摆弧工艺对丝-弧增材制造Al5356直壁构件成形质量和组织性能的影响

Effect of swing arc process on forming quality，microstructure and mechanical properties of Al5356 straight-wall components manufactured by wire-arc additive manufacturing

摘要

在丝-弧增材制造过程中对焊枪施加不同频率和摆幅的侧向摆动，制备Al5356直壁构件。通过表面波纹度计算、微观组织分析和拉伸性能测试，研究了摆弧参数对Al5356直壁构件成形质量、孔隙分布、显微组织和力学性能的影响规律。研究发现，在丝-弧增材制造中应用摆弧工艺能够显著改善直壁样品的成形精度，减少孔隙缺陷，均匀化组织及提升样品的力学性能。在实验参数范围内，与无摆弧工艺相比，施加摆弧工艺可将Al5356直壁样品的表面波纹度减小60%，孔隙率和最大孔隙直径从超过0.65%和33 µm分别降至0.20%和10 µm以下，X方向（沉积方向）和Z方向（构建方向）的平均抗拉强度分别提升了约13%和15%，而平均伸长率分别提高了约27%和25%。电弧摆动频率比摆幅对提高沉积构件表面质量、分散孔隙、减小孔隙尺寸具有更显著的效果，这是由于高频率的电弧振荡对熔池具有强烈搅拌作用，使沉积焊道横向的温度更均匀。沉积构件力学性能的提升主要归因于孔隙缺陷的减少和微观组织的均匀化。在丝-弧增材制造中正确应用摆弧工艺对提升构件的成形质量和力学性能有积极意义。

Abstract

During the wire-arc additive manufacturing process， Al5356 straight-wall components are fabricated by imparting lateral swings of varying frequencies and amplitudes to the welding gun. The impact of these swinging arcs on the forming quality， pore distribution， microstructure， and mechanical properties of the components is evaluated through surface waviness calculations， microstructural analysis， and mechanical tensile tests. The results show that incorporating the arc swing technique in the manufacturing process significantly enhances the forming accuracy， compactness， microstructural uniformity， and mechanical properties of the straight-wall samples. Within the experimental parameters， applying an arc swing reduces the surface waviness of Al5356 straight-wall samples by 60% compared to those produced without an arc swing. Additionally， the porosity and maximum pore diameter are decreased from over 0.65% and 33 µm to below 0.20% and 10 µm， respectively. The average tensile strength in both the X-direction （deposition direction） and Z-direction （build direction） increases by approximately 13% and 15%， respectively， while the average elongation improves by about 27% and 25%， respectively. Notably， the frequency of the arc swing has a more pronounced effect than the amplitude in enhancing surface quality， pore dispersion， and pore diameter reduction in the deposited components. High-frequency arc oscillation exerts a potent stirring effect on the melt pool， leading to a more uniform temperature distribution across the transverse direction of the deposited weld path. The observed enhancement in mechanical properties is primarily attributed to the reduction of pore defects and the homogenization of the microstructure. Therefore， the proper application of the arc swing technique in wire-arc additive manufacturing holds significant promise for improving the forming quality and mechanical properties of components.

Graphical abstract

关键词

丝-弧增材制造 / 铝合金 / 孔隙率 / 成形质量 / 显微组织 / 力学性能

Key words

wire-arc additive manufacturing / aluminium alloy / porosity / forming quality / microstructure / mechanical property

丝-弧增材制造（wire and arc additive manufacturing，WAAM）是一种以电弧为热源，以焊丝为原材料，通过不断熔化焊丝，并沿规划路径逐层沉积的近净成形制造技术^［1-3］。相较于其他增材制造方法，WAAM的效率高、成本低、操作便捷，适合于大尺寸、低复杂度构件的快速制备^［4-6］。随着航空航天、国防军工、电力电子、能源交通等行业对轻量化构件的需求不断攀升，轻合金增材制造的发展显得尤为迫切。其中，铝合金因具有高强度、低密度、耐腐蚀和低成本等优势，已成为轻量化结构材料的重要备选材料。铝合金的电弧加工过程中，不存在诸如激光加工过程中的“高反射”，或电子束加工过程中的真空环境限制等问题。因此，丝-弧增材制造技术在铝合金构件的精密成形应用领域具有独特的优势^［7-9］。

