磁场对铝合金电弧增材成形及组织性能的影响*

常云龙，刘天羽

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870)

增材制造把复杂三维制造转化为一系列二维制造的叠加过程，因而几乎可以在不用模具的条件下生成任意复杂形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性.目前有许多增材制造工艺使用电弧作为热源，将传统气体保护焊方法进行改造后，再将其应用到增材制造领域，从而形成了电弧增材制造技术.成本低、生产周期短、沉积速率高是电弧增材制造技术的主要特点[1-2].但是，目前的铝合金电弧增材制造技术，由于电弧的热积累引起构件在堆积加工过程中变形大、容易发生流淌，最终导致构件存在气孔缺陷、组织性能不稳定等缺点.焊接电弧中等离子体磁场具有可作用性，导电性和电准中性等特点，可以通过外加磁场控制焊接电弧的形状、运动、位置，从而改善铝合金电弧增材制造技术存在的缺点[3].

近年来，国内外研究学者对磁控焊接技术进行了大量研究.德国学者Marcel等[4]将外加磁场引入到大功率激光焊后发现，熔池内液态金属的运动速度明显发生改变.通过模拟结果与实验结果的比较发现，只要磁场垂直作用于焊接方向，洛伦兹力对焊接熔池中金属的熔化速度与外加磁场的极性就不存在一定相关性.外加磁场作用于熔池，对熔池中的温度分布和传热传质都产生了影响.Avilov等[5]将磁场应用在AlMg3板PA位置进行激光焊接后发现，外加电磁场装置产生的磁场对焊接熔滴产生了一定作用，同时还可以抑制焊接熔池底部的对流作用.刘民军[6]将交变纵向磁场引入CO2焊接中，实验结果表明，在磁场作用下焊接电弧形态由锥形变成钟罩形，电弧沿着焊丝轴线旋转运动，并且电弧刚度和稳定性得到提升.同时，熔滴形态在外加磁场作用下会发生改变，熔滴过渡频率加快，焊接飞溅率得到控制.罗键等[7]研究了外加纵向磁场对AZ31B镁合金TIG焊焊缝成形及组织的影响规律后发现，外加磁场促使焊接电弧扩张，增加焊缝熔宽，细化了焊缝中心、熔合区和热影响区的晶粒，同时焊接裂纹敏感性大大降低.外加磁场能够改变焊接电弧形态，在一定程度上改善焊缝成形，从而为焊接过程提供有利条件.

1 材料、设备及方法

采用Fronius CMT(A-4600)焊机进行增材制造实验.CMT焊接辅助系统包括：CMT焊接控制面板(遥控器)、焊接夹具、机械手臂和焊接保护气气瓶.利用MCWE-10/100耦合磁控设备在焊接过程中引入外加磁场，可以调节励磁电流(0～10 A)和励磁频率(0～100 Hz)，并可在实验过程中配合调节工艺参数.图1为磁控焊接装配示意图.在增材制造过程中，采用Photron 512×512高速摄像系统对焊接电弧形态进行实时观察和拍摄，分析外加磁场对电弧形态的作用规律.图2为高速摄像机装配示意图.

图1 磁控焊接装配示意图Fig.1 Schematic diagram of magnetically controlled welding assembly

图2 高速摄像机装配示意图Fig.2 Schematic diagram of high-speed camera assembly

采用直径为1.2 mm的ZL114A焊丝进行电弧填丝增材制造.ZL114A属于Al-Si-Mg系合金，牌号为ZAlSi7Mg1A，材料的合金成分[8]如表1所示.实验选用的电弧增材制造工艺参数如表2所示.采用离线编程方法将焊接路径规划为单道多层焊接，焊接时后一道与前一道焊接方向相反，堆积得到长200 mm、宽50 mm的铝合金增材试件，之后在焊接过程中施加励磁频率为70 Hz、励磁电流分别为1、2、3 A的磁场，最终得到在磁场作用下的三组增材试件.使用OLYMPUS型金相显微镜、拉伸性能试验机、HVS-50型维氏硬度计等设备对增材试件的组织及性能进行检测分析.

表1 ZL114A合金成分(w)Tab.1 Composition of ZL114A alloy (w) %

表2 电弧增材制造工艺参数Tab.2 Technological parameters for arc augmentation manufacturing

2 结果与分析

2.1 外加磁场对电弧形态的影响

图3为利用高速摄像机拍摄的在励磁频率为70 Hz、励磁电流分别为1、2、3 A的磁场作用下的电弧形态照片，并与无磁场作用下的电弧形态进行了比较.

