探讨高强铝合金先进增材制造方法

探讨高强铝合金先进增材制造方法

陈军

兰州铝业有限公司   甘肃省兰州市  730080

摘要：截止到2023年，我国的制造业规模已经连续14年位居世界第一，由此推动了相关技术的发展，增材制造技术便是其中之一。该技术的基本原理为分层-叠加，用其制造特殊的零件，不但能够缩短生产周期，而且还能减少材料消耗。高强铝合金在航天工业中得到广泛应用，在制造复杂的高强铝合金构件时，可以利用增材制造技术。基于此，从增材制造方法的选择入手，对高强铝合金先进增材制造方法的应用展开分析探讨，期望能够对增材制造技术的推广使用有所帮助。

关键词：高强铝合金；增材制造；电弧增材制造

增材制造简称AM，主要用于实体构件的制造，这种制造方法具有以下优点：材料的利用效率较高、工艺流程相对比较简单。在对高强铝合金进行增材制造时，应当选择先进的方法，在保证制造质量的前提下，提高制造效率。

1增材制造方法的选择

增材制造常用的方法有激光烧结、激光熔化、电子束熔化成形、电弧增材制造等。以上增材制造方法中，电弧增材制造在金属增材制造中的应用较广，与其他方法相比，电弧增材制造的先进程度略高，设备成本较低，对于成型件的尺寸无任何限制。该方法的热源为焊接电弧，利用电弧将金属丝材熔化后，根据预先设定好的成形路径，在基板上堆积每一层片，通过层层堆叠，直至金属件最终成形为止。针对高强铝合金，可以选用电弧增材制造方法。

2高强铝合金先进增材制造方法的应用

通常情况下，高强铝合金由以下几种金属组成：铝、锌、镁、铜，在对高强铝合金增材制造时，可以通过电弧多丝共熔工艺来实现。

2.1工艺参数的选取

高强铝合金电弧增材制造过程中，工艺参数的选取是关键环节，与成形质量密切相关。所以要对该环节予以高度重视。主要的工艺参数包括送丝速度、送丝角度、熔滴过渡等。

2.1.1送丝速度

7050高强铝合金的锌含量相对较低，如果所选的送丝速度过慢，则会对熔滴过渡频率造成不利影响，随着频率的下降，导致锌在熔池内无法均匀分布。因此，要提高送丝速度，以满足作业需要。相关研究结果显示，锌焊丝的直径越大，送丝速度越慢，反之则越快，所以可将φ0.8的锌焊丝作为首选[1]。

2.1.2送丝角度

大量的实践表明，在电弧增材制造中，焊丝的角度与送入的位置密切相关，如果送丝的位置偏差过大，则会对最终的焊道成形质量造成不利影响。由此使得送丝角度成为电弧增材制造工艺中的关键参数，应当对送丝角度进行合理选择，这是提高焊道成形质量的有效途径。通过试验的方法对2根旁路丝材的送进位置进行确定，即从电弧的前方送进，如果将前方送进改为后方送进，则铝铜合金焊丝的送进速度会大幅度加快，这样一来，会使电弧后方熔池的凝固性遭到破坏，有可能导致焊道被划开，一旦焊道划开将会对焊丝的正常送进造成不利影响，引起飞溅的情况发生。在电弧的前端对旁路丝材进行送进，能够使上诉问题得到解决。

（1）铝铜合金焊丝和锌焊丝与基板之间的夹角为30°时，送丝方式如图1（a）所示。

图1 两种送丝角度示意图

从图1（a）中可以清楚的看到，铝铜合金焊丝和锌焊丝与基板之间的角度为30°，在该夹角下形成的焊道质量不佳，表面存在较多的焊瘤，局部位置处存在爆断的现象，从而使焊道的连续性受到影响[2]。之所以会出现以上情况，主要是因为另外添加的焊丝与基板之间的角度超过允许范围，增材制造时，铝铜合金焊丝的送丝速度过快，与铝镁合金焊丝之间发生碰触，电弧无法保持连续，保护气体的作用下降，致使焊道质量变差。

（2）铝铜合金焊丝和锌焊丝与基板之间的夹角为15°，如图1（b）所示。在这个角度下形成的焊道表面光滑，且具有一定的金属光泽，获得的增材质量比较好，这是因为随着焊丝角度的改变，使得添加的焊丝能够顺利熔化，并流入到熔池内，送丝稳定，焊接过程无飞溅。基于此，最终将送丝角度确定为15°。

2.1.3熔滴过渡

（1）当送丝速度和送丝角度全部确定后，可以借助高速摄影系统分析三种焊丝的熔滴过渡情况，拍摄时的工艺参数如下：增材速度=0.5m/min、电流=100A。由拍摄结果可知，在一个脉冲周期内，最大的电弧体积出现在峰值电流时刻，此时的亮度达到最高程度，随着电流的不断下降，熔滴随之出现脱落的现象，铝镁合金焊丝的熔滴过渡形式表现为一个脉冲周期内一滴。在这一过程中，铝铜合金焊丝与锌焊丝在电弧持续的热作用下逐步熔化。

（2）在电弧起弧后150ms时，铝铜合金焊丝与锌焊丝熔化，二者的熔滴呈现为相连的状态；在168ms时，三种焊丝熔化形成了体积相对较大的熔滴，并伴随着三种焊丝的熔化，熔滴的体积持续增大；204ms时，熔滴在重力的作用下脱落至熔池内。根据增材速度=0.5m/min进行计算可以得出如下结果：当锌焊丝出现一次熔滴，焊枪的行走距离约为1.25mm。

2.2单道增材制造成形

焊道成形质量是高强铝合金电弧增材制造中需要重点控制的因素，与焊道成形质量关系密切的因素除增材速度之外，还有脉冲电流。因此，有必要分析二者对焊道成形的影响。选取厚度为8.0mm的高强度铝合金基板，在其上开展单道增材制造试验。

（1）在本次试验中，共设定7个脉冲电流，分别为90A、100A、110A、120A、130A、140A和150A，与前6个脉冲电流对应的增材速度为3个，与最后一个脉冲电流对应的增材速度为2个，这样共产生20组增材制造工艺参数。

（2）由试验结果可知，焊道外观成形效果较好的工艺参数有以下几组：脉冲电流为90A，增材速度为0.4m/min；脉冲电流为100A，增材速度为0.5m/min、0.6m/min、0.7m/min；脉冲电流为110A，增材速度为0.6m/min；脉冲电流为120A，增材速度为0.9m/min；脉冲电流为130A，增材速度为0.8m/min、0.9m/min、1.0m/min；脉冲电流为140A，增材速度为0.9m/min[3]。为在保证焊道成形质量的前提下，进一步提升高强铝合金的增材制造效率，从上述结果中选取增材速度较高的参数进行单道多层增材。

3结论

综上所述，在高强铝合金增材制造中，可以选用先进的电弧增材制造技术。实际应用中，要对相关的工艺参数合理选择，以此来确保增材制造质量。未来一段时期，要加大增材制造技术的研究力度，通过优化改进，使该技术更加完善，为制造业的发展提供强有力的技术支撑。

参考文献

[1]贾剑平,李田雨.冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟[J].机械工程材料2024,48(1):106-111.

[2]李建超,鲁晓楠,王欢,高翔.高能束增材制造铝合金及其复合材料缺陷形成与控制机理[J].航空制造技术2024,67(Z1):87-96.

[3]林清成,郭纯,李文清,李云,黄光灿.铝合金电弧增材制造研究现状[J].金属加工(热加工)2023(9):20-26.