尽管电弧增材制造技术具备高效率和低成本优势，但仍面临成形精度不高、内部缺陷（如气孔、裂纹）多、残余应力大、热变形严重和熔池稳定性差等问题。针对这些问题，研究者提出多种优化WAAM工艺的方法，相关的工艺参数优化研究也取得了一定的进展^［10-14］。李玉飞^［15］在机械振动和电弧摆动工艺下，采用Fronius公司生产的CMT advanced焊接电源和VR 1550 CMT 4R/F送丝机制备了5B06铝合金薄壁件，研究了宏观成形、显微组织及力学性能的变化规律。结果表明，电弧摆动能增加薄壁件的有效宽度，提高成形精度，并改善其力学性能。Chang等^［16］对比研究了螺旋摆弧、非对称梯形摆弧与无摆弧三种模式下的电弧沉积AZ31镁合金样品，发现施加电弧摆动制备的样品晶粒更细，屈服强度和极限抗拉强度分别从70 MPa和196 MPa提升至90 MPa和233 MPa，微观结构和力学性能得到了显著改善。Zhang等^［17］通过控制步进电机使焊枪周期性摆动，研究了微控制沉积轨迹对304不锈钢电弧增材制造电弧特性、显微组织和力学性能的影响。结果显示，摆动速度达到800 （°）/s时，显微组织主要由蠕形铁素体和奥氏体构成，微控制沉积薄壁构件的抗拉强度和伸长率相比普通薄壁件有显著提高。Wang等^［18］采用TIG电弧为热源，研究脉冲频率和电弧电流对Al-5Si合金气孔率和晶粒形态的影响。结果表明，在低脉冲频率和电弧电流下，熔池冷却快，晶粒细小，组织均匀；密度随脉冲频率增加先上升，在50 Hz达到峰值后因孔隙形成而降低。靳军等^［19］运用激光-熔化极惰性气体（MIG）复合焊和圆形扫描路径，研究了激光摆动频率对焊缝微观组织与力学性能的影响。结果表明，激光摆动频率提高，熔池搅拌效果增强，焊缝中心等轴枝晶明显细化，晶粒尺寸从68 μm减小到44 μm；摆动频率达到250 Hz时，接头的抗拉强度最大，为229 MPa。蔡创等^［20］也研究圆形扫描路径的激光- MIG复合焊过程，探讨激光扫描直径对熔滴过渡、焊缝成形及气孔率的影响。研究发现，当扫描直径为0.2 mm时，焊缝气孔率大幅下降至2.4%，相比常规复合焊的7.8%有显著降低。

从以上研究结果可以看出，热源的摆动/振荡对增材构件的成形质量和力学性能都具有一定的改善效果。为了系统研究摆弧工艺在WAAM过程中的作用机制，本工作以Al5356直壁件为研究对象，通过改变电弧摆动频率和摆幅，研究摆弧工艺对直壁样品的成形质量、微观组织和力学性能的影响规律，为精密铝合金构件电弧增材成形的发展提供基础研究数据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

基于铝-镁系合金优秀的综合力学性能及良好的焊接性考虑，实验选用直径为1.2 mm的Al5356（ER5356，铝-镁系合金）焊丝作为沉积材料，采用150 mm×60 mm×4 mm的Al6061-T6为基板，其主要化学成分见表1。采用纯度99.999%的Ar气作为保护气体。

1.2 实验方法

采用的丝弧增材制造工艺如图1所示。WAAM实验平台由多接口的CNC机床、数字化焊接摆动器及奥地利福尼斯公司生产的TPS-4000脉冲MIG焊机系统构成。在实验前，用砂纸磨去除基板表面的氧化膜，并将其固定在工作台上，焊枪送丝端与工作面保持垂直，距离为12~15 mm。焊枪的移动轨迹呈“Z”字形摆动，层间采取定向往复沉积模式，具体工艺参数见表2。电弧和熔池形态采用高速摄像机观测。

