Ti-6Al-4V熔絲等離(lí)子弧與激光複合增材制造中(zhōng)的焊道形狀控制（一(yī)）

723　 2023-05-25 15:17:49

線基等離(lí)子轉移弧（PTA）-激光混合增材制造具有制造高沉積速率和近淨形狀的大(dà)型金屬部件的潛力。在此過程中(zhōng)，單個焊道是每個沉積組件的基本構件，因此，焊道形狀控制對于不同幾何形狀的沉積至關重要。然而，如何通過操縱各種工(gōng)藝參數來控制胎圈形狀仍不清楚。在本研究中(zhōng)，系統地研究了不同工(gōng)藝參數，包括激光功率、PTA和激光之間的能量分(fēn)布、送絲速度、移動速度和激光束尺寸對沉積過程和珠形狀的影響。
結果表明，複合工(gōng)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定的沉積過程。由于能量輸入的巨大(dà)變化，激光功率和移動速度對珠形狀有顯著影響。送絲速度的影響更爲複雜(zá)，胎圈寬度最初增加到最大(dà)值，然後随着送絲速度的增加而減小(xiǎo)。激光束尺寸對焊道形狀的影響較小(xiǎo)，但由于高功率密度導緻的不穩定過程，較小(xiǎo)的激光束尺寸會導緻焊道外(wài)觀不規則。此外(wài)，還提出了混合工(gōng)藝中(zhōng)的珠粒形狀控制程序，爲選擇不同的工(gōng)藝參數以獲得所需的珠粒形狀提供了參考。兩個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(wù)理吸收)工(gōng)藝流程。

如，混合工(gōng)藝(上圖)基于雙制冷劑CO2分(fēn)餾+ Selexol流動方案(Ross和Cuellar, 2010)，包括通過低t蒸餾将CO2含量降低到20 mol%的整體(tǐ)去(qù)除步驟，以及通過物(wù)理吸收到DEPG完成的最後一(yī)步。

1.介紹

與傳統的減法和成形制造方法相比，增材制造（AM）由于大(dà)量減少浪費(fèi)材料、相對較短的交付周期、無需模具和模具以及較高的設計靈活性而備受關注。在金屬AM中(zhōng)，粉末或金屬絲通常用作原料，由激光、電(diàn)子束或電(diàn)弧熱源熔化。在不同的AM技術中(zhōng)，導線+電(diàn)弧增材制造（WAAM）最具成本效益，因爲導線的成本低于粉末，電(diàn)弧的效率高于激光和電(diàn)子束，因此适用于高沉積速率的大(dà)型結構部件的沉積。在基于等離(lí)子轉移弧（PTA）的WAAM中(zhōng)，钛的典型沉積速率爲0.4–1.2 kg/h。可以實現更高的沉積速率，但以低表面質量爲代價，導緻大(dà)量材料需要機加工(gōng)。

(a)磁場輔助微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)的工(gōng)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)常規微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)的微孔截面;(c)磁場輔助微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)的微孔截面，加工(gōng)條件與(b)相同。

混合工(gōng)藝涉及微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)和磁場輔助的複雜(zá)組合，以便通過提高碎屑去(qù)除率和磁流變比來改善加工(gōng)性能。與高縱橫比和/或盲區特征的微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)相關的問題之一(yī)是難以沖洗加工(gōng)區的碎屑。這些碎屑顆粒通過産生(shēng)電(diàn)弧和短路導緻不穩定的加工(gōng)，并降低磁流變比和表面質量。爲了解決這些問題，在微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)過程中(zhōng)引入了磁場，以改善碎屑循環。實施垂直于電(diàn)極旋轉力的磁力産生(shēng)合力，在加工(gōng)過程中(zhōng)有效地将碎屑移出孔。磁場輔助微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)中(zhōng)的磨粒受到兩種力：磁力和離(lí)心力。通過磁力和離(lí)心力的矢量相加，給出了碎屑顆粒上的合力，這有助于将碎屑顆粒從機器區域沖出，從而提高加工(gōng)穩定性和MRR，減少刀具磨損，并整體(tǐ)改善微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)性能。在類似的工(gōng)作條件下(xià)，與傳統微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)相比，磁場輔助微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)可以産生(shēng)更高的長徑比孔。磁場的應用有助于微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)中(zhōng)的間隙清潔，因爲增加了間隙外(wài)的碎屑傳輸。由于磁場的應用，碎屑清除能力增強，導緻MRR增加。上圖（a）顯示了磁場輔助微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)的示意圖。從圖（b）和（c）（38）可以理解磁場輔助微細電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)中(zhōng)微孔縱橫比的增加。

