电弧增材高频微锤击系统及工艺特性的初步物理模拟

胡超雄，肖珺，陈树君

(北京工业大学,汽车结构部件先进制造技术教育部工程研究中心，北京 100124)

0 前言

近几年来，电弧增材制造技术的研究和应用发展迅速，电弧增材类似堆焊过程，物理本质上仍然是金属局部的快速熔化、冷却和凝固，复杂的热循环使得电弧增材构件面临焊接过程类似的问题：残余应力和变形，内部缺陷、晶粒粗大引起的力学性能下降等[1-6]。因此，如何改善金属增材制造材料组织，提高其力学性能成为电弧增材领域一个重要挑战。借鉴电弧焊接过程随焊锤击、碾压可以有效改善焊缝微观组织，提高力学性能，在电弧熔丝增材过程同步施加微区锤锻或冲击作用，是提高增材零件组织性能的可行途径。Colegrove等人[7]在电弧增材制造过程中对材料进行了滚压处理。结果表明，轧制后样品内的残余应力小于未处理样品的残余应力，且离基材越近，效果越明显。同时，在随后的沉积过程中，轧制后的材料再加热会在材料内部引起晶粒细化。Gu等人[8]通过层间轧制和后沉积热处理研究了铝合金孔隙率的变化。结果表明，在不同的轧制载荷下，材料中的孔数均大大减少。与此同时，Gu等人[9]还发现在不同载荷下层间轧制处理后，Al-6.3Cu合金的硬度和强度得到显著提高。

喷丸和超声冲击处理(UIT)已用于焊接应用，以减少局部残余应力和改善焊接机械性能。Li等人[10]研究了低温(80 ℃，120 ℃和160 ℃)超声表面轧制对HIP Ti-6Al-4V合金材料表面层组织和性能的影响。结果表明，低温超声表面处理的样品在材料表面改性层中发生明显的塑性变形，并伴有一些细化的晶粒和致密的位错。Hönnige等人[11]研究了新型机械锤击(MHP)工具的潜力，以补充或取代轧制作为层间冷加工技术。结果表明，MHP是一种在Ti-6Al-4V 电弧增材过程实现晶粒细化的合适技术。

这些方法都有各自的优点，但应用于增材制造过程同步锤击，有着共同的局限性：体积大，设备较笨重，空间可达性和行走速度都受限，其次锤击力和锤击频率互相制约，大锤击力则频率过低，高频锤击则锤击力小。文中提出了一种新型基于小型直线促动器的随焊微锤锻技术，具有结构紧凑，高频大力输出的特点。文中将介绍该系统的基本工作特性，并通过试验进行初步的验证。

1 试验系统方法

1.1 系统结构及锤击能力测试

文中设计的机器人微锤锻系统如图1所示，可见体积非常紧凑小巧，可以集成与焊枪集成于一个机器人，也可以装载到另一辅助机器人进行多机协同。末端的滚动机构可以保证高速行走在焊缝表面。紧凑设计的锤锻装置可以保证尽可能离熔池更近的去进行锤击，有利于高温凝固区的处理，同时增强对液体熔池的振荡冲击。该节主要对系统的锤击能力进行验证，即在高频率下获得足够的锤击力。线性促动器的输出压力可通过峰值为0 ～ 10 V的脉冲波形控制信号进行调节，锤击头内置有压力传感器实时测量锤击力大小。图2所示为10 V峰值驱动电压，200 Hz频率下的力输出结果，最大锤击力超过2 000 N，而且锤击头动态响应性能及锤击力上升斜率令人满意。锤击力大小和驱动控制电压近似呈线性变化，3 V驱动电压下锤击力约650 N，6 V驱动电压下锤击力约1 300 N。实测该系统稳定输出的锤击频率可达2 kHz以上。

图1 基于线性促动器的微锤锻系统

图2 脉冲锤击力测试

1.2 材料与方法

文中主要介绍所研制的新型锤击系统，并进行简单物理模拟验证试验，并未进行实际电弧增材过程的同步锤击，主要是验证系统的锤击能力和效果。故而采用铝合金TIG定点焊接试验进行模拟，所采用的基板材料为6061铝合金，基板尺寸300 mm×150 mm×5 mm，采用交流150 A焊接10 s。

