摆动参数对铝合金电弧增材制造薄壁成形形貌及尺寸的影响

谢伟峰，周禹阳，年科宇，黄特，李雨，丁彦

（1.东北电力大学，吉林 吉林 132012；2.深圳瑞凌实业股份有限公司，广东 深圳 518000）

0 前言

铝合金由于其高强度、耐腐蚀和优异的力学性能，广泛应用于航空航天、武器装备、交通运输等领域[1-2]，而随着金属增材制造技术的发展，可以快速高效地将铝合金焊丝熔融加工成所需的零件，电弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing,WAAM）作为金属增材制造的一种，具有制造成本低、制造自由度高、成形效率高等优点，因其以连续的“线”作为基本构型单元，非常适用于中低结构复杂度的铝合金构件的集成成形，例如航空航天中的铝合金机体内部框架、加强肋及壁板结构的快速成形，极大的减少了制造周期[3]。虽然WAAW 技术已经过长时间的发展，但也存在成形形貌粗糙，尺寸精度控制难等问题[4-5]。在逐层堆焊成形的过程中，因为热输入变化使不同的焊道层发生形变，产生较大尺寸偏差，这不但增加整个制造过程的辅助修整时间、降低生产效率，也会使构件频繁处于加热-熔化-冷却-切削-再加热这样的循环过程，造成结构件材料组织及力学性能的不稳定[6-8]。

为了改善WAAM 成形形貌及尺寸精度等问题，国内外学者开展了大量的研究工作。Clark 等学者[9]研究了焊接速度、焊丝直径及送丝速度对MIG 电弧增材制造成形形貌的影响规律，发现选取适当焊接参数可改善增材制造成形形貌。Oyama 等学者[10]通过监测熔敷过程中熔池的尺寸和形状变化，分析了尺寸精度的影响因素，发现通过控制热输入可提高熔覆效率和尺寸精度。对比常规电弧通过改变焊接电流、焊接速度及送丝速度等参数来控制焊接热输入，摆动钨极惰性气体保护焊（W-GTAW）可以通过调节摆动参数来实现焊接热输入的控制，这样不仅操作更方便，电弧能量分配更均匀，而且可以控制熔融金属流动，使焊道边缘更加平整，在传统电弧焊接领域已被证实W-GTAW 可以获得更高的焊道成形精度[11-12]，但利用摆动电弧可以实现良好增材制造薄壁成形，以及关于摆动电弧参数对成形影响规律的研究报道尚未发现。所以在大力提倡资源节约和高效制造的背景下，研究及拓展新型热源应用领域，推动高效制造方法适应先进工业发展的需求具有重要的意义。

文中首次提出了基于W-GTAW 热源的WAAM技术，以挖掘摆动电弧工艺的应用潜力，通过控制电弧摆动速度及摆动左右停止时间来实现对焊接工艺的改变，对比观察不同工艺下的焊接电信号稳定性及基板熔透量，最终对薄壁件的高度及表面粗糙度和尺寸精度进行计算，总结分析W-GTAW 工艺对WAAM 薄壁件制造成形过程的稳定性及成形规律的影响，探索摆动电弧在铝合金增材制造领域的应用前景。

1 试验材料及方法

试验所用基板材料为7A52 铝合金，焊丝材料为ϕ1.2 mm 的ER5356 焊丝，其主要化学成分见表1。基板尺寸为150 mm × 100 mm × 4 mm，焊接采用交流WGTAW 填丝多道堆焊，钨极尺寸为ϕ2.4 mm，保护气为纯度99.9%的氩气，其流量为15 L/min，行走速度为2.25 mm/s，送丝速度为33 mm/s，钨极尖端距板材上表面高度为4 mm。并且在无摆动参数条件下，WGTAW 焊枪可以实现常规GTAW 焊接过程。焊接参数与试样编号见表2。因为单一行走方向增材制造的熔覆层起弧端与熄弧端存在较大的高度差，所以采用逐层往复起弧的方式，减小起弧和熄弧对焊道形貌的影响，各道熔敷层的熔覆工艺保持一致，所采用的摆动电弧增材制造试验装置如图1 所示。

