CMT 電弧增材制造過程電弧特性對(duì)熔滴過渡行為的影響機(jī)理研究

作者：呂飛閱 1 王磊磊 1 高轉(zhuǎn)妮 1 竇志威 1 賁 強(qiáng) 1 高川云 2 占小紅 1*

1. 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 211106；
2. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 成都 610073


冷金屬過渡(CMT)電弧增材制造技術(shù)具有沉積效率高、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，在航空用大尺寸構(gòu)件的快速成型領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。對(duì)于電弧增材制造大型構(gòu)件需采用大電流來(lái)進(jìn)一步提高沉積效率，但在此高電流模式下電弧放電過程對(duì)熔滴過渡行為的影響機(jī)理尚不明確。因此，本研究采用高速攝像儀觀察了電弧增材制造過程中電弧形態(tài)及熔滴過渡行為，同時(shí)通過建立電弧模型及熔滴過渡模型，分析了在不同電流波段及工藝參數(shù)下熔滴過渡頻率及熔滴尺寸變化規(guī)律，最終揭示了電弧放電過程中電流密度、洛倫茲力等物理因素對(duì)熔滴過渡的作用機(jī)理。結(jié)果表明，電弧寬度與洛倫茲力決定熔滴在電弧放電過程中的受力大小，進(jìn)而決定熔滴尺寸及其過渡頻率。隨著送絲速度從5.5m/min增大至7.0m/min時(shí)，電流峰值持續(xù)時(shí)間增加了1倍左右，同時(shí)電弧寬度與電流密度的隨之增加，使得熔滴過渡過程中電磁力上升，熔滴尺寸下降14%且射滴過渡頻率增加了3～4倍。當(dāng)瞬時(shí)電流進(jìn)入熄弧階段時(shí)，熔滴過渡形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^渡。隨著送絲速度的增加，短路過渡頻率從29 Hz減少至20 Hz。

研究背景
冷金屬過渡(Cold metal transfer，CMT)增材制造技術(shù)是基于金屬快速成形技術(shù)與CMT焊接工藝進(jìn)行快速成形制造的一種新型電弧增材制造技術(shù)。該技術(shù)可有效改善電弧增材制造過程中的熱輸入高及飛濺較大導(dǎo)致的組織惡化及性能下降等問題。目前在武器裝備、航空航天等領(lǐng)域中高精尖技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，對(duì)具有大型化、整體化、高性能鋁合金構(gòu)件的需求越來(lái)越大，因此傳統(tǒng)的壓鑄、機(jī)加工等技術(shù)已經(jīng)不能滿足上述要求，必須突破電弧增材制造高強(qiáng)鋁合金關(guān)鍵技術(shù)。在電弧增材制造過程中，熔滴過渡可直接影響到電弧穩(wěn)定性和成形質(zhì)量，進(jìn)而影響堆積材料的微觀組織及力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過采用高速攝像機(jī)對(duì)熔滴過渡過程進(jìn)行觀察，得出了不同焊接電流值、沉積方式、電流模式等條件下，熔滴過渡模式可隨之發(fā)生變化，并通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來(lái)控制熔滴過渡頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增材過程穩(wěn)定且成形質(zhì)量?jī)?yōu)異。

研究亮點(diǎn)
該研究通過電信號(hào)采集系統(tǒng)獲取的不同工藝參數(shù)下CMT電弧增材制造2319鋁合金電流/電壓波形變化規(guī)律，并基于電流波形構(gòu)建電弧放電與熔滴過渡過程數(shù)值模型，探究電弧放電過程中電流密度、洛倫茲力等物理量的空間分布狀態(tài)，明晰該物理量與電磁力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而揭示電弧放電過程中電磁力對(duì)熔滴尺寸及熔滴過渡頻率的影響機(jī)理，為電弧增材制造航空用大型構(gòu)件提供理論支撐。

該研究根據(jù)CMT電弧增材制造過程中的電弧放電及熔滴過渡現(xiàn)象，建立相應(yīng)的有限元模型，建立的CMT電弧模型與熔滴過渡模型集合了電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等多種物理場(chǎng)，其中電弧模型求解了磁流體動(dòng)力學(xué)方程組，包括質(zhì)量連續(xù)性、動(dòng)量守恒、能量守恒等方程，著重于探究該過程中的電弧特性和熔滴過渡行為。

關(guān)鍵結(jié)論
(1)在高電流模式下的電弧增材制造過程中，熔滴過渡形式為射滴過渡與短路過渡的混合過渡模式。隨著送絲速度從5.5m/min增大至7.0m/min 時(shí)，焊機(jī)輸出的電流值隨之增高，同時(shí)電流峰值持續(xù)時(shí)間增加了1倍左右，射滴過渡頻率增加了3～4倍，而短路過渡頻率從29 Hz減少至20Hz。

(2)電弧寬度決定了熔滴在電弧放電過程中的受力大小，進(jìn)而決定熔滴尺寸及其過渡頻率。隨著送絲速度的增加，焊機(jī)輸出的電流值也隨之增加，靠近基板一端溫度梯度較小，電弧的收縮作用較弱，電弧寬度顯著增加，這使得熔滴過渡過程中電磁力提升，熔滴還未長(zhǎng)大就在高電磁力作用下快速滴落進(jìn)入熔池。

(3)隨著送絲速度的增大，靠近焊絲端的弧柱區(qū)電流密度值隨之增大，且所產(chǎn)生的洛倫茲力增加。根據(jù)電弧軸向推力公式可知，洛倫茲力越大且熔滴滴落時(shí)所受軸向電磁力越大，因此射滴過渡頻率也隨之增加。但在熔滴短路過渡階段，由于此時(shí)電弧熄滅，熔滴僅在重力作用下長(zhǎng)大，粗化的熔滴不受電磁力作用，無(wú)法快速滴落進(jìn)入熔池，因此短路過渡階段熔滴尺寸遠(yuǎn)大于射滴過渡階段。

論文鏈接
DOI：10.3901/JME.2023.15.267