关键词:
双TIG
活性电弧
增材制造
电弧特性
工艺试验
成形机理
摘要:
电弧-丝增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种高效的增材制造方法,相比于激光、电子束等增材制造技术,具有制造效率高,设备成本低等优点。其中,TIG电弧增材制造过程稳定,无飞溅,材料适用性广,成为了一种应用广泛的电弧增材制造方法,但熔敷率偏低。为了提高生产率,一般采用提高熔敷电流和电弧移动速度的方法,对于TIG电弧而言,电弧压力会随着熔敷电流的增加迅速增加,过大的电弧压力不利于熔敷过程的继续;另外,电弧移动速度的增加会造成熔敷金属铺展润湿较差,后续堆积无法继续进行。
针对以上问题,本研究将具有低电弧压力的耦合电弧热源—双TIG电弧应用到增材制造领域当中,两只焊枪沿着电弧移动方向呈一定夹角排布,且前置焊枪电流小于后置焊枪,同时在前置焊枪保护气体中加入少量活性气体O2,提出双TIG活性电弧增材制造方法;该方法不仅能显著降低电弧压力,抑制咬边和驼峰的出现,而且可以有效降低熔敷金属和熔池的表面张力,改善其润湿铺展特性,在提高熔敷效率的同时提高沉积速度,是一种高效的电弧增材制造方法。本文深入研究了双TIG电弧增材制造过程中的电弧物理特性和熔敷金属成形工艺、组织和性能,最后分析了熔敷金属成形机理,为优化双TIG活性电弧增材制造工艺过程及其推广其应用提供理论依据。
首先,研究了双TIG活性电弧特性。结果表明:双TIG活性电弧由于大电流钨极产生的阴极射流更加强烈,在其作用下电弧整体上向小电流一侧偏移;与传统TIG电弧相比,双TIG电弧的电弧压力明显降低,随着熔敷电流的增加,电弧压力峰值增加,钨极排布方向和与之垂直方向的分布半径均变大,随着弧长和钨极间距的增加,电弧压力峰值减小,但钨极排布方向和与之垂直方向的分布半径变大;双TIG电弧大电流侧的电弧电压明显大于小电流侧的电弧电压,且均小于相同电流条件下传统TIG电弧的电压;随着弧长的变大,大电流侧电弧电压、小电流侧电弧电压和传统TIG电弧的电压均变大。
其次,进行了双TIG活性电弧增材制造工艺试验。结果表明,在相同熔敷电流的情况下,传统TIG电弧增材熔敷金属成形已经明显出现咬边和驼峰等缺陷,而双TIG活性电弧增材制造熔敷金属成形良好,宽度均匀;O的引入对钨极尖端有轻微烧损,但并不影响双TIG耦合电弧的状态和形貌;O的引入能明显减小熔敷金属和熔池的润湿角,改进了熔敷金属润湿铺展性,有利于熔敷过程的进行;随着后置焊枪电流的增加(前置焊枪电流的减小),沉积墙体宽度先增加再减小,墙体高度的变化则与之相反,当沉积电流为200 A+160 A时,沉积墙体的宽度最大,高度最小,沉积层的铺展性最好;随着电弧移动速度的增加,沉积墙体宽度和高度都表现出减小的趋势。随着送丝速度的增加,沉积墙体宽度和高度都呈现出增加的规律。基于此,进行了不同电流条件下的工艺试验,得到了沉积层成形良好工艺参数的范围。当电流提高到360 A时,电弧移动速度提高到10 mm/s时,熔敷金属成形良好,熔敷效率达到2.7 kg/h,达到相同条件下普通MIG电弧增材制造的效率。
再者,研究了单道多层堆积墙体的组织和力学性能。结果表明,O的引入对堆积墙体的金相组织无明显影响,墙体组织均由大量奥氏体和少量铁素体组成,铁素体表现出骨架状和板条状的混合形态。柱状晶沿着堆积方向即导热最快的方向生长。墙体的硬度沿着高度增加的方向逐渐减小,大约从297 HV降到236 HV,平均硬度大于240 HV;引入O2后的水平方向和高度方向的抗拉强度分别为570MPa和566 MPa,延伸率分别为47%和42%,与引入O2前的结果相比,抗拉强度分别下降了2.1%和3.9%,延伸率分别下降为2.3%和6.7%;引入O2后水平方向和高度方向的冲击韧性值分别是143.35 J/cm2和130 J/cm2,与引入O2前的结果相比,分别下降了7.5%和10.3%。断口分析表明,堆积墙体力学性能的下降与熔敷金属中氧化物夹杂的形成有关。总体而言,适当的O含量可以改善增材熔覆层的成形,而对墙体的拉伸性能和冲击性能影响较小。
最后,在上述试验基础上,分析了双TIG活性电弧增材制造沉积成形机理。分析认为,在双TIG活性电弧增材制造过程当中,双TIG活性电弧压力约为TIG电弧的1/3,熔池自由表面的下凹明显减小,弧坑变浅,同时等离子流剪切力也明显减弱,热流密度在电弧移动方向被拉长,熔池的冷却变慢,回流填充更加充分,抑制了缺陷的发生。另外,活性元素O的引入降低了熔敷金属和熔池的表面张力,表面张力的减小不仅利于熔滴的过渡和形成宽度大,高度小的沉积层,还有利于抑制驼峰熔敷道的产生。