氩氦混合气对铝合金CMT电弧增材制造过程成形质量的影响

张瑞，王克鸿

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

电弧增材制造技术主要将焊接电弧作为热源，金属焊丝作为增材材料，电弧产生的热量将焊丝熔化，然后按设定的增材路径在选定的基板上由下而上层层堆积，直至形成零件[1]。随着航空航天、国防军工等重要技术领域对昂贵金属零件的性能、精度、成本和周期的要求越来越高[2]，增材制造技术因其在直接成形金属零件方面的优势，已经成为国内外研究的热点。

CMT(cold metal transfer)技术是将熔滴过渡与焊丝回抽技术相结合，熔滴过渡时电弧熄灭，焊接电流降至几乎为零，从而大大降低焊接热输入，这种焊接工艺特点非常适合低熔点金属(铝合金)的增材制造研究[3-4]。气孔是铝及其合金电弧增材制造过程中容易出现的缺陷，它的存在降低了构件的致密性和耐腐蚀性，减小了有效承载面积，容易形成应力集中，从而降低构件的强度和塑性，因此必须严格控制气孔。与氩气相比，氦气密度更低，但电离电位高，传热性好[5]，在相同电弧长度条件下，氦气保护氛围下的电弧电压比氩弧的高(即电弧的电场强度高)，使电弧有较大的功率，除了有更好的保护作用外，也使得熔池流动性更强，更利于气体从熔池中溢出。

本文通过铝合金电弧增材制造实验，对不同氩、氦比例混合气下电弧增材成形质量对比分析，研究结果可为实现高质量铝合金构件的制造提供实验依据和数据参考。

1 实验材料和方法

实验中使用6mm厚6060铝合金做为基板，选用直径1.2mm的ER5356铝合金焊丝作熔敷填充材料。基板和焊丝成分见表1、表2。5356为铝镁焊丝，强度高，塑性好，有良好的抗腐蚀性。

表1 6060铝合金基板成分 wt%

表2 5356铝合金焊丝成分 wt%

焊接方法为CMT，增材速度为50 cm/min，送丝速度为5 m/min，焊丝杆伸长10 mm，保护气分别为纯氩气、85%Ar+15%He、70%Ar+30%He、50%Ar+50%He、25%Ar+75%He、100%He，保护气流量20 L/min，每层焊枪提升量1.5 mm，层间等待时间60 s，共计25层。

实验利用CCD图像采集系统在固定位置处采集带标定物的金相截面照片，对照片进行二值化变换、轮廓提取、轮廓像素坐标转换等操作后获得直角坐标系中具有实际尺寸试样的轮廓线(图1(a))，再对获得的实际轮廓曲线进行直线拟合(图1(b))，计算轮廓线与拟合后直线的误差值。

图1 试样轮廓线

采用X射线检测的方法，观察直径>0.2 mm的宏观气孔在试样中的数量和分布情况。同时针对气孔直径<0.2 mm的显微气孔，实验使用扫描电镜观察，由于试样尺寸较大，视场区域不足，需要将得到的图片进行拼接，恢复试样原本整体形貌。截取试样中间平整部分，截取图片后再使用ImageJ软件进行图像处理，计算显微气孔率(图2)。

图2 扫面电镜下试样气孔分布全貌图

实验主要使用奥林巴斯光学显微镜对金相试样进行显微组织分析。首先使用电火花线切割机垂直增材方向获得金相试样，经过240#、320#、400#、600#、800#金相砂纸打磨，并用W5、W1的研磨膏在抛光机上抛光，最后使用20%的氢氟酸溶液腐蚀30s左右，用酒精清洗后吹干。在对拉伸试样断口形貌和金相试样显微气孔的观察时本实验使用的是FEI Quanta 250F场发射环境扫描电镜。

2 实验结果与分析

2.1 成形尺寸精度分析

如图3所示，当氦气比例较低时，试样上表面平整度较高。氦气比例增大到30%后，试样的上表面开始呈现高低起伏，上表面平整度开始下降，成形精度降低。见表3，随着保护气中氦气比例的增加试样宽度有微小增加，高度降低，是由于氦气做保护气时，相同焊接电流和电弧长度条件下，氦弧的电弧电压比氩弧的高(即电弧的电场强度高)，使电弧有较大的功率，热输入也较大。另外氦气电弧能量密度增大，电弧收缩，熔透率增大，导致熔深变深，对于多层单道试样最上层熔池的扰动增强，使得上表面不平整。

