Ti-6Al-4V熔丝等离子弧与激光复合增材制造中的焊道形状控制（一）

来源：江苏激光联盟

导读：本文探讨了Ti-6Al-4V熔丝等离子弧与激光复合增材制造工艺。

摘要
线基等离子转移弧（PTA）-激光混合增材制造具有制造高沉积速率和近净形状的大型金属部件的潜力。在此过程中，单个焊道是每个沉积组件的基本构件，因此，焊道形状控制对于不同几何形状的沉积至关重要。然而，如何通过操纵各种工艺参数来控制胎圈形状仍不清楚。在本研究中，系统地研究了不同工艺参数，包括激光功率、PTA和激光之间的能量分布、送丝速度、移动速度和激光束尺寸对沉积过程和珠形状的影响。

结果表明，复合工艺的最佳操作制度是：焊丝由PTA完全熔化，熔池由激光控制，从而获得良好的珠状和稳定的沉积过程。由于能量输入的巨大变化，激光功率和移动速度对珠形状有显著影响。送丝速度的影响更为复杂，胎圈宽度最初增加到最大值，然后随着送丝速度的增加而减小。激光束尺寸对焊道形状的影响较小，但由于高功率密度导致的不稳定过程，较小的激光束尺寸会导致焊道外观不规则。此外，还提出了混合工艺中的珠粒形状控制程序，为选择不同的工艺参数以获得所需的珠粒形状提供了参考。两个沉积的多层单通道壁证明了该方法的可行性。

混合(低温蒸馏+物理吸收)工艺流程。

如，混合工艺(上图)基于双制冷剂CO2分馏+ Selexol流动方案(Ross和Cuellar, 2010)，包括通过低t蒸馏将CO2含量降低到20 mol%的整体去除步骤，以及通过物理吸收到DEPG完成的最后一步。

1.介绍
与传统的减法和成形制造方法相比，增材制造（AM）由于大量减少浪费材料、相对较短的交付周期、无需模具和模具以及较高的设计灵活性而备受关注。在金属AM中，粉末或金属丝通常用作原料，由激光、电子束或电弧热源熔化。在不同的AM技术中，导线+电弧增材制造（WAAM）最具成本效益，因为导线的成本低于粉末，电弧的效率高于激光和电子束，因此适用于高沉积速率的大型结构部件的沉积。在基于等离子转移弧（PTA）的WAAM中，钛的典型沉积速率为0.4–1.2 kg/h。可以实现更高的沉积速率，但以低表面质量为代价，导致大量材料需要机加工。

(a)磁场辅助微细电火花加工的工作原理( 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)常规微细电火花加工的微孔截面;(c)磁场辅助微细电火花加工的微孔截面，加工条件与(b)相同。

混合工艺涉及微细电火花加工和磁场辅助的复杂组合，以便通过提高碎屑去除率和磁流变比来改善加工性能。与高纵横比和/或盲区特征的微细电火花加工相关的问题之一是难以冲洗加工区的碎屑。这些碎屑颗粒通过产生电弧和短路导致不稳定的加工，并降低磁流变比和表面质量。为了解决这些问题，在微细电火花加工过程中引入了磁场，以改善碎屑循环。实施垂直于电极旋转力的磁力产生合力，在加工过程中有效地将碎屑移出孔。磁场辅助微细电火花加工中的磨粒受到两种力：磁力和离心力。通过磁力和离心力的矢量相加，给出了碎屑颗粒上的合力，这有助于将碎屑颗粒从机器区域冲出，从而提高加工稳定性和MRR，减少刀具磨损，并整体改善微细电火花加工性能。在类似的工作条件下，与传统微细电火花加工相比，磁场辅助微细电火花加工可以产生更高的长径比孔。磁场的应用有助于微细电火花加工中的间隙清洁，因为增加了间隙外的碎屑传输。由于磁场的应用，碎屑清除能力增强，导致MRR增加。上图（a）显示了磁场辅助微细电火花加工的示意图。从图（b）和（c）（38）可以理解磁场辅助微细电火花加工中微孔纵横比的增加。

