Ti-6Al-4V熔絲等離子弧與激光復合增材制造中的焊道形狀控制（一）
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2023-05-25 15:17:49
線基等離子轉移弧（PTA）-激光混合增材制造具有制造高沉積速率和近凈形狀的大型金屬部件的潛力。在此過程中，單個焊道是每個沉積組件的基本構件，因此，焊道形狀控制對于不同幾何形狀的沉積至關重要。然而，如何通過操縱各種工藝參數來控制胎圈形狀仍不清楚。在本研究中，系統地研究了不同工藝參數，包括激光功率、PTA和激光之間的能量分布、送絲速度、移動速度和激光束尺寸對沉積過程和珠形狀的影響。 結果表明，復合...
線基等離子轉移弧（PTA）-激光混合增材制造具有制造高沉積速率和近凈形狀的大型金屬部件的潛力。在此過程中，單個焊道是每個沉積組件的基本構件，因此，焊道形狀控制對于不同幾何形狀的沉積至關重要。然而，如何通過操縱各種工藝參數來控制胎圈形狀仍不清楚。在本研究中，系統地研究了不同工藝參數，包括激光功率、PTA和激光之間的能量分布、送絲速度、移動速度和激光束尺寸對沉積過程和珠形狀的影響。
結果表明，復合工藝的最佳操作制度是：焊絲由PTA完全熔化，熔池由激光控制，從而獲得良好的珠狀和穩定的沉積過程。由于能量輸入的巨大變化，激光功率和移動速度對珠形狀有顯著影響。送絲速度的影響更為復雜，胎圈寬度最初增加到最大值，然后隨著送絲速度的增加而減小。激光束尺寸對焊道形狀的影響較小，但由于高功率密度導致的不穩定過程，較小的激光束尺寸會導致焊道外觀不規則。此外，還提出了混合工藝中的珠粒形狀控制程序，為選擇不同的工藝參數以獲得所需的珠粒形狀提供了參考。兩個沉積的多層單通道壁證明了該方法的可行性。
混合(低溫蒸餾+物理吸收)工藝流程。
如，混合工藝(上圖)基于雙制冷劑CO2分餾+ Selexol流動方案(Ross和Cuellar, 2010)，包括通過低t蒸餾將CO2含量降低到20 mol%的整體去除步驟，以及通過物理吸收到DEPG完成的最后一步。
1.介紹
與傳統的減法和成形制造方法相比，增材制造（AM）由于大量減少浪費材料、相對較短的交付周期、無需模具和模具以及較高的設計靈活性而備受關注。在金屬AM中，粉末或金屬絲通常用作原料，由激光、電子束或電弧熱源熔化。在不同的AM技術中，導線+電弧增材制造（WAAM）最具成本效益，因為導線的成本低于粉末，電弧的效率高于激光和電子束，因此適用于高沉積速率的大型結構部件的沉積。在基于等離子轉移弧（PTA）的WAAM中，鈦的典型沉積速率為0.4–1.2 kg/h。可以實現更高的沉積速率，但以低表面質量為代價，導致大量材料需要機加工。
(a)磁場輔助微細電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)常規微細電火花加工的微孔截面;(c)磁場輔助微細電火花加工的微孔截面，加工條件與(b)相同。
混合工藝涉及微細電火花加工和磁場輔助的復雜組合，以便通過提高碎屑去除率和磁流變比來改善加工性能。與高縱橫比和/或盲區特征的微細電火花加工相關的問題之一是難以沖洗加工區的碎屑。這些碎屑顆粒通過產生電弧和短路導致不穩定的加工，并降低磁流變比和表面質量。為了解決這些問題，在微細電火花加工過程中引入了磁場，以改善碎屑循環。實施垂直于電極旋轉力的磁力產生合力，在加工過程中有效地將碎屑移出孔。磁場輔助微細電火花加工中的磨粒受到兩種力：磁力和離心力。通過磁力和離心力的矢量相加，給出了碎屑顆粒上的合力，這有助于將碎屑顆粒從機器區域沖出，從而提高加工穩定性和MRR，減少刀具磨損，并整體改善微細電火花加工性能。在類似的工作條件下，與傳統微細電火花加工相比，磁場輔助微細電火花加工可以產生更高的長徑比孔。磁場的應用有助于微細電火花加工中的間隙清潔，因為增加了間隙外的碎屑傳輸。由于磁場的應用，碎屑清除能力增強，導致MRR增加。上圖（a）顯示了磁場輔助微細電火花加工的示意圖。從圖（b）和（c）（38）可以理解磁場輔助微細電火花加工中微孔縱橫比的增加。