图3 磁场对电弧形态的影响Fig.3 Effect of magnetic field on arc shapes

由图3可见，在外加磁场作用下焊接电弧形态发生了明显变化，且在不同励磁电流下具有不同的变化效果.无磁场作用时电弧整体表现为略微外凸的圆锥形，相对于焊丝轴线中心对称，整个焊接过程中电弧形态相对稳定.引入外加磁场后可以发现，电弧顶部直径有所收缩，而电弧底部则有明显向外发散的趋势，呈现向内凹陷的锥形，说明在外加磁场作用下电弧顶部会向中心收缩，这样导致电弧能量更集中，作用在焊缝上的电弧压力更大，从而导致焊缝两端的冲击力更大，使得电弧底部呈现向外发散的形态.当励磁电流为1 A和2 A时，电弧压缩现象比较明显，而当励磁电流为3 A时，电弧顶部直径扩大，电弧底部的发散现象有所收敛，说明当励磁电流达到3 A后，磁场对电弧的压缩作用减弱.另外，在引入磁场后可以观察到电弧发生了旋转现象，结果如图4所示.

图4 焊接电弧的旋转现象Fig.4 Rotation phenomena of welding arc

观察图4可以发现，引入磁场后焊接电弧会出现偏离焊丝轴线现象，这是由于焊接电弧绕焊丝轴线旋转，因而在高速摄像机中可以看到电弧发生摇摆.焊接电弧本身是一种剧烈的气体放电现象，其中径向运动的带电粒子与外加纵向磁场相互作用产生洛伦兹力，使得带电粒子绕轴螺旋运动，因而焊接电弧会在磁场作用下发生旋转.对比三组磁场参数下的电弧形态可知，在励磁电流1 A和2 A时电弧左右摆动的现象较为明显，且励磁电流为2 A时电弧偏转幅度更大一些，励磁电流为3A时电弧要稳定很多，电弧偏转幅度较小，电弧旋转程度不如励磁电流为1 A和2 A时剧烈.

2.2 外加磁场对增材试件成形的影响

图5为电弧增材制造试件宏观表面形貌.通过宏观形貌对比可以发现，在引入外加磁场后，随着励磁电流的不断增加，增材制造试件表面的成形质量得到了明显优化，试件表面变得平整，凹凸不平的现象得到改善，并且试件表面的焊道条纹变得清晰可见，每条焊道都很平整，焊道熔敷高度相比于无磁场的试件均匀了很多，每层高度差别不大，基本保持一致，说明引入磁场可以有效控制液态金属向外流淌的情况，使得试件成形更为均匀.

图5 不同励磁电流下电弧增材制造试件的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of AM specimens under different excitation currents

图6为对增材试件截面进行腐蚀后的试件形貌.由图6能够明显看出试件每层之间的分界线，可以通过测量试件高度与熔覆层数来计算试件每层的高度.

图7为外加磁场对试件熔宽和层高的影响.对比励磁电流分别为1、2、3 A与未加磁场的试件可知，引入外加磁场后增材构件熔宽明显增加，而每层增材高度相应降低，且随着励磁电流的增大，试件熔宽也随之增大.这是由于引入外加磁场后，电弧开始旋转并向四周进行扩散.此时电弧直径变大，与工件接触面积变大，提高了液态金属的铺展性，因而在形成焊缝后，在宏观上体现为熔宽增大，且施加纵向磁场可以有效控制熔池流动，避免熔敷金属铺展不均匀的问题.

图6 试件截面图Fig.6 Section diagram of specimen

图7 磁场对焊缝熔宽和层高的影响Fig.7 Effect of magnetic field on weld width and layer height

2.3 外加磁场对增材试件金相组织的影响

铝硅合金的性能与组织状态具有密切关系.组织是显示材料性能的重要因素，因而合金组织为材料研究的重点之一.图8为ZL114A试件在无磁场条件下和励磁电流为1 A、励磁频率为70 Hz磁场条件下的金相组织图.图8中的浅色成片状分布的树枝状晶为α-Al，在α-Al间隙中的花纹状黑色物质为共晶硅，除此之外，在片状α-Al相间还分布着少量Mg2Si、Al3Ti和杂质铁相[9].引入磁场后，ZL114A的显微组织中呈片状分布的α-Al相变小，由原来的大片状变为小片状，晶粒明显细化；共晶硅析出相在引入磁场后由原来的粗大花纹形貌变得细小，且分布更为均匀，结晶组织由胞晶向树枝晶转变的趋势较为显著.铝合金结晶组织的晶间距离和结晶速率、过冷度有关.结晶速率、过冷度越大，结晶组织的晶间距离越小.当焊缝液态金属发生快速冷却时，因为非平衡凝固结晶的存在将会促使偏析形成，所以通过施加外部纵向磁场作用于焊接结晶过程可以促进结晶组织细化，且有利于减弱焊缝偏析程度.可见，引入磁场有助于减少共晶硅析出相，这是无磁场增材制造条件下所不能实现的.