随焊锤击改善电弧增材组织提升性能的可能机制在于两方面：一是锤击头对当前锤击位置处已凝固高温金属的锤击作用；二是高频锤击振动传导至前方熔池，振荡熔池可能促进气孔逸出，细化晶粒。因此文中设计了两种模拟试验方案：①TIG定点焊接，TIG焊枪离开机器人马上锤击焊点位置，实际延时约1 s；②TIG定点焊接 + 焊点30 mm处同时锤击，分别验证锤击对高温凝固区和液态熔池的作用效果，分别如图3和图4所示。试验中采用两台机器人配合完成。两种方案中，驱动电压都在3V，6 V和9 V三档变化，每一档电压设定50 Hz，100 Hz和200 Hz频率进行试验和分析。

图3 TIG定点焊接附加焊点位置延时锤击

图4 TIG定点焊接附加同步近距锤击

2 试验结果与分析

2.1 定点焊延时锤击

图5显示了6061铝合金在不同锤击频率下的显微金相。从图中可以看出，当锤击频率在0～200 Hz的范围内逐渐增加时，合金的初生相逐渐退化，枝晶连续断裂。 如果不进行锤击处理，则合金的主要相是粗大且发达的枝晶。当锤击频率为50 Hz时，粗大的树枝状晶体破裂，局部出现大的玫瑰状晶粒，与处理的初生相相比，其显着降低。 当频率增加到100 Hz时，短棒晶体开始出现。当频率达到200 Hz时，初级相由断裂的树枝状晶体和玫瑰形晶体组成。 因此，频率的增加促进了锤击处理的晶粒细化效果。

图5 不同锤击频率下6061铝合金的显微金相

在此模式下，选定效果良好的200 Hz频率，改变驱动电压调节锤击力，则锤击效果变化并不明显，锤击力过大时反而容易锤出内部裂纹，如图6所示。这是因为TIG定点焊焊点受到母材的高度拘束，大锤击力容易导致内部应力过大而产生裂纹。

图6 200 Hz,9 V锤击下出现裂纹

2.2 定点焊同步锤击激振熔池

图7显示了6061铝合金在不同振幅下的显微组织。从图中可以看出，当驱动控制电压从3 V变为9 V时，初级相的形态逐渐退化，并且枝晶连续破碎。未经处理时，合金的主要相为粗大，发达的枝晶。当振幅为3 V时，初级相不会显着变化，但是当振幅增加至6 V时，粗大的树枝状晶体会破裂，并出现局部短棒状晶体，并且凝固的组织开始细化。当振幅进一步增加到9 V时，树枝状晶体完全破裂，并且初级相由破裂的树枝状晶体和玫瑰状晶体组成。因此，振幅的增加促进了振动的细化效果。

图7 不同激振振幅下6061铝合金的显微金相(100 Hz)

通过观察振动作用下的试验结果，可以看到熔池的振动可以显着改善合金的凝固组织，并且振幅的增加使细化效果增强。这是因为在合金的凝固过程中对熔体进行了振动处理。一方面，这种振动的施加促进液态金属熔池对流，并使熔体内部的温度波动，从而使枝晶的根部熔化，然后作为形核进入熔体的其余部分。另一方面，该振动还将对液态金属造成干扰，从而引起液相和枝晶之间的相对运动，并且随着振动的进行，液相连续冲向枝晶的根部，使其破裂。某些液相之间的移动速度存在一定差异，因此会产生“粘滞剪切”效应[12]。在这种作用下，生长中的树突尖端将被剪切成一个自由核，然后扩散并增加成核速率。

图8显示了6061铝合金在不同振动频率下的显微组织。从图中可以看出，当振动频率为50 Hz和200 Hz时，与未处理相相比，合金的初生相形态降低，枝晶局部破碎，但是 频率变化对晶粒细化的影响很小；但是，当频率为100 Hz时，很明显树枝状晶体断裂并且出现玫瑰晶体。这可能是由于100 Hz的振动频率最接近树枝状晶体的共振频率。此时，熔体中产生的相对运动和碰撞更加频繁，并且树枝状断裂的程度得到改善。

图8 不同激振频率下6061铝合金的显微金相(6 V)

3 结论

(1)与非振动处理焊接试样相比，加入振动后晶粒细化，单个试样可以清楚地看到树枝状断裂，从粗柱状晶体到细等轴晶体变化。

(2)锤击固化的焊缝会破坏结晶方向，破坏生长的树枝状晶体，并形成大量晶核以细化晶粒。锤击频率变化对晶粒细化的影响比锤击力的变化更明显。试验中200 Hz锤击频率效果最佳。

(3)在焊点附件同步锤击时，锤击作用实际是振动传导激振熔池，锤击力越大，实际振动振幅越大，对晶粒细化的影响比振动频率更为明显，振幅越大，晶粒细化效果越好。