線基PTA激光混合AM已顯示出構建具有高沉積速率和近淨形狀的大(dà)型組件的潛力。它結合了兩種熱源的優點（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(gōng)藝本身更大(dà)的優勢。例如，與PTA沉積工(gōng)藝相比，混合沉積工(gōng)藝形成小(xiǎo)孔的可能性較低，且與激光沉積工(gōng)藝相比，沉積速率和工(gōng)藝公差較高。此外(wài)，它允許獨立控制沉積速率和珠形狀，這是單熱源難以實現的。在沉積過程中(zhōng)，單個焊道是最小(xiǎo)的基本單元，它決定了沉積零件的最終表面質量和尺寸精度。因此，了解單個工(gōng)藝參數如何影響焊道形狀以及如何實現目标焊道尺寸是至關重要的，以便實現一(yī)個可靠的工(gōng)藝，以沉積各種幾何形狀。

D-WAAM過程的沉積模型。

與單線不同 + 電(diàn)弧增材制造過程中(zhōng)，兩根焊絲通過兩個送絲器和雙絲裝置在電(diàn)弧前方送絲，在雙絲中(zhōng)熔化并流入熔池 + 電(diàn)弧增材制造工(gōng)藝，如上圖所示。銅和鎂的含量可以通過調整送絲速度（WFS）來調節。

線基電(diàn)弧-激光混合AM工(gōng)藝尚未得到廣泛研究。到目前爲止，大(dà)多數使用電(diàn)弧-激光混合熱源的焊道形狀參數研究都集中(zhōng)在焊接應用上。然而，在混合焊接中(zhōng)，激光束通常用于其深穿透能力，因此激光在小(xiǎo)孔區域以較小(xiǎo)的光束尺寸運行。然而，在混合AM中(zhōng)，激光用于提供額外(wài)的能量，并在熔化金屬絲和擴展熔池時支持電(diàn)弧。因此，在混合AM過程中(zhōng)，傳導機制更爲合适。此外(wài)，在大(dà)量混合焊接情況下(xià)，與AM工(gōng)藝相比，所需填充焊絲的體(tǐ)積要小(xiǎo)得多。因此，焊接和AM之間的不同實際要求導緻不同的最佳工(gōng)作條件，這意味着在混合焊接工(gōng)藝中(zhōng)獲得的結果可能不适用于混合AM工(gōng)藝。據作者所知(zhī)，還沒有關于電(diàn)弧激光混合AM中(zhōng)珠粒形狀控制的系統研究報告。

在基于導線的電(diàn)弧或激光AM工(gōng)藝中(zhōng)，已經有很多工(gōng)作緻力于開(kāi)發此類工(gōng)藝理解。Dinovitzer等人研究了不同工(gōng)藝參數（包括送絲速度（WFS）、行程速度（TS）和電(diàn)流）對鎢極氣體(tǐ)電(diàn)弧（GTA）沉積工(gōng)藝中(zhōng)焊道幾何形狀的影響。他們得出結論，随着WFS的增加，胎圈寬度減小(xiǎo)，而胎圈高度增加。TS對胎圈寬度的影響較大(dà)，但對胎圈高度的影響較小(xiǎo)。此外(wài)，焊道寬度随電(diàn)流的增加而增加。開(kāi)發工(gōng)程零件沉積的工(gōng)藝算法需要了解此類工(gōng)藝。