采用电火花线切割机从制备的样品上切取金相、拉伸试样。直壁件的表面轮廓及波纹度利用台阶仪（TIME， 3234型，北京时代之峰科技有限公司）测量分析。金相试样使Keller 试剂（1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO₃+95%H₂O，质量分数）进行腐蚀。样品的显微形貌采用光学显微镜（OM，Observer.Z1m，ZEISS）和扫描电镜（SEM，JSM-7900F，JEOL）观察。样品在机械抛光的基础上进行电解抛光，随后使用扫描电镜携带的电子背散射衍射仪（EBSD， Symmetry S， Oxford Instruments）进行测试分析。拉伸性能使用万能力学试验机（UTM5205， SUNS）测试，试样尺寸参照图1（b），测试前对试样进行打磨抛光，拉伸速度为2 mm/min，每组试样至少测试3次，断口形貌采用扫描电镜分析。

2 结果与分析

2.1 摆弧工艺对成形质量的影响

不同摆弧参数制备的Al5356直壁样品横截面形貌如图2（a）所示。从图中可以看出，随着电弧摆幅b增加（频率不变），直壁件平均宽度增大，总高度h降低（图2（b）），沉积层平均厚度从无摆弧时的2.15 mm降低至电弧摆幅8 mm工艺下的1.58 mm；但随着摆弧频率增大（摆幅不变），直壁件宽度无明显变化，而横截面的轮廓显得更平直。为了定量分析电弧摆动幅度和摆动频率对WAAM成形质量的影响，采用表面波纹度来评判成形精度。表面波纹度S_a定义为直壁样品侧壁轮廓线上任意一点到基线距离的平均算术偏差），由如下函数式计算^［21］：

S_{\mathrm{a}}=\frac{\mathrm{\Sigma }\left(L_{\mathrm{0}}-L_{\mathrm{n}}\right)}{n}（1）

式中：L₀为基线距离； L_n为侧壁轮廓上通过测量点的平行切线距离；n为测量统计次数。

经测算，直壁样品横截面垂直方向（Z向）的波纹度从无摆弧时的1.125 mm降低至6 Hz摆弧工艺下的0.708 mm，即垂直波纹度降低了37%（图2（c））。进一步的表面波纹度测试结果（图2（d），（e））表明，摆弧工艺能够显著提升WAAM样品的表面平整度，随着摆弧频率从0增大至6 Hz，样品平面度波动范围从大于±410 µm减小至约±160 µm，侧壁平面度提升了60%。当摆弧频率（2 Hz）固定不变，摆动幅度从0增至8 mm，垂直波纹度S_a降至0.750 mm，而平面度波动范围减小至±190 µm。不难看出，摆弧频率比摆弧幅度对降低沉积件表面平整度的影响更显著。

显然，WAAM成形精度和电弧加热轨迹之间存在相关性。众所周知，电弧是一个高斯锥形的温度场，呈“钟罩”状扣在熔池上（图3（a）），其中心温度最高，远离中心的电流密度和温度均快速下降。因此，熔池侧边的温度远比中心部分的温度低，与上一层的熔合也不如中部好，加上熔滴过渡产生的周期性传热和传质作用，沉积层侧边出现“锯齿”状波纹。温差越大，波纹度就越大。当电弧沿沉积路径侧向摆动时，电弧中心不再固定，而是围绕沉积焊道中心线呈“Z”字形移动，熔池深度变浅，熔池的“拖尾”转移到了焊道侧向（图3（b））。与无摆弧工艺相比，电弧摆动分散了沉积焊道单位面积上的热输入，不仅提高了焊道侧边的加热温度，促进侧边的层间熔合，往复摆动的电弧又能减小侧边受高温加热的时间，降低焊道侧边塌陷的风险。在摆动电弧的作用下，熔池侧边的表面张力F_δ会下降，熔池与固体基面的夹角θ就越小，熔池高度h和熔深l降低，底部呈现出“平底锅”状（图3（c）），稳定性更好。摆弧频率越高，熔池形态的一致性和侧向温度的均匀性越好。因此，摆弧工艺能够促进沉积层间的良好熔合和改善构件侧壁的平整度。

