fā)和飛沫的相分離。Hu等人（2011年）報(bào)告，盡管PU納米網(wǎng)可以在較低電壓（20 kV）和較高電壓（40 kV）下制備，但隨著電壓的增加，納米網(wǎng)中納米纖維/電線的直徑減小，納米網(wǎng)的孔徑顯著增大，如上圖所示。而且，這一結(jié)果可以用更高的電壓導(dǎo)致Taylor錐和全拉伸過(guò)程的更高不穩(wěn)定性來(lái)解釋，從而導(dǎo)致納米網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定。此外，納米網(wǎng)膜中的微珠缺陷密度通常隨著電壓的增加而增加，這大大降低了所得膜的應(yīng)用性能。

此外，沉積了兩個(gè)具有相同珠形狀但不同沉積速率的多層單道次壁，以證明混合工藝中的珠形狀可以根據(jù)所提出的程序進(jìn)行控制。

沉積后，對(duì)一些珠子和兩個(gè)單道壁進(jìn)行橫截面、熱安裝、研磨、拋光和在Kroll試劑中蝕刻，并使用立體顯微鏡觀察其特性（例如輪廓和重熔區(qū)域）。所有珠子的長(zhǎng)度相同，為120 mm，珠子尺寸在距離起始點(diǎn)30 mm、60 mm和90 mm處測(cè)量，并使用平均值。應(yīng)提及的是，使用AxioVision軟件在珠子兩側(cè)測(cè)量接觸角。