(a)每面牆取樣位置;(b)拉伸試樣尺寸。

如上圖，将每面牆的兩端(15 mm)剪掉并丢棄。在壁中(zhōng)部進行顯微組織和顯微硬度試驗。在垂直方向上，從牆體(tǐ)中(zhōng)間到端部等距取三個拉伸試樣。從每面牆的頂部到根部均勻取3個水平方向的拉伸試樣。拉伸試驗試樣按标準加工(gōng)，如圖b所示。采用機電(diàn)萬能試驗機(SANS 5504)，在1.5 mm/min加載速率下(xià)進行室溫拉伸試驗。采用維氏顯微硬度試驗機(FM800)，在1.96 N載荷下(xià)，測量15 s的顯微硬度。硬度測試從每面牆底部50 mm開(kāi)始。沿垂直方向，間隔0.5 mm進行30次顯微硬度試驗。

然而，在他們的研究中(zhōng)，選定的工(gōng)藝窗口非常窄（例如，電(diàn)流範圍僅爲50至59 A）。Martina等人對钛的PTA沉積進行了更大(dà)範圍的參數研究（例如，電(diàn)流範圍爲120至300 a）。他們發現，有效壁寬随着電(diàn)流的增加和TS的降低而增加，而層高度随着WFS的增加和電(diàn)流的降低而增加。除了基于電(diàn)弧的沉積工(gōng)藝外(wài)，還研究了激光絲沉積工(gōng)藝中(zhōng)的珠粒形狀控制。Schulz等人采用半解析方法獲得了工(gōng)藝圖，以研究激光絲沉積過程中(zhōng)作爲WFS、激光功率和激光強度分(fēn)布函數的焊道寬度，并獲得了基于電(diàn)弧的工(gōng)藝中(zhōng)所述的類似結果。

圖A 焊道-基體(tǐ)界面的元素掃描結果（左側顯示的焊道）。

圖B 珠-基底界面的定量EDS分(fēn)析（方向與圖A中(zhōng)标記的方向相同）。

采用能量色散x射線能譜(EDS)分(fēn)析方法，觀察了基體(tǐ)與微珠之間擴散區的成分(fēn)變化。彩色地圖如圖A所示，說明了界面中(zhōng)幾種元素的濃度。此外(wài)，還進行了定量掃描，得到了如圖B所示的圖形。界面可以在鐵、鎳、钼等元素的圖形中(zhōng)清楚地識别出來。

此外(wài)，他們還報告說，該工(gōng)藝對WFS與TS的比率非常敏感，低比率會導緻液滴的形成和工(gōng)藝的不穩定性。Abioye等人開(kāi)發了一(yī)個工(gōng)藝圖，用于預測激光絲沉積工(gōng)藝中(zhōng)的工(gōng)藝特性和微珠幾何形狀，并得出了輸入參數（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）之間的關系。Mok等人研究了激光功率、TS和WFS對胎圈形狀的影響，并聲稱胎圈寬度主要由激光功率決定，而TS對胎圈高度的影響比激光功率更爲顯著。

需要對基于線的PTA激光混合AM工(gōng)藝進行類似的工(gōng)作，以實現複雜(zá)組件沉積所需的珠形狀。衆所周知(zhī)，WFS和TS是控制胎圈形狀需要考慮的兩個最關鍵的工(gōng)藝參數。此外(wài)，在混合AM過程中(zhōng)，PTA和激光都提供能量，這有助于金屬絲的熔化和熔池的擴展。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(gōng)作範圍。例如，在PTA沉積工(gōng)藝中(zhōng)，在高電(diàn)弧壓力引起的高電(diàn)流水平下(xià)可形成小(xiǎo)孔，這可導緻缺陷形成，而基于激光的工(gōng)藝中(zhōng)過大(dà)的功率密度可導緻蒸發和熔池不穩定。因此，在PTA激光混合沉積工(gōng)藝中(zhōng)，對于給定的總功率輸入，工(gōng)藝穩定性和珠形狀将根據電(diàn)弧功率與激光功率的比率而變化。然而，這些參數如何影響沉積過程和珠形狀尚不清楚。此外(wài)，還需要制定選擇不同工(gōng)藝參數的程序，爲混合工(gōng)藝中(zhōng)的胎圈形狀控制提供參考。