2.2 摆弧工艺对孔隙分布和微观组织的影响

在WAAM铝合金构件中，控制孔隙缺陷是一大挑战。针对不同工艺制备的样品，在相同部位截取3个横截面，利用光学显微镜（放大50~100倍）观察每个截面中部3~5层的金相，采用ImageJ软件对金相图像进行处理分析，统计不同摆弧工艺下直壁样品中孔隙的分布特征结果如图4所示。孔隙率按照孔隙总面积占图像面积的比例进行估算，孔隙直径按照等效圆直径统计。从样品的金相（图4（a））可以看出，不同摆弧工艺制备的Al5356直壁样品中孔隙尺寸和分布有明显差异。无摆弧时，样品中的孔隙率超过0.65%，孔隙主要分布在沉积层之间的熔合区，最大孔隙直径超过33 μm（1^#样品）；摆弧频率为2 Hz时，孔隙率降至0.3%以下，最大孔隙直径约为22~24 μm（2^#、5^#样品）；当摆弧频率达到6 Hz时，孔隙率降至0.2%以下，孔隙较为分散，最大孔径进一步减小至10 μm以下（4^#样品）。电弧摆动频率越高，焊道横向的温度越均匀，熔池侧向拖尾越长，来不及完全凝固的熔池被回摆的电弧再次加热，减小了熔池金属液的黏度，促进了气泡的逸出。因此，随着摆弧频率增大，无论是孔隙数量还是孔隙尺寸均有明显降低。另一方面，当电弧摆动频率（2 Hz）不变，摆幅从0增加至8 mm（1^#、2^#、5^#样品），孔隙率降至0.3%以下，最大孔隙直径减小到约24 μm。电弧摆幅增加导致熔池深度减小，缩短了气体逸出距离。相对而言，增加摆弧频率比增大摆幅对分散孔隙和减小孔隙尺寸具有更显著的效果，这主要和振荡电弧对熔池的搅拌作用有关。因此，施加摆弧工艺对提升WAAM铝合金构件的成形质量和降低孔隙率均有积极的意义。由于孔隙分析是基于低倍金相图开展的，直径5 μm以下的微孔难以清晰辨识，三维孔隙分布和二维截面显示存在差异，且受样品数量限制，统计结果不够精确，但用作横向对比还是有益的。

图5EBSD测试结果表明，摆弧工艺对Al5356直壁样品的显微组织也有明显影响。无摆弧制备的样品具有典型的电弧增材“双峰晶粒”组织结构，如图5（a-1）所示。层间熔合区呈下凹弧形月牙状，为中间宽两端窄的细晶粒区，大部分晶粒尺寸小于20 µm；依附在熔合区上的为等轴晶区，是过冷度较大的区域，平均晶粒尺寸约50 µm，而远离熔合区的沉积层为粗大的柱状晶区，平均晶粒尺寸超过150 µm。随着摆弧频率增大，前一层的固体基底在横向上受热更加均匀，熔合区（细晶区）变窄，熔池横向交叉变得愈加频繁，柱状晶区受到显著压缩（图5（a-2））。摆弧频率为6 Hz的样品组织相对均匀，平均晶粒尺寸小于100 µm。电弧摆动引起的横向反复加热削弱了固体基底的急冷作用，细晶区受到压缩；同时，焊道横向因反复加热重熔，柱状晶难以充分长大就被回摆的电弧重新熔化，由于摆动电弧对熔池温度梯度的转变和对熔池流体的搅动作用，柱状晶的生长受到抑制，且晶粒相互交错，致密性进一步增加，如图5（a-3）所示。基于EBSD测试数据的几何必须位错密度（GND）分析结果（图5（b-1）~（b-3））显示，Al5356直壁样品中的平均位错密度均较小，为0.5~0.6×10¹⁴ m^-2，但位错的分布存在明显区别。在无摆弧的样品中（图5（b-1）），位错主要集中分布在沉积层底部的熔合区；而在摆弧频率6 Hz的样品中（图5（b-3）），位错分布较为均匀。位错的聚集会导致局部应力增大，对于均匀性变形可能产生不利影响。总之，摆弧工艺对Al5356构件组织的最显著影响是改变了典型“双峰晶粒”分布特征，起到了均匀化组织的作用。

2.3 摆弧工艺对力学性能的影响

图6为不同摆弧工艺制备的Al5356样品的拉伸测试结果。不难看出，应用摆弧工艺制备的样品，无论是在沉积方向（X方向，图6（a-1）），还是在构建方向（Z方向，图6（a-2））的抗拉强度和伸长率较无摆弧样品均有提高。总体而言，样品X方向的拉伸性能优于Z方向，摆弧频率对样品拉伸性能的影响比摆弧幅度更显著。随着摆弧频率从0增加至6 Hz，样品在X方向（图6（b-1））和Z方向（图6（b-2））的平均抗拉强度分别由248.5 MPa和238.2 MPa，增大到280.7 MPa和274.8 MPa，分别提升了约13%和15%；而平均伸长率由23.4%和22.0%，增大到29.8%和27.6%，分别提高了约27%和25%。伸长率的提升效果更明显。保持摆弧频率2 Hz不变，随着摆弧幅度从0增大到8 mm，样品在两个方向的平均抗拉强度有所提高，但提升率均不超过8%，且伸长率变化不明显。

