铝青铜电弧增材制造成形工艺研究

(1.黑龙江科技大学机械工程学院 黑龙江 哈尔滨 150000；2.哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院 黑龙江 哈尔滨 150000)

一、前言

增材制造又称3D打印技术，它是基于离散、堆积的思想，通过切片软件对目标零件的三维立体模型进行分层切片处理，然后以逐层熔敷的方式而实现具有复杂结构零件的直接制造[1]，它的最大的优势在于减少了工序，缩短了加工周期，大大节约了原材料[2]。目前，国内外关于铜及铜合金增材制造工艺方面的研究较少，铝青铜具有优良的延展性、减摩性、导电性和导热性，已经在工业中得到广泛的应用[3]，由于CMT(Cold Metal Transfer)焊接技术可以降低焊接过程的热输入量，避免了熔滴飞溅，焊接过程稳定性较好，焊缝可以获得良好的性能[4-5]，本文在CMT快速成形技术的背景之下，探究了各种工艺参数对铝青铜增材制造成形精度的影响。

图1 电弧增材制造系统

二、材料及方法

试验所使用的电弧增材设备为奥地利福尼斯公司生产的型号为RCU 5000i CMT Advanced的焊接电源以及瑞士ABB集团生产的型号为ABB IRB 1600ID的六轴机器人，如图1所示。设置送丝速度、增材速度、层间冷却时间等工艺参数作为基础变量，研究了工艺参数对薄壁墙体增材试样成形精度的影响。其中焊接电流和焊接电压由焊接电源中的专家系统自动匹配，只需调节送丝速度，焊接电流和焊接电压会联动变化。

试验使用4.5mmx60mmx100m的304钢板作为基板，直径1.2mm铝青铜焊丝作为填充的增材材料，化学成分如表1所示。试验之前采用角磨机打磨基板来去除表面的氧化膜，随后运用酒精来清理基板表面的油污。增材路径划为往复方向，成形长度9cm、高度21层的薄壁型墙体试样，焊丝干伸长12mm，保护气为纯氩气，保护气流量15L/min，焊枪每层抬高1.8mm。

表1 铝青铜焊丝化学成分(wt.%)

利用线切割机从增材墙体上切取试样，切取位置如图2所示。

图2 金相试样截取位置示意图

为了便于对不同工艺下增材制造试样组织及性能的分析，下文主要是基于控制变量法，应用表2的工艺参数对墙体试样进行成形试验。

表2 单道多层墙体成形工艺参数

通过试验1、试验2、试验3分析层间冷却冷却时间对增材试样成形精度的影响，通过试验5、试验4、试验3分析增材速度对增材试样成形精度的影响，通过试验4、试验6、试验7分析送丝速度对增材试样成形精度的影响。

三、结果与分析

(一)工艺参数对试样成形的影响

在图4中展示了在不同工艺下增材墙体金相试样的截面形貌，切取位置如图2所示。从图4可以发现，虽然增材工艺不同，但是这些试样的成形特征整体具有一致性。其中试样底端最初的几层焊缝都颇为狭窄，因为最初几层焊缝熔敷时，其散热的主要方式是借助于基板来实现，整体散热速度比较快，使得焊缝的铺展变得比较不充分，进而导致最初的几层焊缝成形较窄；增材成形件是采取逐层熔敷金属的方法来实现的，侧面会存在一定程度的波动，所以通过图4可以看出在层与层之间会有明显的侧壁纹路特征。使用游标卡尺对金相试样的高度进行测量，发现，不同的工艺参数对试样的高度也有不同的影响，层间冷却时间较长和焊接热输入较大的试样整体高度偏大。

(1)号 (2)号 (3)号

(4)号 (5)号 (6)号

(7)号

由于目前还没有统一的判断增材制造试样成形好坏的标准，文章中通过定义垂直偏差度来测量试样在垂直方向的精度，用此垂直偏差度的数值作为判断增材墙体成形精度的标准。首先对金相试样的截面图片通过MATLAB程序语言编译，经过二值化处理之后，提取出外轮廓截面信息。然后将轮廓图像导入VISIO软件，在试样轮廓顶端圆弧过渡区域画一条和基板平行的直线，然后依次在截面两侧纹路轮廓最外侧位置作切线，使切线垂直于基板表面，同时与顶端直线相交，确定试样轮廓外接矩形。为了可以定量的描述墙体截面的成形精度，选取该外接矩形宽度的中线建立笛卡尔坐标系，定义试样轮廓外接矩形的中线横坐标μ=0，利用VISIO软件标尺功能参考游标卡尺测量的试样高度进行等比例计算，求出试样外轮廓中线每个点横坐标xi，定义试样垂直偏差度σ为

计算出在不同工艺下增材试样的垂直偏差度，通过表3可以发现，在其他参数保持不变时，增加层间冷却时间会减少试样的垂直偏差度，即可以提高增材墙体的成形精度，但是在合理的层间冷却时间内，其对成形影响不是特别大，垂直偏差度数值在0.087—0.276之间。对比增材速度对成形精度的影响，当增材速度增加时，试样的垂直偏差度有所减小，发现当增材速度增加到11mm/s时垂直偏差度为0.087，成形精度变得非常理想，可以得出，当增材速度为11mm/s时焊接热输入较小，由于熔池的温度比较低，不会使熔池金属向墙体侧壁流淌而逐渐形成墙体倾斜的现象，所以成形较好。同时发现，送丝速度对垂直偏差度值呈现先减小后增大的趋势，波动性较大。

表3 垂直偏差度值

四、结论

利用MATLAB软件提取增材试样的外轮廓，定义垂直偏差度来判断其成形精度。结果表明，随着层间冷却时间的增加，增材试样的成形精度有所改善，但是影响较小；在增材速度较小范围内时，成形精度随着增材速度的增大略有增加，当增材速度增大到11mm/s时成形精度显著提高；另外，送丝速度对增材试样的成形精度影响波动性很大，规律不明显。