CMT 电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

作者：吕飞阅 1 王磊磊 1 高转妮 1 窦志威 1 贲 强 1 高川云 2 占小红 1*

1. 南京航空航天大学材料科学与技术学院 南京 211106；
2. 航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司 成都 610073


冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势，在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率，但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此，本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为，同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型，分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律，最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明，电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5m/min增大至7.0m/min时，电流峰值持续时间增加了1倍左右，同时电弧宽度与电流密度的随之增加，使得熔滴过渡过程中电磁力上升，熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3～4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时，熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加，短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。

研究背景
冷金属过渡(Cold metal transfer，CMT)增材制造技术是基于金属快速成形技术与CMT焊接工艺进行快速成形制造的一种新型电弧增材制造技术。该技术可有效改善电弧增材制造过程中的热输入高及飞溅较大导致的组织恶化及性能下降等问题。目前在武器装备、航空航天等领域中高精尖技术飞速发展的背景下，对具有大型化、整体化、高性能铝合金构件的需求越来越大，因此传统的压铸、机加工等技术已经不能满足上述要求，必须突破电弧增材制造高强铝合金关键技术。在电弧增材制造过程中，熔滴过渡可直接影响到电弧稳定性和成形质量，进而影响堆积材料的微观组织及力学性能。国内外学者通过采用高速摄像机对熔滴过渡过程进行观察，得出了不同焊接电流值、沉积方式、电流模式等条件下，熔滴过渡模式可随之发生变化，并通过调节工艺参数来控制熔滴过渡频率，进而实现增材过程稳定且成形质量优异。

研究亮点
该研究通过电信号采集系统获取的不同工艺参数下CMT电弧增材制造2319铝合金电流/电压波形变化规律，并基于电流波形构建电弧放电与熔滴过渡过程数值模型，探究电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理量的空间分布状态，明晰该物理量与电磁力之间的数学关系，进而揭示电弧放电过程中电磁力对熔滴尺寸及熔滴过渡频率的影响机理，为电弧增材制造航空用大型构件提供理论支撑。

该研究根据CMT电弧增材制造过程中的电弧放电及熔滴过渡现象，建立相应的有限元模型，建立的CMT电弧模型与熔滴过渡模型集合了电磁场、温度场、流场等多种物理场，其中电弧模型求解了磁流体动力学方程组，包括质量连续性、动量守恒、能量守恒等方程，着重于探究该过程中的电弧特性和熔滴过渡行为。

关键结论
(1)在高电流模式下的电弧增材制造过程中，熔滴过渡形式为射滴过渡与短路过渡的混合过渡模式。随着送丝速度从5.5m/min增大至7.0m/min 时，焊机输出的电流值随之增高，同时电流峰值持续时间增加了1倍左右，射滴过渡频率增加了3～4倍，而短路过渡频率从29 Hz减少至20Hz。

(2)电弧宽度决定了熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度的增加，焊机输出的电流值也随之增加，靠近基板一端温度梯度较小，电弧的收缩作用较弱，电弧宽度显著增加，这使得熔滴过渡过程中电磁力提升，熔滴还未长大就在高电磁力作用下快速滴落进入熔池。

(3)随着送丝速度的增大，靠近焊丝端的弧柱区电流密度值随之增大，且所产生的洛伦兹力增加。根据电弧轴向推力公式可知，洛伦兹力越大且熔滴滴落时所受轴向电磁力越大，因此射滴过渡频率也随之增加。但在熔滴短路过渡阶段，由于此时电弧熄灭，熔滴仅在重力作用下长大，粗化的熔滴不受电磁力作用，无法快速滴落进入熔池，因此短路过渡阶段熔滴尺寸远大于射滴过渡阶段。

论文链接
DOI：10.3901/JME.2023.15.267