线基PTA激光混合AM已显示出构建具有高沉积速率和近净形状的大型组件的潜力。它结合了两种热源的优点（即PTA的高效率和激光的高精度），并且显示出比PTA或激光沉积工艺本身更大的优势。例如，与PTA沉积工艺相比，混合沉积工艺形成小孔的可能性较低，且与激光沉积工艺相比，沉积速率和工艺公差较高。此外，它允许独立控制沉积速率和珠形状，这是单热源难以实现的。在沉积过程中，单个焊道是最小的基本单元，它决定了沉积零件的最终表面质量和尺寸精度。因此，了解单个工艺参数如何影响焊道形状以及如何实现目标焊道尺寸是至关重要的，以便实现一个可靠的工艺，以沉积各种几何形状。

D-WAAM过程的沉积模型。

与单线不同 + 电弧增材制造过程中，两根焊丝通过两个送丝器和双丝装置在电弧前方送丝，在双丝中熔化并流入熔池 + 电弧增材制造工艺，如上图所示。铜和镁的含量可以通过调整送丝速度（WFS）来调节。

线基电弧-激光混合AM工艺尚未得到广泛研究。到目前为止，大多数使用电弧-激光混合热源的焊道形状参数研究都集中在焊接应用上。然而，在混合焊接中，激光束通常用于其深穿透能力，因此激光在小孔区域以较小的光束尺寸运行。然而，在混合AM中，激光用于提供额外的能量，并在熔化金属丝和扩展熔池时支持电弧。因此，在混合AM过程中，传导机制更为合适。此外，在大量混合焊接情况下，与AM工艺相比，所需填充焊丝的体积要小得多。因此，焊接和AM之间的不同实际要求导致不同的最佳工作条件，这意味着在混合焊接工艺中获得的结果可能不适用于混合AM工艺。据作者所知，还没有关于电弧激光混合AM中珠粒形状控制的系统研究报告。

在基于导线的电弧或激光AM工艺中，已经有很多工作致力于开发此类工艺理解。Dinovitzer等人研究了不同工艺参数（包括送丝速度（WFS）、行程速度（TS）和电流）对钨极气体电弧（GTA）沉积工艺中焊道几何形状的影响。他们得出结论，随着WFS的增加，胎圈宽度减小，而胎圈高度增加。TS对胎圈宽度的影响较大，但对胎圈高度的影响较小。此外，焊道宽度随电流的增加而增加。开发工程零件沉积的工艺算法需要了解此类工艺。

(a)每面墙取样位置;(b)拉伸试样尺寸。

如上图，将每面墙的两端(15 mm)剪掉并丢弃。在壁中部进行显微组织和显微硬度试验。在垂直方向上，从墙体中间到端部等距取三个拉伸试样。从每面墙的顶部到根部均匀取3个水平方向的拉伸试样。拉伸试验试样按标准加工，如图b所示。采用机电万能试验机(SANS 5504)，在1.5 mm/min加载速率下进行室温拉伸试验。采用维氏显微硬度试验机(FM800)，在1.96 N载荷下，测量15 s的显微硬度。硬度测试从每面墙底部50 mm开始。沿垂直方向，间隔0.5 mm进行30次显微硬度试验。

然而，在他们的研究中，选定的工艺窗口非常窄（例如，电流范围仅为50至59 A）。Martina等人对钛的PTA沉积进行了更大范围的参数研究（例如，电流范围为120至300 a）。他们发现，有效壁宽随着电流的增加和TS的降低而增加，而层高度随着WFS的增加和电流的降低而增加。除了基于电弧的沉积工艺外，还研究了激光丝沉积工艺中的珠粒形状控制。Schulz等人采用半解析方法获得了工艺图，以研究激光丝沉积过程中作为WFS、激光功率和激光强度分布函数的焊道宽度，并获得了基于电弧的工艺中所述的类似结果。

