电弧增材制造ZL114A铝合金工艺调控

何京文 王国庆 田彩兰 马 芳 金盈池

电弧增材制造ZL114A铝合金工艺调控

何京文1王国庆2田彩兰1马 芳1金盈池1

（1. 首都航天机械有限公司，北京 100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

通过设计正交试验，研究了电弧熔丝增材制造ZL114A铝合金的成形电流、电压、轴增量、层间停留时间等工艺参数对成形铝合金力学性能的影响。结果表明，工艺参数对力学性能的影响程度关系是：送丝速度>电流>电压>层间停留时间；层宽极差分析表明：电流和电压因素对层宽的影响非常显著，层间停留时间因素对层宽的影响显著，送丝速度因素对层宽的影响不明显；电弧熔丝增材制造ZL114综合力学性能最好时的成形工艺参数是：电流170A、电压13V、送丝速度90mm/min、层间停留时间10s。

ZL114A铝合金；电弧增材；正交试验；力学性能

1 引言

电弧增材是以电弧作为热源，将丝材融化并逐层堆积而成形的一种增材制造技术，具有效率高、成本低等[3～6]优点。近年来，国内外已经将电弧增材制造技术应用于铝合金构件的快速制造，并取得了一定成果。本文以ZL114A铝合金为研究对象，设计正交试验，综合调控电弧增材制造ZL114A铝合金的成形电流、电压、轴增量、层间停留时间等工艺参数。

2 结构特征

由Motoman HP20D机器人、Motoman双轴变位机、Fronius KD 4010推丝式送丝机、Miller Dynasty 350焊机、Jetline AVC 501弧长控制器等主要构件集成了电弧增材制造设备，通过控制机器人、TIG焊接电源与送丝机构的同步协调移动，实现拟成形三维结构件的快速成型，如图1所示。

图1 实验用电弧增材制造设备

2.1 试验准备

丝材选用牌号为ZL114A、直径为1.2mm的铝合金焊丝，基板选用牌号为6061、厚度为10mm的铝合金平板；保护气体选用高纯氩气。

2.2 正交试验设计

任何一个工艺参数的改变均会对成形质量有不同程度的影响，为了分析各因素对成形质量的影响情况，明确各因素之间的主次关系，在单道多层成形工艺规范的基础上，采用正交试验设计法中的L9（34）进行四因素三水平的正交试验以进一步优化工艺参数。

大量试验表明，成形电流、电压、层间停留时间、送丝速度和轴增量对成形质量的影响较大。由于试验过程中设备配备了弧长控制器，可以忽略轴增量对成形质量的影响。因而重点探讨电流、电压、送丝速度和层间停留时间对成形质量的影响。采用四因素三水平的正交试验表进行试验，因素和水平的具体数值见表1。

表1 因素和水平表

2.3 力学性能分析

由表2可知，经过T6状态热处理后，电弧增材制造ZL114A铝合金的力学性能较好，b=336～352MPa，0.2=264～283MPa，10=9.0%～11.8%，b和0.2的波动范围小，在4%～7%之间，10的波动范围大，为34%。参照QJ 3185—2003《航天用铝合金ZL205A、ZL114A铸件规范》可知，电弧增材制造ZL114A铝合金的b和0.2基本达到了同牌号铸件在相同热处理条件下的力学水平，10远高于同牌号铸件在相同热处理条件下的力学水平。

表2 力学性能极差分析结果

2.4 力学性能的极差和方差分析

以T6状态热处理后试样力学性能为目标函数对试验结果进行极差分析，以力学性能的最大值为最优水平。表2是根据表1试验的结果和极差分析，其中力学性能指标的具体数值为三次测量结果的平均值。

极差数值反映了相应因素作用的大小，值大的因素表示不同水平对指标造成的影响较大，是主要因素；值小的因素，其不同水平对指标造成的影响也相对较小，为次要因素。由此可知，工艺参数对抗拉强度b、屈服强度0.2的影响程度关系为：送丝速度（C）>电流（A）>电压（B）>层间停留时间（D）；对延伸率10的影响程度关系为：电流（A）>送丝速度（C）>电压（B）>层间停留时间（D）。

由于极差分析是对试验结果进行直观分析，涵盖了试验误差对分析结果的影响，需要进行方差分析，剔除了试验误差对结果的影响。因而，方差分析是极差分析的有利补充。用SPSS软件对力学性能三次测试的所有结果进行方差分析，结果如表3、表4所示。

关于施工用火，规程规定：外保温工程施工现场应为禁火区域，并应远离火源，严禁吸烟。动用明火时，必须严格执行动火审批制度，且确认该区域内的可燃类保温材料已覆盖了抹面层或界面层，并采取相应的安全措施，设专门的动火监护人，配备足够的灭火器材。严禁在已完成安装的保温材料上进行电气焊接和其他明火作业。