图3 不同保护气成分下单道多层试样照片

表3 不同保护气成分下试样截面尺寸

根据图4和表3可以看出随着氦气比例的增减试样表面粗糙度先增加后减小，但整体表面粗糙度大于纯氩气。这是由于氦气质量分数较小，He气的密度仅仅只有Ar气的1/10，要达到相同的保护效果，He气的流量应是Ar气的3～4倍,这就是因为采用He作为保护气体，电弧不稳定，容易产生飞溅[5]。焊缝表面粗糙比例较小时，焊道热输入增加，原本层间有凹凸的部分开始出现部分消除，但由于热输入并不足以使焊道间完全消除凹凸部分的影响，并且热输入增大导致层间熔池流动性增强，持续堆积时层间稳定性下降，导致部分焊道对中性不如纯氩气时好。所以在氦气比例较低时，表面粗糙度会有所增加。当氦气比例达到50%后，热输入能够更好地消除层间凹凸部分的影响，但稳定性依旧不如纯氩气时好。

图4 不同保护气成分下金相试样截面照片

2.2 气孔率分析

首先研究宏观气孔，对所有试样进行X光射线检测，如图5所示。通过观察X光片可以看到，不论哪种工艺条件下，试样两端都有大量的宏观气孔缺陷。这是由于起弧和收弧处，电弧不稳定所致。另外可以看到试样中会有少量直径>0.2 mm的宏观气孔。但随着氦气比例的增加，宏观气孔的数量在减少，当氦气比例达到75%时宏观气孔基本消失。宏观气孔主要分布在层间结合处，层内只分布有少量，这是由于层间等待60 s时，焊道表面温度降低，铝合金发生氧化，会有少量空气中的水分附着在焊道表面，再焊接时这部分水分受热分解产生的氢气溶入熔池中，但来不及逸出最终形成宏观气孔。

图5 不同保护气体成分的X光片

根据扫描电镜在放大80倍时所观察到的金相试样(图6)可以看到显微气孔比较均匀地分布在试样的截面上，并未出现聚集。根据表4可以看出，当氦气比例增加的时候，试样中显微气孔的气孔率在减小，当氦气比例达到75%时，气孔率<0.1%。混合保护气中氦气的加入，使得增材过程中熔池上表面保护气体的电离能增加。弧柱电压升高，电弧功率增大，熔池受热温度上升，流动性增强。高的弧柱电压也有利于破坏熔池表面的氧化物层，使熔池中的气体更易逸出。加入的氦气还可以改变熔池的形状，氦气比例的增加使焊道熔深变小而熔宽加大，这种形状更利于气体的逸出。

表4 金相试样气孔率统计表

图6 不同保护气体金相试样显微气孔分布图

2.3 抗拉强度与延伸率分析

由图7可看出当平行增材方向的拉伸试样的抗拉强度比垂直增材方向试样的抗拉强度要高。平行于增材方向的拉伸试样在氦气比例<50%时，抗拉强度基本没有差别，30%氦气时达到最大252.5MPa。当氦气比例提高到75%后，平行增材方向试样的拉伸强度由于氦气比例的提高，热输入量增大，导致晶粒粗大，β相析出增多，从而出现抗拉强度降低。垂直增材方向的拉伸试样，在氦气比例达到30%时就开始下降。说明层间冶金结合对氦气比例的变化更加敏感。并可以看到抗拉强度同样受氦气比例的增加而降低，但降低的幅度基本不变。

图7 不同保护气成分下试样抗拉强度

从图8中可以看出：平行增材方向上，不混入氦气(纯氩气)时，断裂延伸率可达到此种工艺条件下的最大值29.42%，并且拉伸试样的延伸率会随着氦气比例的增加逐渐增加。垂直增材方向上，氦气比例达到75%后断裂延伸率会比较大，能够达到25.66%。从延伸率上可以看出氦气的加入对于材料的延伸率确实有较大影响。

图8 不同保护气成分下试样延伸率

3 结语

1) 当氦气比例较低时试样上表面平整度较高，氦气比例增大到30%后，试样的上表面开始呈现高低起伏，上表面平整度开始下降, 成形尺寸精度降低。试样表面粗糙度随氦气比例的增加先增加后减小。

2) 对气孔率的研究表明当氦气比例增加到75%后，不仅可以有效消除0.2mm以上的宏观气孔，也可以消除显微气孔。

3) 平行于增材方向的拉伸试样在氦气比例<50%时，抗拉强度基本没有差别，30%He时抗拉强度达到最大值252.5 MPa。纯氩气时，断裂延伸率可达到此种工艺条件下的最大值29.42%，之后拉伸试样的延伸率会随着氦气比例的增加逐渐增加。

[1] Mughal M P, Fawad H, Mufti R A. Three-dimensional Finite-element Modeling of Deformation in Weld-based Rapid Prototyping[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 2006, 220(6):875-885.

[2] 张海鸥, 王超, 胡帮友. 金属零件直接快速制造技术及发展趋势[J]. 航空制造技术, 2010(8):43-46.

[3] Pickin C Young K. A heat source model for cold metal transfer (CMT) welding[J]. Sci Technol Weld Join,2006, 11(5): 583-588.

[4] 朱胜. 柔性增材再制造技术[J]. 机械工程学报, 2013, 49(23):1-5.

[5] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册(第一卷)[M]. 北京:机械工业出版社, 2001.