填充絲特性對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)不斷追求創(chuàng)新與發(fā)展的進(jìn)程中，鋁合金以其密度低、比強度高、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性良好、抗腐蝕性能優(yōu)異等一系列突出優(yōu)勢，在航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，減輕飛行器重量對于提高其性能和降低能耗至關(guān)重要，鋁合金的低密度特性使其成為制造飛機機身、機翼、發(fā)動機部件等的理想材料，有助于提升飛行器的燃油效率和航程；在汽車制造領(lǐng)域，使用鋁合金能夠有效減輕車身重量，提高燃油經(jīng)濟性，同時鋁合金的良好成型性也便于制造復(fù)雜形狀的汽車零部件；在船舶工業(yè)中，鋁合金的抗腐蝕性能使其適用于制造船舶的外殼、甲板等部件，延長船舶的使用壽命。隨著科技的飛速進(jìn)步，傳統(tǒng)制造工藝在滿足日益多樣化和復(fù)雜化的構(gòu)件制造需求時，逐漸暴露出諸多局限性。例如，對于一些形狀復(fù)雜的大型鋁合金構(gòu)件，采用傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等工藝，不僅需要制造復(fù)雜的模具，而且加工過程中材料浪費嚴(yán)重，生產(chǎn)周期長，成本高昂。增材制造技術(shù)作為一種新型的數(shù)字化制造技術(shù)，憑借其獨特的逐層堆積成型方式，能夠直接根據(jù)三維模型制造出復(fù)雜形狀的構(gòu)件，無需模具，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了材料利用率，為解決傳統(tǒng)制造工藝的難題提供了新的途徑。鋁合金電弧增材制造技術(shù)作為增材制造領(lǐng)域的重要分支，融合了電弧焊接技術(shù)與增材制造理念，以電弧為熱源，將填充絲材熔化并逐層堆積，最終形成所需的三維構(gòu)件。與其他增材制造技術(shù)相比，鋁合金電弧增材制造技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。在沉積速率方面，其能夠?qū)崿F(xiàn)較高的材料沉積速度，例如在一些應(yīng)用場景中，沉積速率可達(dá)每小時數(shù)千克，這使得制造大型構(gòu)件的效率大幅提高；從設(shè)備成本角度來看，電弧增材制造設(shè)備相對簡單，成本較低，相較于一些高精度的激光增材制造設(shè)備，其購置和維護(hù)成本更易于被企業(yè)接受；在材料利用率上，該技術(shù)幾乎能將所有的填充絲材轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的一部分，材料浪費極少，符合現(xiàn)代制造業(yè)對資源高效利用的要求。因此，鋁合金電弧增材制造技術(shù)在制造大型、復(fù)雜鋁合金構(gòu)件方面展現(xiàn)出巨大的潛力，成為了近年來研究的熱點。在鋁合金電弧增材制造過程中，填充絲作為構(gòu)建構(gòu)件的直接原材料，其成分、性能以及送絲工藝等因素對增材制造過程的穩(wěn)定性和最終成形構(gòu)件的質(zhì)量與性能有著至關(guān)重要的影響。填充絲的成分直接決定了熔池的化學(xué)成分，進(jìn)而影響凝固后的微觀組織和力學(xué)性能。例如，添加適量的合金元素如鎂、鋅、銅等，可以細(xì)化晶粒，提高強度和硬度，但如果成分控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致偏析、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。填充絲的送絲速度、送絲角度等工藝參數(shù)也會影響熔滴過渡的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響焊縫的成形質(zhì)量。如果送絲速度不穩(wěn)定，會導(dǎo)致熔池?zé)崃枯斎氩痪鶆?，使?gòu)件出現(xiàn)局部過熱或過冷現(xiàn)象，影響構(gòu)件的尺寸精度和表面質(zhì)量。研究填充絲對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。從理論層面來看，深入探究填充絲與電弧、熔池之間的相互作用機制，以及填充絲成分和工藝參數(shù)對微觀組織演變和力學(xué)性能的影響規(guī)律，有助于豐富和完善鋁合金電弧增材制造的基礎(chǔ)理論體系，為工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供堅實的理論依據(jù)。