線基PTA激光混合AM已顯示出構建具有高沉積速率和近凈形狀的大型組件的潛力。它結合了兩種熱源的優點（即PTA的高效率和激光的高精度），并且顯示出比PTA或激光沉積工藝本身更大的優勢。例如，與PTA沉積工藝相比，混合沉積工藝形成小孔的可能性較低，且與激光沉積工藝相比，沉積速率和工藝公差較高。此外，它允許獨立控制沉積速率和珠形狀，這是單熱源難以實現的。在沉積過程中，單個焊道是最小的基本單元，它決定了沉積零件的最終表面質量和尺寸精度。因此，了解單個工藝參數如何影響焊道形狀以及如何實現目標焊道尺寸是至關重要的，以便實現一個可靠的工藝，以沉積各種幾何形狀。
D-WAAM過程的沉積模型。
與單線不同?+?電弧增材制造過程中，兩根焊絲通過兩個送絲器和雙絲裝置在電弧前方送絲，在雙絲中熔化并流入熔池?+?電弧增材制造工藝，如上圖所示。銅和鎂的含量可以通過調整送絲速度（WFS）來調節。
線基電弧-激光混合AM工藝尚未得到廣泛研究。到目前為止，大多數使用電弧-激光混合熱源的焊道形狀參數研究都集中在焊接應用上。然而，在混合焊接中，激光束通常用于其深穿透能力，因此激光在小孔區域以較小的光束尺寸運行。然而，在混合AM中，激光用于提供額外的能量，并在熔化金屬絲和擴展熔池時支持電弧。因此，在混合AM過程中，傳導機制更為合適。此外，在大量混合焊接情況下，與AM工藝相比，所需填充焊絲的體積要小得多。因此，焊接和AM之間的不同實際要求導致不同的最佳工作條件，這意味著在混合焊接工藝中獲得的結果可能不適用于混合AM工藝。據作者所知，還沒有關于電弧激光混合AM中珠粒形狀控制的系統研究報告。
在基于導線的電弧或激光AM工藝中，已經有很多工作致力于開發此類工藝理解。Dinovitzer等人研究了不同工藝參數（包括送絲速度（WFS）、行程速度（TS）和電流）對鎢極氣體電弧（GTA）沉積工藝中焊道幾何形狀的影響。他們得出結論，隨著WFS的增加，胎圈寬度減小，而胎圈高度增加。TS對胎圈寬度的影響較大，但對胎圈高度的影響較小。此外，焊道寬度隨電流的增加而增加。開發工程零件沉積的工藝算法需要了解此類工藝。
(a)每面墻取樣位置;(b)拉伸試樣尺寸。
如上圖，將每面墻的兩端(15?mm)剪掉并丟棄。在壁中部進行顯微組織和顯微硬度試驗。在垂直方向上，從墻體中間到端部等距取三個拉伸試樣。從每面墻的頂部到根部均勻取3個水平方向的拉伸試樣。拉伸試驗試樣按標準加工，如圖b所示。采用機電萬能試驗機(SANS 5504)，在1.5?mm/min加載速率下進行室溫拉伸試驗。采用維氏顯微硬度試驗機(FM800)，在1.96?N載荷下，測量15?s的顯微硬度。硬度測試從每面墻底部50?mm開始。沿垂直方向，間隔0.5?mm進行30次顯微硬度試驗。
然而，在他們的研究中，選定的工藝窗口非常窄（例如，電流范圍僅為50至59 A）。Martina等人對鈦的PTA沉積進行了更大范圍的參數研究（例如，電流范圍為120至300 a）。他們發現，有效壁寬隨著電流的增加和TS的降低而增加，而層高度隨著WFS的增加和電流的降低而增加。除了基于電弧的沉積工藝外，還研究了激光絲沉積工藝中的珠粒形狀控制。Schulz等人采用半解析方法獲得了工藝圖，以研究激光絲沉積過程中作為WFS、激光功率和激光強度分布函數的焊道寬度，并獲得了基于電弧的工藝中所述的類似結果。