表3 抗拉强度方差分析结果

表4 屈服强度方差分析结果

由表3可见，A因素、B因素与C因素对抗拉强度的影响非常显著，D因素对抗拉强度的影响不显著。各因素对于抗拉强度影响的主次顺序是A=C>B。这与方差分析结果相一致，但是D因素对试验结果无影响。

由表4可知，A和C因素对屈服强度的影响非常显著，B和D因素对抗拉强度的影响显著。各因素对屈服强度影响的主次顺序是C>A>B>D。这与方差分析结果相一致。

由上述正交试验的极差和方差分析结果可知各因素的最佳工艺参数，具体如下：

a. 因素A和C对抗拉强度和屈服强度的影响都非常显著，且因素C较因素A的影响更为显著；对延伸率的影响不显著。结合极差分析可知，C3A1（=170A，=90mm/min）为最佳工艺组合。

b. 因素B对抗拉强度的影响非常显著，对屈服强度的影响显著，对延伸率的影响不显著。结合极差分析可知，B2（=13V）为最佳工艺。

c. 因素D对抗拉强度的影响显著，对抗拉强度的影响不显著，对延伸率的影响不显著。结合极差分析可知，D2和D3（=10s和=20s）为最佳工艺。结合电弧增材制造效率可知，越小越有利于提高成形效率。因此，层间停留时间的最佳选择为=10s，对于大尺寸构件可以连续成形。

由上述分析可知，获得最佳力学性能的最优工艺参数是：=170A，=13V，=90mm/min，=10s。

由上述正交试验的极差和方差分析结果对各因素的最佳工艺参数进行分析，具体如下：

a. A和B因素对层宽的影响非常显著，结合极差分析和电流对层宽的影响可知，电流与层宽成正比。因而，A（150～170A）可以依据拟成形构件的尺寸和力学性能对电流参数进行选择。B对层宽的影响较小，因而根据力学性能和成形过程的稳定性要求，B（=13V）为最佳工艺。

b. C因素对层宽的影响不显著，可不考虑。

c. D因素对层宽的影响显著，由极差分析结果可知，层宽与层间停留时间成反比。

3 结束语

单道多层试样综合力学性能最高时的成形工艺参数是：=170A，=13V，=90mm/min，=10s。构件最佳的成形工艺参数应依据构件尺寸对成形宽度的要求和成形效率在此基础上进行一定的调整。

研究成果可用于支撑件、过渡段壳体类构件、框梁类构件等构件的快速研制。同时，可以为其它牌号铝合金、镍基高温合金、钛合金等材质零件的快速研制技术研究提供参考，加快电弧熔丝增材制造技术在不同材料体系中的应用推广，有利于提高我国国防武器装备、航天运载型号的快速研制能力。

1 熊江涛，耿海滨，林鑫，等. 电弧增材制造研究现状及在航空制造中应用前景[J]. 航空制造技术，2015(23/24)：80～85

2 刘大响，金捷，彭友梅. 大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析[J]. 航空动力学报，2008，23(6)：976～980

3 刘一搏，孙清洁，姜云禄，等. 基于冷金属过渡技术快速成形工艺[J]. 焊接学报，2014，35(7)：1～4

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5 刘宁. TC4钛合金TIG填丝堆焊成型技术研究[D]. 哈尔滨工业大学，2013

6 陈天佐，李泽高. 金属堆焊技术[M]. 北京：机械工业出版社，1991

Technical Adjusting of Wire Arc Additive Manufactured ZL114A Aluminum Alloy

He Jingwen1Wang Guoqing2Tian Cailan1Ma Fang1Jin Yingchi1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076； 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

The effects of technical parameters of electrical current, electrical voltage, increment onaxis, standing time between layers, etc, on mechanical properties of wire arc additive manufactured ZL114A aluminum alloy were researched by orthogonal test method. The results showed that the incidence of technical parameters on mechanical properties were wire feeding speed > electrical current > electrical voltage > standing time between layers. The range analysis on layer width results manifested that electrical current and electrical voltage had very significant effect, standing time between layers had significant effect, wire feeding speed had no significant effect. The optimal technical parameters on mechanical properties of wire arc additive manufactured ZL114A aluminum alloy were that, electrical current was 170A, electrical voltage was 13V, wire feeding speed was 90mm/min, standing time between layers was 10s.

ZL114A aluminum alloy；wire arc additive；orthogonal test；mechanical properties

2018-10-01

何京文（1968），研究员，计算机应用专业；研究方向：电弧增材制造。