在實際應(yīng)用中，通過優(yōu)化填充絲的選擇和送絲工藝，可以有效提高鋁合金電弧增材構(gòu)件的質(zhì)量和性能，減少缺陷的產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。這對于推動鋁合金電弧增材制造技術(shù)在航空航天、汽車制造等高端制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，提升我國制造業(yè)的整體水平具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀鋁合金電弧增材制造技術(shù)的研究在國內(nèi)外均取得了顯著進(jìn)展。國外方面，一些發(fā)達(dá)國家如美國、德國、英國等在該領(lǐng)域起步較早，開展了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索。美國的一些研究機構(gòu)通過對電弧增材制造過程中的熔滴過渡行為、溫度場分布等進(jìn)行深入研究，建立了較為完善的數(shù)學(xué)模型，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。德國的研究人員則注重將電弧增材制造技術(shù)與自動化控制技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了高度自動化的增材制造設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。英國的學(xué)者在鋁合金電弧增材制造的材料研發(fā)方面取得了突破，開發(fā)出了多種新型鋁合金絲材，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。在國內(nèi)，近年來隨著對增材制造技術(shù)的重視程度不斷提高，眾多高校和科研機構(gòu)也積極投入到鋁合金電弧增材制造技術(shù)的研究中。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校在鋁合金電弧增材制造的工藝優(yōu)化、缺陷控制、組織性能調(diào)控等方面開展了系統(tǒng)的研究工作，取得了一系列具有國際影響力的研究成果。例如，北京航空航天大學(xué)的研究團隊通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和采用先進(jìn)的熱管理技術(shù)，有效減少了鋁合金電弧增材制造過程中的氣孔、裂紋等缺陷，提高了構(gòu)件的質(zhì)量和性能；西北工業(yè)大學(xué)的科研人員針對鋁合金電弧增材制造過程中的殘余應(yīng)力問題，開展了數(shù)值模擬和實驗研究，提出了有效的應(yīng)力消除方法，改善了構(gòu)件的尺寸精度和穩(wěn)定性。在填充絲對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能影響的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的工作。研究發(fā)現(xiàn)，填充絲的成分對增材制造構(gòu)件的微觀組織和力學(xué)性能有著顯著的影響。當(dāng)填充絲中合金元素含量較高時，能夠細(xì)化晶粒，提高構(gòu)件的強度和硬度，但同時也可能增加裂紋敏感性。送絲速度、送絲角度等送絲工藝參數(shù)對熔滴過渡的穩(wěn)定性和焊縫成形質(zhì)量也有重要影響。送絲速度過快或過慢都可能導(dǎo)致熔滴過渡不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生飛濺、未熔合等缺陷，影響構(gòu)件的質(zhì)量。盡管國內(nèi)外在鋁合金電弧增材制造及填充絲影響方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。在填充絲成分與工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化方面，目前的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性的研究成果，難以實現(xiàn)對增材制造過程的精準(zhǔn)控制和構(gòu)件性能的全面提升。對于一些新型鋁合金材料的電弧增材制造，由于其材料特性的復(fù)雜性，填充絲的選擇和工藝參數(shù)的確定還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步開展深入的研究。