圖A 焊道-基體界面的元素掃描結果（左側顯示的焊道）。
圖B 珠-基底界面的定量EDS分析（方向與圖A中標記的方向相同）。
采用能量色散x射線能譜(EDS)分析方法，觀察了基體與微珠之間擴散區的成分變化。彩色地圖如圖A所示，說明了界面中幾種元素的濃度。此外，還進行了定量掃描，得到了如圖B所示的圖形。界面可以在鐵、鎳、鉬等元素的圖形中清楚地識別出來。
此外，他們還報告說，該工藝對WFS與TS的比率非常敏感，低比率會導致液滴的形成和工藝的不穩定性。Abioye等人開發了一個工藝圖，用于預測激光絲沉積工藝中的工藝特性和微珠幾何形狀，并得出了輸入參數（WFS、TS和激光功率）與最終微珠特性（接觸角、寬高縱橫比和稀釋比）之間的關系。Mok等人研究了激光功率、TS和WFS對胎圈形狀的影響，并聲稱胎圈寬度主要由激光功率決定，而TS對胎圈高度的影響比激光功率更為顯著。
需要對基于線的PTA激光混合AM工藝進行類似的工作，以實現復雜組件沉積所需的珠形狀。眾所周知，WFS和TS是控制胎圈形狀需要考慮的兩個最關鍵的工藝參數。此外，在混合AM過程中，PTA和激光都提供能量，這有助于金屬絲的熔化和熔池的擴展。因此，需要考慮兩種熱源的影響。然而，這兩種熱源有不同的工作范圍。例如，在PTA沉積工藝中，在高電弧壓力引起的高電流水平下可形成小孔，這可導致缺陷形成，而基于激光的工藝中過大的功率密度可導致蒸發和熔池不穩定。因此，在PTA激光混合沉積工藝中，對于給定的總功率輸入，工藝穩定性和珠形狀將根據電弧功率與激光功率的比率而變化。然而，這些參數如何影響沉積過程和珠形狀尚不清楚。此外，還需要制定選擇不同工藝參數的程序，為混合工藝中的胎圈形狀控制提供參考。
本研究系統地研究了Ti-6Al-4V線基PTA激光混合AM工藝中不同工藝參數，包括激光功率、電弧功率與激光功率之比、WFS、TS和激光束尺寸對珠子形狀形成的影響。目的是了解每個工藝參數對沉積工藝和珠形狀的影響，并制定工藝參數選擇程序，以在混合沉積工藝中實現目標珠形狀。
2.實驗程序
2.1. 材料和設置
用于基板和線材的材料為Ti-6Al-4V。金屬絲的直徑為1.2mm，基板的尺寸為300mm×200mm×7mm。在沉積之前，首先對基底進行研磨，然后用丙酮清洗，以去除任何表面污染。圖1顯示了基于線的PTA激光混合AM系統的實驗裝置。PTA由EWM Tetrix 552電源產生。等離子炬的保護氣體（流速：8 L/min）和等離子氣體（流速：0.8 L/min）均使用純氬。將AMV 4000電弧監測器連接至等離子弧電源，以記錄電弧電壓和電弧電流。使用波長為1070nm、最大功率為8kW的IPG光纖激光器。
圖1 線基pta -激光混合調幅過程的實驗裝置。
本研究中使用的激光束散焦（即，離開焦點位置，見圖2）。激光頭傾斜30°，以防止背面反射。電線是用Dinse送絲機送的。一個安裝有等離子炬和激光頭的6軸Fanuc機器人用于控制沉積路徑。實驗在用純氬吹掃的柔性透明外殼（帳篷）中進行。在沉積過程中，通過PurgEye 600氧氣分析儀驗證，將外殼中的氧氣水平控制在500 ppm以下。垂直于移動方向安裝CMOS工藝攝像機（Xiris XVC-1000），以監控熔池行為和金屬轉移過程。
圖2 配置用于基于線的pta -激光混合AM過程(側視圖)。
圖2示意性地顯示了本研究中使用的配置，這是PTA激光混合AM工藝的最佳操作條件，允許高工藝公差和高沉積速率。在這種配置中，導線由PTA照射，激光器置于PTA后面。等離子炬的定位間距為8 mm，傾角為20°，以確保電線有足夠的通道，并避免激光反射。送絲角度為15°。導線尖端和基板之間的距離（d1）為2mm，而PTA和激光器之間的分離距離（d2）為10mm。應該提到的是，該送絲位置處于混合沉積工藝的最佳范圍內，從而提供穩定的沉積工藝和均勻的珠狀。