图A 焊道-基体界面的元素扫描结果（左侧显示的焊道）。

图B 珠-基底界面的定量EDS分析（方向与图A中标记的方向相同）。

采用能量色散x射线能谱(EDS)分析方法，观察了基体与微珠之间扩散区的成分变化。彩色地图如图A所示，说明了界面中几种元素的浓度。此外，还进行了定量扫描，得到了如图B所示的图形。界面可以在铁、镍、钼等元素的图形中清楚地识别出来。

此外，他们还报告说，该工艺对WFS与TS的比率非常敏感，低比率会导致液滴的形成和工艺的不稳定性。Abioye等人开发了一个工艺图，用于预测激光丝沉积工艺中的工艺特性和微珠几何形状，并得出了输入参数（WFS、TS和激光功率）与最终微珠特性（接触角、宽高纵横比和稀释比）之间的关系。Mok等人研究了激光功率、TS和WFS对胎圈形状的影响，并声称胎圈宽度主要由激光功率决定，而TS对胎圈高度的影响比激光功率更为显著。

需要对基于线的PTA激光混合AM工艺进行类似的工作，以实现复杂组件沉积所需的珠形状。众所周知，WFS和TS是控制胎圈形状需要考虑的两个最关键的工艺参数。此外，在混合AM过程中，PTA和激光都提供能量，这有助于金属丝的熔化和熔池的扩展。因此，需要考虑两种热源的影响。然而，这两种热源有不同的工作范围。例如，在PTA沉积工艺中，在高电弧压力引起的高电流水平下可形成小孔，这可导致缺陷形成，而基于激光的工艺中过大的功率密度可导致蒸发和熔池不稳定。因此，在PTA激光混合沉积工艺中，对于给定的总功率输入，工艺稳定性和珠形状将根据电弧功率与激光功率的比率而变化。然而，这些参数如何影响沉积过程和珠形状尚不清楚。此外，还需要制定选择不同工艺参数的程序，为混合工艺中的胎圈形状控制提供参考。

本研究系统地研究了Ti-6Al-4V线基PTA激光混合AM工艺中不同工艺参数，包括激光功率、电弧功率与激光功率之比、WFS、TS和激光束尺寸对珠子形状形成的影响。目的是了解每个工艺参数对沉积工艺和珠形状的影响，并制定工艺参数选择程序，以在混合沉积工艺中实现目标珠形状。

2.实验程序
2.1. 材料和设置
用于基板和线材的材料为Ti-6Al-4V。金属丝的直径为1.2mm，基板的尺寸为300mm×200mm×7mm。在沉积之前，首先对基底进行研磨，然后用丙酮清洗，以去除任何表面污染。图1显示了基于线的PTA激光混合AM系统的实验装置。PTA由EWM Tetrix 552电源产生。等离子炬的保护气体（流速：8 L/min）和等离子气体（流速：0.8 L/min）均使用纯氩。将AMV 4000电弧监测器连接至等离子弧电源，以记录电弧电压和电弧电流。使用波长为1070nm、最大功率为8kW的IPG光纤激光器。

图1 线基pta -激光混合调幅过程的实验装置。

本研究中使用的激光束散焦（即，离开焦点位置，见图2）。激光头倾斜30°，以防止背面反射。电线是用Dinse送丝机送的。一个安装有等离子炬和激光头的6轴Fanuc机器人用于控制沉积路径。实验在用纯氩吹扫的柔性透明外壳（帐篷）中进行。在沉积过程中，通过PurgEye 600氧气分析仪验证，将外壳中的氧气水平控制在500 ppm以下。垂直于移动方向安装CMOS工艺摄像机（Xiris XVC-1000），以监控熔池行为和金属转移过程。