本文將針對現(xiàn)有研究的不足，系統(tǒng)地研究填充絲對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過優(yōu)化填充絲的成分和送絲工藝參數(shù)，實現(xiàn)鋁合金電弧增材制造過程的穩(wěn)定控制和構(gòu)件質(zhì)量與性能的提高，為鋁合金電弧增材制造技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞填充絲對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響展開，具體內(nèi)容包括以下幾個方面：填充絲成分對成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響：選用多種不同成分的鋁合金填充絲，如Al-Mg系、Al-Si系、Al-Cu系等，在相同的電弧增材工藝條件下進(jìn)行試驗。通過觀察熔池的冶金反應(yīng)，分析填充絲成分對熔池的流動性、凝固特性以及氣孔、裂紋等缺陷產(chǎn)生的影響。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）等設(shè)備，研究不同填充絲成分下增材構(gòu)件的微觀組織特征，包括晶粒尺寸、形態(tài)、分布以及第二相的種類、數(shù)量和分布情況。通過拉伸試驗、硬度測試、沖擊試驗等力學(xué)性能測試方法，測定增材構(gòu)件的力學(xué)性能，如抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度、沖擊韌性等，建立填充絲成分與微觀組織、力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。送絲工藝參數(shù)對成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響：系統(tǒng)研究送絲速度、送絲角度、送絲位置等送絲工藝參數(shù)對電弧增材過程的影響。改變送絲速度，觀察熔滴過渡的穩(wěn)定性、電弧的形態(tài)以及焊縫的成形質(zhì)量，分析送絲速度與熔滴過渡頻率、熔池能量輸入之間的關(guān)系，確定合適的送絲速度范圍。調(diào)整送絲角度，研究其對熔池的攪拌作用、焊縫的熔寬和熔深的影響，找到最佳的送絲角度。探討送絲位置對熔池的對稱性、構(gòu)件的尺寸精度和表面質(zhì)量的影響，優(yōu)化送絲位置。通過正交試驗或響應(yīng)面試驗設(shè)計方法，對送絲工藝參數(shù)進(jìn)行多因素優(yōu)化，以獲得最佳的成形質(zhì)量和力學(xué)性能。填充絲與電弧、熔池的相互作用機制：運用高速攝像技術(shù)，實時觀察填充絲在電弧作用下的熔化、過渡過程，以及熔滴與熔池的相互作用行為，分析熔滴過渡的模式（如短路過渡、噴射過渡、脈沖過渡等）及其對增材過程穩(wěn)定性的影響。采用數(shù)值模擬方法，建立填充絲、電弧、熔池的耦合物理模型，模擬電弧的溫度場、流場，熔池的溫度分布、流速分布以及填充絲的熔化和凝固過程，深入研究填充絲與電弧、熔池之間的熱傳遞、質(zhì)量傳遞和動量傳遞機制。結(jié)合實驗結(jié)果和數(shù)值模擬分析，揭示填充絲在電弧增材過程中的作用機理，為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)?；谔畛浣z優(yōu)化的鋁合金電弧增材工藝參數(shù)優(yōu)化：在研究填充絲成分和送絲工藝參數(shù)對成形質(zhì)量與力學(xué)性能影響的基礎(chǔ)上，綜合考慮兩者的協(xié)同作用，對鋁合金電弧增材工藝參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化。通過大量的實驗研究和數(shù)據(jù)分析，建立工藝參數(shù)與成形質(zhì)量、力學(xué)性能之間的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工藝參數(shù)的預(yù)測和優(yōu)化。采用人工智能算法（如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等）對工藝參數(shù)進(jìn)行智能優(yōu)化，提高優(yōu)化效率和準(zhǔn)確性。將優(yōu)化后的工藝參數(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)，驗證其有效性和可靠性，實現(xiàn)鋁合金電弧增材制造過程的穩(wěn)定控制和構(gòu)件質(zhì)量與性能的提高。1.3.2研究方法本研究將綜合運用實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，深入探究填充絲對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響。實驗研究：搭建鋁合金電弧增材制造實驗平臺，包括電弧焊機、送絲機、機器人運動系統(tǒng)、保護(hù)氣體供應(yīng)系統(tǒng)等設(shè)備。