图1 基于W-GTAW 热源的WAAM 过程装置示意图

表1 7A52 铝合金及ER5356 焊丝主要化学成分（质量分数，%）

表2 试样焊接参数

试验前先用酒精对基板的油污进行擦拭，随后使用砂轮对上表面进行打磨直至露出金属光泽，将打磨后的7A52 铝合金基板固定在焊接平台上，打开WSME-500I-TIG 焊机起弧的同时并送丝，随后逐层往复在基板上进行单道12 层熔覆，当熔覆道第6 层时，打开电信号数据采集系统，电信号数据采集系统主要由CHV-50VD 电压传感器和CHB-500S 电流传感器组成，实时记录焊接过程的电流和电压信号，利用高速摄像机采集摆动电弧的瞬时形貌图像。单道12 层熔覆完成后，待焊件冷却至室温，对增材制造薄壁的宽度、高度和长度进行测量，随后对薄壁的粗糙度和尺寸精度进行计算，在薄壁中央位置处将其沿垂直焊缝方向切取20 mm × 8 mm 的样件，随后用600 号、800 号、1000 号的砂纸依次对薄壁截面进行打磨、抛光并腐蚀后，利用体式显微镜进行宏观形貌观察。

2 试验结果与观察

2.1 焊接参数对基板熔透量及熔覆高度的影响

2.1.1 基板熔透量

多层熔覆热输入可导致基板被多次集中加热，使基板金属混合焊丝金属熔融下沉，当在零件上进行熔覆时，可能会对其形貌造成损伤，因此控制基板熔透量在金属增材制造产品方面有重要意义。图2 为不同摆动参数下基板熔透图像。观察1 号试样发现常规无摆动电弧可导致基板焊道整体区域熔透较大，最大达到4 mm 高度凸起；而利用摆动电弧后熔透量降低，只在起/收弧区域有部分凸起，其中在最大电弧摆动速度条件下的4 号试样熔透程度最小，前后区域相加长度只有34 mm，整体焊道长度方向超过2/3无凸起发生；而在最大电弧摆动左右停止时间条件下（6 号试样），基板背部凸起程度最小，背部损伤最小。这可能是因为W-GTAW 热源在一定程度上可改善常规GTAW 热源能量过于集中的问题，电弧摆动分散电弧热量至焊道两侧边，使整体焊道热量分布更均匀，进而使熔宽增大，熔深减小。另外，对于Mg，Si 等这些热敏感的金属元素，采用摆动电弧降低焊接热输入，这也有助于抑制Mg 和Si 等热敏感元素的烧损，改善零件的力学性能[13]。

图2 不同摆动参数下基板熔透图像

2.1.2 熔覆高度

为了追求WAAM 薄壁件的制造效率，获得小层宽，大层高的单道多层熔覆薄壁最为理想，但采用大的焊接电流可使熔池的宽度和深度同时增大，进而降低熔覆层高度，而小电流将会使焊丝不能及时熔化，形成的焊接飞溅影响成形质量[14-15]，因此有必要进一步探讨摆动电弧对增材制造熔覆层高度的影响。为了便于描述铝合金薄壁成形过程，图3(a)中定义L0为单层熔覆高度，L为12 层熔覆高度；图3(b)为不同焊接参数下的L，由于摆动工艺的影响，焊丝会向焊道两侧熔融进而使薄壁宽度增加，又因行走速度和送丝速度未改变，焊丝熔融总量不变，W-GTAW 成形薄壁高度会有所降低，图中常规GTAW 条件下，1号试样的薄壁高度为15.96 mm，而2 号试样的薄壁高度为15.91 mm，并且电弧摆动速度和摆动左右停止时间越大，薄壁高度越低；其中电弧摆动左右停止时间最大0.25 s 时（6 号试样），薄壁高度最低，仅为12.97 mm，分析可知，停止时间的增大可能导致薄壁侧边焊丝熔覆过多使薄壁向两侧延展，导致高度降低。