本研究系統地研究了Ti-6Al-4V線基PTA激光混合AM工(gōng)藝中(zhōng)不同工(gōng)藝參數，包括激光功率、電(diàn)弧功率與激光功率之比、WFS、TS和激光束尺寸對珠子形狀形成的影響。目的是了解每個工(gōng)藝參數對沉積工(gōng)藝和珠形狀的影響，并制定工(gōng)藝參數選擇程序，以在混合沉積工(gōng)藝中(zhōng)實現目标珠形狀。

2.實驗程序

2.1. 材料和設置

用于基闆和線材的材料爲Ti-6Al-4V。金屬絲的直徑爲1.2mm，基闆的尺寸爲300mm×200mm×7mm。在沉積之前，首先對基底進行研磨，然後用丙酮清洗，以去(qù)除任何表面污染。圖1顯示了基于線的PTA激光混合AM系統的實驗裝置。PTA由EWM Tetrix 552電(diàn)源産生(shēng)。等離(lí)子炬的保護氣體(tǐ)（流速：8 L/min）和等離(lí)子氣體(tǐ)（流速：0.8 L/min）均使用純氩。将AMV 4000電(diàn)弧監測器連接至等離(lí)子弧電(diàn)源，以記錄電(diàn)弧電(diàn)壓和電(diàn)弧電(diàn)流。使用波長爲1070nm、最大(dà)功率爲8kW的IPG光纖激光器。

圖1 線基pta -激光混合調幅過程的實驗裝置。

本研究中(zhōng)使用的激光束散焦（即，離(lí)開(kāi)焦點位置，見圖2）。激光頭傾斜30°，以防止背面反射。電(diàn)線是用Dinse送絲機送的。一(yī)個安裝有等離(lí)子炬和激光頭的6軸Fanuc機器人用于控制沉積路徑。實驗在用純氩吹掃的柔性透明外(wài)殼（帳篷）中(zhōng)進行。在沉積過程中(zhōng)，通過PurgEye 600氧氣分(fēn)析儀驗證，将外(wài)殼中(zhōng)的氧氣水平控制在500 ppm以下(xià)。垂直于移動方向安裝CMOS工(gōng)藝攝像機（Xiris XVC-1000），以監控熔池行爲和金屬轉移過程。

圖2 配置用于基于線的pta -激光混合AM過程(側視圖)。

圖2示意性地顯示了本研究中(zhōng)使用的配置，這是PTA激光混合AM工(gōng)藝的最佳操作條件，允許高工(gōng)藝公差和高沉積速率。在這種配置中(zhōng)，導線由PTA照射，激光器置于PTA後面。等離(lí)子炬的定位間距爲8 mm，傾角爲20°，以确保電(diàn)線有足夠的通道，并避免激光反射。送絲角度爲15°。導線尖端和基闆之間的距離(lí)（d1）爲2mm，而PTA和激光器之間的分(fēn)離(lí)距離(lí)（d2）爲10mm。應該提到的是，該送絲位置處于混合沉積工(gōng)藝的最佳範圍内，從而提供穩定的沉積工(gōng)藝和均勻的珠狀。

2.2. 方法

胎圈形狀有三個特征表征，即胎圈寬度、胎圈高度和接觸角（θ），如圖3所示。值得一(yī)提的是，接觸角決定了沉積材料的潤濕和擴散。對于基于線的AM工(gōng)藝，較低的接觸角意味着材料具有更好的潤濕性，從而導緻較低的表面波紋度。在參數研究之前，進行了初步試驗，以确定不同工(gōng)藝參數的合适範圍。然後，在第一(yī)個實驗中(zhōng)，研究了激光功率對微珠形狀的影響。在其他恒定條件下(xià)，激光功率從1千瓦增加到7千瓦，增量爲2千瓦，如表1所示。此外(wài)，僅使用PTA且不使用任何激光的沉積作爲參考（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(gōng)藝參數用于研究各個參數對焊道形狀的影響。