从拉伸样品的断口形貌（图7）可以看出，施加摆弧工艺能够显著降低Al5356直壁样品中的孔隙量和孔隙尺寸。尤其是随着摆弧频率的增大，孔隙率和孔隙尺寸明显减小。如图7（a）所示，未施加摆弧工艺制备的样品（1^#）断口表面，孔隙大而密集；而6 Hz摆弧频率制备的样品（4^#）断口表面只有零星的小孔隙，且均匀分布着细小的断裂韧窝，这些特征都是样品能够维持良好塑性的重要表现。从Z方向的拉伸断口形貌（图7（b））可以看出，未施加摆弧或摆弧频率较低时，样品断口上往往呈现出明显的断裂脊线，在脊线两侧分布有密集排列的孔隙；随着摆弧频率的增大，断裂脊线变得弯曲而不明显，孔隙也逐渐减少而分散。这些结果进一步验证了在丝-弧增材制造中应用摆弧工艺能够显著降低构件的孔隙缺陷和均匀化显微组织。

从以上研究结果可以看出，在WAAM过程中施加侧向摆弧工艺，能够起到促进排气和均匀化组织的作用。这主要是由于摆动的电弧不仅对熔池具有搅拌作用，促进金属熔体流动，还能均匀化焊道侧向的热输入，减小熔池深度，降低温度梯度和熔池底部的结晶速率，从而促进熔池中气体的逸出，避免大量气体被禁锢在快速凝固的熔合区而形成大气孔。另一方面，与无摆弧相比，电弧摆动导致焊道侧向温度场交错，熔池在向沉积方向（X方向）移动的同时产生了侧向（Y方向）往复运动，结晶方向随之产生转变，使原本朝向焊道中心和表面生长的晶粒受到抑制，促使新晶粒的形成和晶体生长方向的转变，从而抑制粗大定向晶的形成，促进短轴晶粒的交错生长，实现组织均匀化，有利于Al5356构件强度和塑性的同时提升。因此，无论是在提升构件的成形质量方面，还是在降低铝合金沉积件中的孔隙率和孔隙尺寸，提高组织均匀性和力学性能方面，施加摆弧工艺对于WAAM过程均具有积极意义。

3 结论

（1）在WAAM过程中应用摆弧工艺能够显著提升Al5356直壁件的成形质量，在实验参数范围内，样品的垂直波纹度从1.125 mm降低至0.708 mm，降低了37%，侧壁平面度波动范围从大于±410 µm减小至约±160 µm，减小了60%。

（2）电弧摆动分散焊道侧向的热输入，降低沉积层厚度，促进Al5356构件的层间熔合，有效降低沉积构件中的孔隙尺寸和孔隙率。施加摆弧工艺后，Al5356沉积层中典型的“双峰晶粒”结构特征被改变，侧向往复摆动的电弧热抑制了熔合区的细晶粒和沉积层上部柱状定向晶的形成，促使晶粒生长转向和交错，从而促进组织均匀化。

（3）在实验参数范围内，施加摆弧工艺将沉积态Al5356直壁件在沉积方向（X方向）和构建方向（Z方向）的平均抗拉强度分别从248.5 MPa和238.2 MPa，提高到280.7 MPa和274.8 MPa，分别提升了约13%和15%，而平均伸长率从23.4%和22.0%，提升到29.8%和27.6%，分别提高了约27%和25%。力学性能的提升主要归因于孔隙缺陷的减少和组织的均匀化。

基于以上有益效果，将摆弧工艺应用于大型金属构件的电弧增材制造过程，对保证构件质量和提升构件使用性能将大有裨益。

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基金资助

湖北省自然科学基金(2023AFB1033)

湖北汽车工业学院博士科研启动基金(BK202310)

新能源汽车关键材料湖北省重点实验室（筹）2021年度开放基金(QCCLSZK2021B04)