選用合適的鋁合金基板和不同類型的填充絲，按照設(shè)計好的工藝參數(shù)進(jìn)行電弧增材實驗，制備一系列增材構(gòu)件。利用金相顯微鏡、SEM、能譜分析儀（EDS）等微觀分析設(shè)備，對增材構(gòu)件的微觀組織和成分進(jìn)行分析，觀察晶粒形態(tài)、第二相分布等特征，并測定其化學(xué)成分。通過拉伸試驗機、硬度計、沖擊試驗機等力學(xué)性能測試設(shè)備，對增材構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)性能測試，獲取抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度、沖擊韌性等力學(xué)性能指標(biāo)。采用高速攝像機觀察電弧增材過程中的熔滴過渡行為、電弧形態(tài)和熔池變化，記錄相關(guān)現(xiàn)象并進(jìn)行分析。數(shù)值模擬：利用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件（如ANSYS、COMSOL等），建立鋁合金電弧增材過程的數(shù)學(xué)模型。模型中考慮電弧的物理特性（如溫度場、電流密度分布、電磁力等）、填充絲的熔化和凝固過程、熔池的流動和傳熱傳質(zhì)等因素。通過數(shù)值模擬，預(yù)測不同工藝參數(shù)下電弧增材過程中的溫度場、應(yīng)力場、變形場以及微觀組織演變等情況，分析填充絲對這些物理量的影響規(guī)律。將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。理論分析：基于金屬學(xué)、材料科學(xué)、焊接冶金學(xué)等相關(guān)理論，對實驗和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。從理論上探討填充絲成分、送絲工藝參數(shù)對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響機制，如填充絲中合金元素的作用、熔滴過渡模式對焊縫成形的影響、熱循環(huán)對微觀組織演變的影響等。建立相關(guān)的理論模型，解釋實驗現(xiàn)象和數(shù)值模擬結(jié)果，為鋁合金電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展提供理論支持。二、鋁合金電弧增材制造技術(shù)與填充絲概述2.1鋁合金電弧增材制造技術(shù)原理與工藝2.1.1技術(shù)原理鋁合金電弧增材制造技術(shù)，作為金屬增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其原理基于材料逐層堆積的思想，以電弧作為熱源，通過將填充絲材在電弧的高溫作用下熔化，并按照預(yù)定的路徑逐層堆積，最終構(gòu)建出三維實體零件。在該技術(shù)中，電弧是提供能量的核心要素。常見的電弧熱源包括熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、非熔化極鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）等。以GMAW為例，在焊接過程中，焊絲通過送絲機構(gòu)連續(xù)地送入焊接區(qū)，在焊絲與焊件之間形成電弧。電弧產(chǎn)生的高溫使焊絲端部和焊件表面迅速熔化，形成熔池。隨著焊絲的不斷熔化和填充，熔池中的液態(tài)金屬逐漸堆積，當(dāng)一層堆積完成后，焊接設(shè)備按照預(yù)設(shè)的程序移動到下一層的位置，重復(fù)上述過程，實現(xiàn)逐層沉積，直至完成整個零件的制造。鋁合金電弧增材制造技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢。在沉積速率方面，其能夠?qū)崿F(xiàn)較高的材料沉積速度，相比于一些其他增材制造技術(shù)，如激光選區(qū)熔化技術(shù)，鋁合金電弧增材制造的沉積速率可高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這使得制造大型構(gòu)件的時間大幅縮短。從設(shè)備成本角度來看，該技術(shù)所使用的設(shè)備相對簡單，主要由電弧焊機、送絲機、運動控制系統(tǒng)等組成，其購置成本遠(yuǎn)低于一些高精度的增材制造設(shè)備，如電子束增材制造設(shè)備，這為企業(yè)降低了生產(chǎn)門檻，提高了技術(shù)的可及性。鋁合金電弧增材制造的材料利用率極高，幾乎能將所有的填充絲材轉(zhuǎn)化為零件的一部分，減少了材料的浪費，符合現(xiàn)代制造業(yè)對資源高效利用的要求。