图8 磁场对试件组织的影响Fig.8 Effect of magnetic field on specimen microstructure

ZL114A组织中连续分布的共晶硅相是一种又脆又硬的组织，且大量分布在α-Al晶粒间，割裂了Al基体组织，严重影响试件的力学性能.对ZL114A增材试件进行焊后热处理，旨在改变晶体组织，提高增材试件的力学性能.ZL114A铝合金的热处理工艺主要由固溶淬火与人工时效组成，具体工艺为：540 ℃×14 h+55 ℃水冷+155 ℃×7.5 h+空冷[10].

图9为对增材试件进行热处理后的试件金相组织.观察图9可以发现，ZL114A铝合金热处理前后的晶粒形态相差较大，经过热处理加工后，原焊缝组织中明显的柱状枝晶已经消失，α-Al基体相颗粒变小，晶粒间隙变窄，间隙中的Mg2Si相持续不断地融入基体.晶界处连续不间断分布的具有割裂作用的花纹状共晶硅析出相大部分已经重新固溶于α-Al基体中，部分未溶于α-Al基体的析出相以圆球状或短棒状分布在晶界处，原来粗大的第二相已经消失，取而代之的是较多细小弥散的强化相均匀分布在α-Al基体中.引入外加磁场后，α-Al基体相的分布更加均匀，共晶硅析出相更加细小，更多的共晶硅固溶到α-Al基体中形成固溶强化，使得材料的性能得到提升.

图9 热处理后外磁场对试件组织的影响Fig.9 Effect of magnetic field on specimen microstructure after heat treatment

2.4 外加磁场对增材试件力学性能的影响

将4组热处理后的电弧增材试件进行拉伸实验，根据合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率数据绘图，结果如图10所示.由图10可见，引入磁场后材料的力学性能得到提高，当励磁电流为2 A时，获得最大抗拉强度345 MPa，最大屈服强度301 MPa，相比无磁场时的试件抗拉强度提高了27 MPa，提高幅度为8.5%.随着励磁电流的增大，试件的抗拉强度先上升后下降，当励磁电流为3 A时，抗拉强度降低到333 MPa.合金伸长率在引入磁场后也有明显提升，励磁电流的变化对伸长率无明显影响，3组试件伸长率均约为10.3%，与无磁场的试件相比约提高了4%.

图11为无磁场和在励磁电流为1 A、励磁频率为70 Hz磁场作用下拉伸试件的断口扫描照片.由图11可见，在断面上可以观察到明显韧窝，说明ZL114A试件的断裂属于韧性断裂，并且引入磁场后的试件断口韧窝更大，说明试件的塑性优于无磁场的情况.

图10 磁场对试件拉伸性能的影响Fig.10 Effect of magnetic field on tensile properties of specimens

图11 拉伸试件断口SEM图像Fig.11 SEM images of tensile fractured specimens

采用HVS-50型维氏硬度计对4组试件进行硬度实验，每个试件选取A、B、C、D共4个硬度点，测试载荷约为49 N，保压时间为10 s，打点位置如图12所示(单位：mm).分析磁场对试件硬度的影响规律，结果如图13所示.

图12 硬度打点位置Fig.12 Hardness measuring points

图13 磁场对试件硬度的影响Fig.13 Effect of magnetic field on specimen hardness

观察图13可知，未加磁场时硬度值波动范围较大，最高硬度值为103 HV，最低硬度值为88 HV，相差15 HV，平均硬度为95.25 HV.引入磁场后，试件硬度值波动范围缩小，整体趋势趋向平稳，当励磁电流为2 A时，试件硬度曲线最平稳，最大波动只有3 HV.在励磁电流为2A的磁场下获得最高平均硬度，此时平均硬度值为102.25 HV，与未加磁场的试件相比，硬度提高了7 HV.引入磁场后合金硬度波动范围缩小，硬度分布更为均匀.

3 结 论

本文主要研究了外加磁场对ZL114A电弧增材制造的影响，并对焊接电弧形态、焊后增材试件成形及性能进行了分析，可以得到如下结论：

1) 引入磁场后焊接电弧顶部直径有所收缩，而电弧底部则出现向外发散的现象，且焊接电弧绕焊丝轴线旋转，在励磁电流为2 A的磁场作用下，电弧的压缩现象最为明显，电弧偏转幅度最大.

2) 引入磁场后增材试件表面凹凸不平的现象得到改善，试件熔宽有所增加，且随着励磁电流的增大，试件熔宽也随之增大.

3) 引入磁场使得热处理后的试件组织中α-Al基体相颗粒的分布更加均匀，共晶硅析出相更加细小，更多的共晶硅相固溶到α-Al基体中形成固溶强化.

4) 引入磁场后增材试件的力学性能得到提升，在2 A励磁电流磁场下获得合金的最大抗拉强度为345 MPa，最高平均硬度为102.25 HV，且引入磁场后硬度波动更小，硬度分布更为均匀.