图3 薄壁成形模型及高度对比

2.2 焊接参数对基板翘起角度及上表面形貌的影响

2.2.1 翘起角度

当多次反复进行焊接操作时，基板会发生形变现象，反观WAAM 的影响薄壁成形结构，由于基板前后两端会受到多次起弧和熄弧的影响，这很容易出现基板翘起现象，翘起角度θ越大，对于薄壁整体成形精度影响越严重，甚至使薄壁整体呈U 状，如图4所示，因此需要优化焊接工艺以获得较小的翘起角。利用型号为MG-8 的焊缝检验尺对基板两端的厚度中点a 及基板中部厚度中点b 进行高度测量，结合两中点的水平及垂直高度差计算得出基板翘起角度，并且为保证数据准确，每个测量值为多次测量的平均值，图5 列出了不同参数条件下θ的变化情况。对比常规GTAW 热源，采用W-GTAW 后均可获得较小的θ，且电弧摆动速度越小，θ越小；而增大摆动左右停止时间也可以有效减小θ，其中在摆动速度为4.0 × 10-2rad/s，摆动左右停止时间为0.25 s 的焊接条件下（6号试样），薄壁基板的θ仅有0.2°，获得了最小的θ值。

图4 增材制造基板翘起角度示意图

图5 基板翘起角度对比图

2.2.2 薄壁上表面形貌

因摆动电弧不同于常规电弧的直线行走路径，焊道表面形貌势必受到影响，图6 为增材制造薄壁的上表面图像，观察发现W-GTAW 焊道相较于常规GTAW焊道呈S 状，由2 号、3 号及4 号试样发现，当增大电弧摆动速度后，焊缝纹路间距会减小且更为清晰，而对比3 号、5 号和6 号试样则发现，增大电弧摆动左右停止时间会使焊缝纹路边缘之间距离增大，但其单独纹路的形状不改变，为了更加直观的探究摆动参数对薄壁厚度的影响，图7 统计了不同参数下的薄壁厚度，对比常规GTAW 薄壁，W-GTAW 薄壁厚度会有相应增大，并且电弧摆动左右停止时间越大，薄壁厚度越大，在6 号试样下薄壁厚度为13.83 mm，其值为所有参数中最大，且比常规GTAW 壁厚增加了2.67 mm，对于较大壁厚零件的生产可以减少熔覆道数。

图6 不同焊接参数下薄壁的上表面形貌

图7 不同焊接参数下薄壁厚度

2.3 焊接参数对薄壁尺寸精度的影响

成形精度不高一直是电弧增材制造所存在的问题，而单道多层熔覆需要多次转换基板方向，熔覆层中心线误差等因素，均可能造成薄壁侧壁面凹凸缺陷，因此可以通过计算薄壁剖面的尺寸精度及粗糙度的方式来衡量成形精度，试验通过对薄壁两侧边缘点作竖直平行切线，测得切线距离为l0，并作10 条等距的平行线平分薄壁件，起始于轮廓线左端，结束于轮廓线右端，10 条平行线的长度分别记为l1,l2,···,l10，如图8 所示。

图8 薄壁件尺寸精度示意图

为了更加直观衡量薄壁的尺寸精度，现对上述平行线长度进行统计计算得到薄壁表面粗糙度及尺寸精度，探究摆动工艺参数改变对铝合金薄壁成形的影响规律，粗糙度公式r如式（1）[16]所示

式中：r为薄壁的表面粗糙度；l0表示薄壁最大厚度；ln则表示薄壁的等分厚度；k为比例尺。随即利用获得的表面粗糙度r计算尺寸精度a，如式（2）[16]所示

图9 为薄壁的剖面图像，经过测绘计算剖面图像得图10，由图10 可知W-GTAW 可以有效提高薄壁件尺寸精度并降低表面粗糙度，但是较大的电弧摆动速度会使焊接热输入降低，从而不利于焊丝的熔融，薄壁容易出现凹凸缺陷，因此图10(d)相较于其他摆动工艺薄壁的精度最低；而适当增大摆动停止时间对于薄壁件尺寸精度则有一定的提升作用，增大停止时间使薄壁侧边焊丝熔融更为充分，对薄壁的拱形缺陷有修复作用，但过大的停止时间则会使焊丝熔融偏左或偏右导致薄壁左右交替出现突出部分，进而导致尺寸精度下降并增大表面粗糙度。