2.1.2工藝過程鋁合金電弧增材制造的工藝過程是一個復(fù)雜且精細(xì)的流程，主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟：CAD模型設(shè)計：這是整個增材制造過程的起點。設(shè)計人員根據(jù)零件的功能需求和結(jié)構(gòu)特點，使用三維計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件創(chuàng)建零件的三維模型。在設(shè)計過程中，需要充分考慮零件的形狀、尺寸精度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映零件的設(shè)計意圖。對于一些復(fù)雜形狀的零件，可能還需要進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，以在滿足力學(xué)性能要求的前提下，減輕零件重量，提高材料利用率。例如，在航空航天領(lǐng)域，為了減輕飛行器的重量，提高燃油效率，會對飛機的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，去除一些非關(guān)鍵部位的材料，使零件的結(jié)構(gòu)更加合理。切片處理：將創(chuàng)建好的CAD模型導(dǎo)入到切片軟件中，切片軟件會將三維模型沿Z軸方向進(jìn)行分層切片，將其轉(zhuǎn)化為一系列具有一定厚度的二維截面輪廓數(shù)據(jù)。這些二維截面輪廓數(shù)據(jù)包含了每層的幾何形狀、尺寸和位置信息，是后續(xù)增材制造過程中控制焊接設(shè)備運動的重要依據(jù)。切片厚度的選擇對零件的精度和制造效率有重要影響。較薄的切片厚度可以提高零件的表面質(zhì)量和精度，但會增加制造時間和數(shù)據(jù)處理量；較厚的切片厚度則可以提高制造效率，但會降低零件的表面質(zhì)量和精度。一般來說，切片厚度在0.1-1mm之間，具體數(shù)值需要根據(jù)零件的要求和設(shè)備的性能進(jìn)行選擇。逐層沉積：在完成切片處理后，焊接設(shè)備根據(jù)切片軟件生成的二維截面輪廓數(shù)據(jù)，控制焊槍按照預(yù)定的路徑進(jìn)行運動。送絲機將填充絲材以一定的速度送入焊接區(qū)，在電弧的高溫作用下，填充絲材熔化并與基板或前一層堆積的金屬熔合，形成一層新的焊縫。每層焊縫的高度通常與切片厚度相同，當(dāng)一層沉積完成后，焊接設(shè)備上升一個切片厚度的距離，開始下一層的沉積。在逐層沉積過程中，需要嚴(yán)格控制焊接電流、電壓、送絲速度、焊接速度等工藝參數(shù)，以確保熔池的穩(wěn)定性和焊縫的質(zhì)量。同時，還需要對焊接過程進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和解決可能出現(xiàn)的問題，如氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。后處理：完成逐層沉積后，得到的零件通常還需要進(jìn)行后處理。后處理的目的是改善零件的性能和表面質(zhì)量，使其滿足使用要求。后處理工藝包括熱處理、機械加工、表面處理等。熱處理可以消除零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，改善零件的微觀組織和力學(xué)性能，如通過固溶處理和時效處理，可以提高鋁合金零件的強度和硬度；機械加工可以對零件進(jìn)行尺寸精度和表面粗糙度的修整，使其達(dá)到設(shè)計要求；表面處理可以提高零件的耐腐蝕性和耐磨性，如通過陽極氧化處理，可以在鋁合金零件表面形成一層致密的氧化膜，提高其耐腐蝕性。2.1.3工藝參數(shù)鋁合金電弧增材制造過程中，焊接電流、電壓、送絲速度、焊接速度等工藝參數(shù)對增材制造的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響，具體分析如下：焊接電流：焊接電流是影響電弧能量和熔池溫度的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)焊接電流增大時，電弧能量增強，焊絲熔化速度加快，熔池溫度升高，熔深和熔寬也會相應(yīng)增加。然而，如果焊接電流過大，會導(dǎo)致熔池過熱，液態(tài)金屬流動性過大，容易產(chǎn)生咬邊、塌陷、氣孔等缺陷，同時還會增加零件的熱變形和殘余應(yīng)力。相反，若焊接電流過小，焊絲熔化不充分，可能會出現(xiàn)未熔合、焊瘤等缺陷，影響焊縫的質(zhì)量和強度。焊接電壓：焊接電壓主要影響電弧的長度和穩(wěn)定性。電壓升高，電弧長度增加，電弧的挺度和吹力會發(fā)生變化，從而影響熔池的形狀和尺寸。適當(dāng)提高焊接電壓，可以使焊縫寬度增加，熔深略有減小，有利于改善焊縫的成形質(zhì)量。