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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))

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...
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。



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