图9 薄壁剖面图像

图10 摆动参数对薄壁件侧壁尺寸精度影响

单道多层熔覆过程中需要多次起弧和熄弧，很容易造成薄壁两端受热不均，焊丝熔覆量出现差异，而在多次熔覆后，使薄壁两端与中间出现高度差，因此对于高度差的修复在薄壁电弧增材制造中也很重要。为了更好地对比上述高度差，图11 为各个参数下的薄壁侧视图，1 号试样的薄壁因未加入摆动工艺成形较差，如图11 所示，两端高度与中间高度相差约2 mm，这不利于薄壁整体的成形，而加入摆动工艺参数后则使薄壁顶部更为平整，且随着电弧摆动速度及左右停止时间的增大薄壁件顶部弧度也随之减小，在薄壁长度相同的条件下，选用6 号试样的参数时，所获得薄壁两端高度与中间高度差异最小。对于实际结构件，这有助于减少后处理工序时间及材料的浪费。由图11 可看出，适当增大电弧摆动速度及左右停止时间可使侧壁的粗糙程度降低，为了探究摆动工艺对铝合金成形稳定性的影响，对焊接过程中的焊接电流、电弧电压数据进行统计，图12～图17为不同参数条件下U-I图像，观察可知电弧电压在图像中部动态工作点移动轨迹较集中，两侧工作点则比较杂乱，因此选取两侧区域的电压信号统计绘制成表3。

图13 2 号焊接参数下的U-I 图像

图14 3 号焊接参数下的U-I 图像

图15 4 号焊接参数下的U-I 图像

图16 5 号焊接参数下的U-I 图像

图17 6 号焊接参数下的U-I 图像

表3 图12 放大部分的电压工作点统计

由于衡量电信号稳定的条件便是其工作点是否密集，观察图12 发现1 号参数下的U-I图像由于无摆动工艺其工作点分布相较于其他参数下的更集中，而改变电弧摆动速度和左右停止时间都会不同程度的影响电信号的稳定性，观察图15 发现4 号参数下的U-I图像因增大摆动速度导致受影响最为明显，其图像左端出现较多的杂乱线条，且4 号参数在表3 中的主要集中区域占比最小仅为96.13%；而观察表3 发现2 号参数波动区间差值是最大的，电压波动范围最广，对照图11 发现2 号、4 号参数条件下的薄壁侧壁均也较为粗糙，因此电信号工作点越密集或电压波动越小可能会减小薄壁侧面粗糙程度，而且图11 中5 号参数条件下的薄壁最为光滑，其电信号工作点也较为集中，表3 显示5 号参数条件下波动区间差值最小为5.36 V，即波动范围最小，也验证了上述说法。

3 分析和讨论

电弧摆动参数对铝合金薄壁成形精度造成影响可能有两点原因，其一为电弧摆动速度及摆动停止时间的改变影响了焊接行走路径，如图18 所示。当没有电弧摆动左右停止时间及较小摆动速度时，较多焊丝会熔融在焊道中心线上，导致薄壁侧边与中间高度出现差异，进而影响下一层的焊丝熔融堆覆，使薄壁尺寸精度下降增大表面粗糙度，而观察图18发现适当增大电弧摆动左右停止时间和摆动速度都会使电弧在左右两侧的实际停留时间增大，进而增大了送丝量使侧边与中间高度差减小，使薄壁上表面及侧表面粗糙度有所降低。

图18 摆动参数对热源行走路径的影响

在W-GTAW 铝合金增材制造过程中，由于电弧及焊丝一起随焊枪整体摆动，电弧在摆动过程中形貌会发生变化，其中电弧摆动速度的影响最为显著，当电弧在摆动到焊道边缘时，摆动速度越大，电弧形状向摆动方向偏移现象越明显（图19），因此对金属熔滴受力大小和方向有所改变，可能对铝合金薄壁成形精度也会造成影响。

图19 不同电弧摆动速度对电弧形态的影响

熔滴在过渡过程中会受到电弧中带电粒子的作用以及自身重力、摆动离心力的影响，其中带电粒子的作用又包括电弧吹力（Fa）、电场力（Fe）和洛伦兹力（Fb）[17]。这其中Fa是保护气体从喷嘴喷出而产生，其方向由喷嘴指向工件熔池，具体如公式（3）[17]所示