但電壓過高，會使電弧不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺和氣孔，降低焊接質(zhì)量；電壓過低，則會導(dǎo)致電弧太短，可能會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，影響焊接過程的正常進(jìn)行。送絲速度：送絲速度直接決定了單位時間內(nèi)填充絲材的供給量。送絲速度增加，單位時間內(nèi)熔化的焊絲量增多，焊縫的余高會增大，熔寬也可能會相應(yīng)增加。如果送絲速度過快，超過了焊絲的熔化能力，會導(dǎo)致焊絲堆積，形成未熔合缺陷，還可能會引起送絲不穩(wěn)定，影響焊接過程的連續(xù)性；送絲速度過慢，則會使焊縫填充不足，影響零件的尺寸精度和強度。送絲速度與焊接電流、電壓之間需要相互匹配，以保證熔滴過渡的穩(wěn)定性和焊縫的質(zhì)量。焊接速度：焊接速度影響著單位長度焊縫上的熱輸入量。焊接速度加快，單位長度焊縫上的熱輸入減少，熔池的冷卻速度加快，焊縫的熔深和熔寬會減小，余高也會降低。若焊接速度過快，會導(dǎo)致熔池來不及充分熔化和凝固，容易產(chǎn)生未熔合、氣孔等缺陷，同時還會使焊縫的強度和韌性下降；焊接速度過慢，則會使熱輸入過大，導(dǎo)致零件變形增大，生產(chǎn)效率降低。在實際增材制造過程中，需要根據(jù)零件的形狀、尺寸、材料以及其他工藝參數(shù)，合理選擇焊接速度，以獲得良好的焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這些工藝參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，在鋁合金電弧增材制造過程中，需要綜合考慮各參數(shù)的作用，通過實驗和數(shù)值模擬等方法，優(yōu)化工藝參數(shù)組合，以實現(xiàn)高質(zhì)量的增材制造。2.2填充絲在鋁合金電弧增材制造中的作用2.2.1提供材料在鋁合金電弧增材制造中，填充絲作為構(gòu)建三維構(gòu)件的直接原材料，起著基礎(chǔ)性的作用。當(dāng)電弧產(chǎn)生高溫時，填充絲迅速熔化，形成液態(tài)金屬熔滴。這些熔滴在電弧的作用力以及自身重力、表面張力等因素的綜合影響下，過渡到熔池中，并與熔池中的液態(tài)金屬相互融合。隨著熔池的凝固，填充絲熔化后的金屬成為了增材層的一部分，實現(xiàn)了材料的逐層堆積。以常見的熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造為例，填充絲通過送絲機構(gòu)以穩(wěn)定的速度連續(xù)送入焊接區(qū)。在焊接電流和電壓的作用下，填充絲端部與焊件之間形成電弧，電弧的溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，足以使填充絲迅速熔化。熔化后的填充絲以熔滴的形式過渡到熔池，熔池中的液態(tài)金屬在電弧的攪拌作用下充分混合。當(dāng)一層熔池凝固后，送絲機繼續(xù)送絲，焊槍按照預(yù)定的路徑移動，開始下一層的沉積，如此循環(huán)往復(fù)，最終構(gòu)建出復(fù)雜的三維鋁合金構(gòu)件。在這個過程中，填充絲的供給量直接影響著增材制造的效率和構(gòu)件的尺寸精度。如果送絲速度不穩(wěn)定，會導(dǎo)致熔池?zé)崃枯斎氩痪鶆?，使?gòu)件出現(xiàn)局部過熱或過冷現(xiàn)象，進(jìn)而影響構(gòu)件的質(zhì)量。填充絲的材質(zhì)和規(guī)格對增材制造的效果也有著重要影響。不同材質(zhì)的填充絲，其化學(xué)成分和物理性能存在差異，這會導(dǎo)致熔化特性、熔滴過渡行為以及與母材的冶金結(jié)合性能等方面的不同。例如，一些高強度鋁合金填充絲中含有較多的合金元素，在熔化過程中，這些合金元素會參與冶金反應(yīng)，改變?nèi)鄢氐某煞趾湍烫匦?，從而影響?gòu)件的微觀組織和力學(xué)性能。填充絲的直徑等規(guī)格參數(shù)也會影響送絲的穩(wěn)定性和熔滴的大小，進(jìn)而影響增材制造的質(zhì)量。2.2.2影響冶金過程填充絲的成分在鋁合金電弧增材制造的冶金過程中扮演著關(guān)鍵角色，對合金元素分布、結(jié)晶過程和組織形成產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。在冶金反應(yīng)方面，填充絲中的合金元素與母材中的元素在熔池中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。以Al-Mg系鋁合金填充絲為例，其中的鎂元素在熔池中會與氧發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鎂（MgO）。氧化鎂的生成不僅消耗了熔池中的氧，減少了氣孔等缺陷的產(chǎn)生，同時也改變了熔池的化學(xué)成分。