2.2. 方法
胎圈形狀有三個特征表征，即胎圈寬度、胎圈高度和接觸角（θ），如圖3所示。值得一提的是，接觸角決定了沉積材料的潤濕和擴散。對于基于線的AM工藝，較低的接觸角意味著材料具有更好的潤濕性，從而導致較低的表面波紋度。在參數研究之前，進行了初步試驗，以確定不同工藝參數的合適范圍。然后，在第一個實驗中，研究了激光功率對微珠形狀的影響。在其他恒定條件下，激光功率從1千瓦增加到7千瓦，增量為2千瓦，如表1所示。此外，僅使用PTA且不使用任何激光的沉積作為參考（案例1，表1）。
圖3 顯示焊道寬度、焊道高度和接觸角(θ)的截面示意圖。
表1 工藝參數用于研究各個參數對焊道形狀的影響。
在下一個實驗中，研究了電弧功率與激光功率之比對焊道形狀的影響（案例6-11，表1）。激光功率從0增加到5千瓦，而電弧功率從8減少到3千瓦，將總功率輸入恒定在8千瓦。PTA的輸出功率是根據電弧監測器測量的外加電壓和電流計算的。為了研究WFS對胎圈形狀的影響，WFS從2 m/min增加到6 m/min，增量為1 m/min（案例12–16，表1）。此外，為了研究TS對胎圈形狀的影響，通過保持其他參數不變，TS從4 mm/s增加到12 mm/s，增量為2 mm/s（情況17–21，表1）。
為了研究激光束尺寸對焊道形狀的影響，激光束直徑從2毫米增加到12毫米，增量為2毫米（案例22-27，表1）。此外，在不同的激光功率下進行了不同激光束直徑（5、12和15.6mm）的沉積。
在（A）20和（B）40 kV電壓下獲得的聚氨酯/NaCl納米網膜的場發射掃描電子顯微鏡圖像。（C）和（D）分別顯示（A）和（B）中所示納米網孔寬分布的直方圖。
外加電壓是靜電紡絲過程中的重要參數之一，對靜電紡絲納米纖維/網狀膜的結構具有重要的調節作用。因此，研究人員對外加電場強度與二維納米網絡結構之間的關系進行了廣泛的研究，他們幾乎都認為較高的電壓有利于納米網絡的形成。在PA-6溶液的電網化過程中，丁等人（2006）得出結論，通過提高電網化電壓，膜中納米網的覆蓋率顯著增加。這一結果可歸因于隨著外加電壓的增加，靜電力的增強導致帶電液滴的形成概率增加，從而促進溶劑蒸發和飛沫的相分離。Hu等人（2011年）報告，盡管PU納米網可以在較低電壓（20 kV）和較高電壓（40 kV）下制備，但隨著電壓的增加，納米網中納米纖維/電線的直徑減小，納米網的孔徑顯著增大，如上圖所示。而且，這一結果可以用更高的電壓導致Taylor錐和全拉伸過程的更高不穩定性來解釋，從而導致納米網絡的結構更不穩定。此外，納米網膜中的微珠缺陷密度通常隨著電壓的增加而增加，這大大降低了所得膜的應用性能。
此外，沉積了兩個具有相同珠形狀但不同沉積速率的多層單道次壁，以證明混合工藝中的珠形狀可以根據所提出的程序進行控制。
沉積后，對一些珠子和兩個單道壁進行橫截面、熱安裝、研磨、拋光和在Kroll試劑中蝕刻，并使用立體顯微鏡觀察其特性（例如輪廓和重熔區域）。所有珠子的長度相同，為120 mm，珠子尺寸在距離起始點30 mm、60 mm和90 mm處測量，并使用平均值。應提及的是，使用AxioVision軟件在珠子兩側測量接觸角。
來源：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
參考文獻：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