式中：Cps为带电粒子的阻力系数；ρg为保护气体密度；vg为保护气体喷出速度；rp为带电粒子的半径；Q为保护气体的流入率；Rn和Rw分别是气体喷嘴和焊丝的半径。

焊接过程中钨极端部和熔池上表面之间会产生电弧电压。当带电粒子在钨极端部和熔池上表面之间移动时，也会受电场力（Fe）作用

式中：e为带电粒子的电荷；E为电场强度；U为电弧电压；D为钨极端部到熔池上表面的距离；R为电阻；σ为电导率；A为电弧横截面。根据电磁感应原理，电场会产生自感磁场。故带电粒子会受到洛伦兹力（Fb）的影响，具体描述如公式（5）所示

式中：I为焊接电流；rw为焊丝半径；θ是电极轴与带电粒子位置之间的最大角度。

图20 为电弧摆动到最右侧时电弧与熔滴受力分析示意图。如图20(a)所示，以钨极接电源的正极为例，电弧内部的电场方向是从钨极尖端到焊道。因此，在Fa和Fe的作用下，电弧中的带电粒子 将直接从钨极尖端移动到焊道，继而合力推动熔滴向此方向移动[18]，而由于电弧摆动速度越大其形状向摆动方向偏移越明显，使电弧出现不对称现象，钨极指向方向分割电弧其右侧电荷数量大于左侧电荷，又因洛伦兹力对电弧有压缩作用，因此在电弧摆动到右侧时熔滴受到较大的自右向左的Fb分力，其中熔滴重力（Fg）如公式（6）所示

图20 电弧摆动到最右侧时电弧与熔滴的受力分析示意图

式中：rd为熔滴的半径；ρ为熔滴的密度；g为重力加速度。由于熔滴在滴落时是摆动状态的，因此也要考虑摆动所赋予离心力（Fc）的影响，如公式（7）所示

式中：m为熔滴质量；w为摆动角速度。综上，熔滴所受合力（Fr）为

在这些力中，Fa，Fe和Fg都是推动熔滴向焊道过渡的力，而Fc和Fb是一对互相牵制的力，当增大电弧摆动速度，Fb大于Fc且对于整个力系影响较大时，合力Fr有向摆动反方向的分力，如图20(b)所示，提高了拱形薄壁两侧的焊丝熔融量，从而减轻了熔滴向拱形薄壁表面两侧滑落所导致薄壁精度下降的影响，而过大的摆动速度可能导致Fc大于Fb，使熔滴进一步向摆动方向滴落增加薄壁宽度，并且熔滴可能离热源过远而凝结过快，使薄壁侧壁出现焊瘤等缺陷，所以说适当的增大电弧摆动速度可以使得薄壁成形精度得到提高。

4 结论

（1）选用W-GTAW 热源可以减少基板熔透量，电弧摆动速度为5.0 × 10-2rad/s 的基板熔透区域相加长度仅有34 mm，210 mm 以上的焊道没有发生熔透现象，且增大电弧摆动速度及摆动左右停止时间都会减少基板熔透量，但一定程度上会降低薄壁高度。

（2）对比常规GTAW 成形件，W-GTAW 增材制造可以减小基板翘起角度，改善薄壁上表面形貌。电弧摆动速度越小或摆动左右停止时间越大则基板翘起角度越小，在最大摆动左右停止时间为0.25 s 时，获得了最小的基板翘起角度，仅为0.2°。

（3）对于铝合金W-GTAW 薄壁成形过程，适当增大电弧摆动速度和摆动左右停止时间可以提高薄壁尺寸精度。在摆动速度为3.0 × 10-2rad/s，摆动左右停止时间为0.20 s 时，试验条件下获得了最高的侧壁尺寸精度（0.92）。

（4）对比常规GTAW 热源薄壁成形极易出现薄壁两端与中间高度差较大的问题，W-GTAW 热源可以获得高度差更小的薄壁成形件。在最大电弧摆动左右停止时间为0.25 s 条件下的薄壁高度差是最小的，整体高度更为平整。