图2 配置用于基于线的pta -激光混合AM过程(侧视图)。

图2示意性地显示了本研究中使用的配置，这是PTA激光混合AM工艺的最佳操作条件，允许高工艺公差和高沉积速率。在这种配置中，导线由PTA照射，激光器置于PTA后面。等离子炬的定位间距为8 mm，倾角为20°，以确保电线有足够的通道，并避免激光反射。送丝角度为15°。导线尖端和基板之间的距离（d1）为2mm，而PTA和激光器之间的分离距离（d2）为10mm。应该提到的是，该送丝位置处于混合沉积工艺的最佳范围内，从而提供稳定的沉积工艺和均匀的珠状。

2.2. 方法
胎圈形状有三个特征表征，即胎圈宽度、胎圈高度和接触角（θ），如图3所示。值得一提的是，接触角决定了沉积材料的润湿和扩散。对于基于线的AM工艺，较低的接触角意味着材料具有更好的润湿性，从而导致较低的表面波纹度。在参数研究之前，进行了初步试验，以确定不同工艺参数的合适范围。然后，在第一个实验中，研究了激光功率对微珠形状的影响。在其他恒定条件下，激光功率从1千瓦增加到7千瓦，增量为2千瓦，如表1所示。此外，仅使用PTA且不使用任何激光的沉积作为参考（案例1，表1）。

图3 显示焊道宽度、焊道高度和接触角(θ)的截面示意图。

表1 工艺参数用于研究各个参数对焊道形状的影响。

在下一个实验中，研究了电弧功率与激光功率之比对焊道形状的影响（案例6-11，表1）。激光功率从0增加到5千瓦，而电弧功率从8减少到3千瓦，将总功率输入恒定在8千瓦。PTA的输出功率是根据电弧监测器测量的外加电压和电流计算的。为了研究WFS对胎圈形状的影响，WFS从2 m/min增加到6 m/min，增量为1 m/min（案例12–16，表1）。此外，为了研究TS对胎圈形状的影响，通过保持其他参数不变，TS从4 mm/s增加到12 mm/s，增量为2 mm/s（情况17–21，表1）。

为了研究激光束尺寸对焊道形状的影响，激光束直径从2毫米增加到12毫米，增量为2毫米（案例22-27，表1）。此外，在不同的激光功率下进行了不同激光束直径（5、12和15.6mm）的沉积。

在（A）20和（B）40 kV电压下获得的聚氨酯/NaCl纳米网膜的场发射扫描电子显微镜图像。（C）和（D）分别显示（A）和（B）中所示纳米网孔宽分布的直方图。

外加电压是静电纺丝过程中的重要参数之一，对静电纺丝纳米纤维/网状膜的结构具有重要的调节作用。因此，研究人员对外加电场强度与二维纳米网络结构之间的关系进行了广泛的研究，他们几乎都认为较高的电压有利于纳米网络的形成。在PA-6溶液的电网化过程中，丁等人（2006）得出结论，通过提高电网化电压，膜中纳米网的覆盖率显著增加。这一结果可归因于随着外加电压的增加，静电力的增强导致带电液滴的形成概率增加，从而促进溶剂蒸发和飞沫的相分离。Hu等人（2011年）报告，尽管PU纳米网可以在较低电压（20 kV）和较高电压（40 kV）下制备，但随着电压的增加，纳米网中纳米纤维/电线的直径减小，纳米网的孔径显著增大，如上图所示。而且，这一结果可以用更高的电压导致Taylor锥和全拉伸过程的更高不稳定性来解释，从而导致纳米网络的结构更不稳定。此外，纳米网膜中的微珠缺陷密度通常随着电压的增加而增加，这大大降低了所得膜的应用性能。

此外，沉积了两个具有相同珠形状但不同沉积速率的多层单道次壁，以证明混合工艺中的珠形状可以根据所提出的程序进行控制。

沉积后，对一些珠子和两个单道壁进行横截面、热安装、研磨、抛光和在Kroll试剂中蚀刻，并使用立体显微镜观察其特性（例如轮廓和重熔区域）。所有珠子的长度相同，为120 mm，珠子尺寸在距离起始点30 mm、60 mm和90 mm处测量，并使用平均值。应提及的是，使用AxioVision软件在珠子两侧测量接触角。

来源：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
参考文献：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