在下(xià)一(yī)個實驗中(zhōng)，研究了電(diàn)弧功率與激光功率之比對焊道形狀的影響（案例6-11，表1）。激光功率從0增加到5千瓦，而電(diàn)弧功率從8減少到3千瓦，将總功率輸入恒定在8千瓦。PTA的輸出功率是根據電(diàn)弧監測器測量的外(wài)加電(diàn)壓和電(diàn)流計算的。爲了研究WFS對胎圈形狀的影響，WFS從2 m/min增加到6 m/min，增量爲1 m/min（案例12–16，表1）。此外(wài)，爲了研究TS對胎圈形狀的影響，通過保持其他參數不變，TS從4 mm/s增加到12 mm/s，增量爲2 mm/s（情況17–21，表1）。

爲了研究激光束尺寸對焊道形狀的影響，激光束直徑從2毫米增加到12毫米，增量爲2毫米（案例22-27，表1）。此外(wài)，在不同的激光功率下(xià)進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(diàn)壓下(xià)獲得的聚氨酯/NaCl納米網膜的場發射掃描電(diàn)子顯微鏡圖像。（C）和（D）分(fēn)别顯示（A）和（B）中(zhōng)所示納米網孔寬分(fēn)布的直方圖。

外(wài)加電(diàn)壓是靜電(diàn)紡絲過程中(zhōng)的重要參數之一(yī)，對靜電(diàn)紡絲納米纖維/網狀膜的結構具有重要的調節作用。因此，研究人員(yuán)對外(wài)加電(diàn)場強度與二維納米網絡結構之間的關系進行了廣泛的研究，他們幾乎都認爲較高的電(diàn)壓有利于納米網絡的形成。在PA-6溶液的電(diàn)網化過程中(zhōng)，丁等人（2006）得出結論，通過提高電(diàn)網化電(diàn)壓，膜中(zhōng)納米網的覆蓋率顯著增加。這一(yī)結果可歸因于随着外(wài)加電(diàn)壓的增加，靜電(diàn)力的增強導緻帶電(diàn)液滴的形成概率增加，從而促進溶劑蒸發和飛沫的相分(fēn)離(lí)。Hu等人（2011年）報告，盡管PU納米網可以在較低電(diàn)壓（20 kV）和較高電(diàn)壓（40 kV）下(xià)制備，但随着電(diàn)壓的增加，納米網中(zhōng)納米纖維/電(diàn)線的直徑減小(xiǎo)，納米網的孔徑顯著增大(dà)，如上圖所示。而且，這一(yī)結果可以用更高的電(diàn)壓導緻Taylor錐和全拉伸過程的更高不穩定性來解釋，從而導緻納米網絡的結構更不穩定。此外(wài)，納米網膜中(zhōng)的微珠缺陷密度通常随着電(diàn)壓的增加而增加，這大(dà)大(dà)降低了所得膜的應用性能。

此外(wài)，沉積了兩個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(gōng)藝中(zhōng)的珠形狀可以根據所提出的程序進行控制。

沉積後，對一(yī)些珠子和兩個單道壁進行橫截面、熱安裝、研磨、抛光和在Kroll試劑中(zhōng)蝕刻，并使用立體(tǐ)顯微鏡觀察其特性（例如輪廓和重熔區域）。所有珠子的長度相同，爲120 mm，珠子尺寸在距離(lí)起始點30 mm、60 mm和90 mm處測量，并使用平均值。應提及的是，使用AxioVision軟件在珠子兩側測量接觸角。

來源：Bead shape control in wire based plasma arc and laser hybridadditive manufacture of Ti-6Al-4V，Journal of Manufacturing Processes，doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.07.009
參考文獻：T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O.Milewski, et al.
Additive manufacturing of metalliccomponents – process, structure and properties，Prog Mater Sci, 92(2018), pp. 112-224, 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001