一些合金元素還可能與熔池中其他元素形成金屬間化合物，這些金屬間化合物的種類、數(shù)量和分布對合金的性能有著重要影響。在Al-Cu系鋁合金中，銅元素與鋁元素會形成強化相，如θ相（Al2Cu），這些強化相的彌散分布能夠顯著提高鋁合金的強度。填充絲成分對結(jié)晶過程也有著重要影響。合金元素的加入會改變?nèi)鄢氐哪虦囟确秶湍谭绞健Ｄ承┖辖鹪啬軌蚪档腿鄢氐哪虦囟?，使熔池的凝固過程更加緩慢，這有利于熔池中的氣體逸出，減少氣孔的形成。合金元素還會影響結(jié)晶的形核和長大過程。例如，鈦（Ti）和硼（B）等元素常被用作晶粒細(xì)化劑，當(dāng)填充絲中含有這些元素時，它們在熔池凝固過程中能夠作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的細(xì)化，使最終形成的組織更加均勻細(xì)小。填充絲成分的變化直接決定了增材構(gòu)件的微觀組織特征。不同的合金元素組合會導(dǎo)致不同的組織形態(tài)和相組成。在Al-Si系鋁合金中，硅元素的含量對組織形態(tài)有著顯著影響。當(dāng)硅含量較低時，組織中主要為α-Al固溶體和少量的共晶組織；隨著硅含量的增加，共晶組織的含量逐漸增多，且形態(tài)也會發(fā)生變化，從細(xì)小的顆粒狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮尼槧罨蚱瑺?。這些不同的組織形態(tài)和相組成會對鋁合金構(gòu)件的力學(xué)性能、耐腐蝕性等產(chǎn)生重要影響。填充絲成分在鋁合金電弧增材制造的冶金過程中起著至關(guān)重要的作用，通過合理調(diào)整填充絲成分，可以有效控制冶金反應(yīng)、優(yōu)化結(jié)晶過程，從而獲得理想的微觀組織和性能。2.2.3改善性能填充絲在鋁合金電弧增材制造中，通過調(diào)整成分和添加微量元素，能夠顯著改善鋁合金構(gòu)件的力學(xué)性能和其他性能。在力學(xué)性能方面，填充絲中的合金元素可以通過多種機制提高鋁合金的強度和硬度。固溶強化是一種常見的強化機制，當(dāng)填充絲中的合金元素如鎂、鋅、銅等溶解在鋁基體中時，會形成固溶體。由于合金元素與鋁原子的尺寸差異，會產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯的運動，從而提高合金的強度和硬度。在Al-Mg合金中，鎂原子溶解在鋁基體中，使合金的強度得到顯著提高。沉淀強化也是一種重要的強化方式，一些合金元素在固溶處理后，通過時效處理會從固溶體中析出細(xì)小的第二相粒子，如Al-Cu合金中的θ相（Al2Cu）。這些第二相粒子能夠阻礙位錯的滑移，提高合金的強度和硬度。彌散強化同樣可以改善鋁合金的力學(xué)性能，當(dāng)填充絲中添加一些彌散分布的細(xì)小顆粒，如Al2O3、TiC等，這些顆粒能夠釘扎位錯，提高合金的強度和耐磨性。填充絲中的微量元素對鋁合金的韌性和塑性也有重要影響。適量的稀土元素如鈰（Ce）、鑭（La）等添加到填充絲中，能夠細(xì)化晶粒，凈化晶界，減少雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，從而提高鋁合金的韌性和塑性。稀土元素還可以改善鋁合金的鑄造性能，減少氣孔、縮孔等缺陷的產(chǎn)生。一些微量元素如鋯（Zr）、鈧（Sc）等能夠抑制再結(jié)晶的發(fā)生，保持合金的亞結(jié)構(gòu)，提高合金的高溫強度和熱穩(wěn)定性。填充絲還可以改善鋁合金的其他性能。添加適量的硅元素可以提高鋁合金的鑄造性能和耐磨性；添加鉻（Cr）、鉬（Mo）等元素可以提高鋁合金的耐腐蝕性，使其在惡劣環(huán)境下具有更好的使用性能。通過合理選擇填充絲的成分和添加適當(dāng)?shù)奈⒘吭?，可以全面提升鋁合金電弧增材制造構(gòu)件的性能，滿足不同工程應(yīng)用的需求。2.3常用填充絲種類及特點2.3.1不同系列鋁合金填充絲鋁合金填充絲種類繁多，不同系列的鋁合金填充絲具有各自獨特的成分特點和適用場景。2xxx系列鋁合金填充絲：2xxx系列鋁合金填充絲以銅（Cu）為主要合金元素，通常還含有鎂（Mg）、錳（Mn）等元素。這類填充絲具有較高的強度和硬度，尤其是在熱處理后，其強度可顯著提高。2024鋁合金填充絲，其銅含量較高，具有良好的綜合力學(xué)性能，抗拉強度可達(dá)470MPa左右，屈服強度約為325MPa，常用于航空航天領(lǐng)域中對強度要求較高的結(jié)構(gòu)件的焊接和增材制造，如飛機的機翼、機身等部件。2xxx系列鋁合金填充絲的耐腐蝕性相對較差，在一些腐蝕性環(huán)境中使用時，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。5xxx系列鋁合金填充絲：5xxx系列鋁合金填充絲以鎂（Mg）為主要合金元素，合金中鎂含量通常在3%-8%之間。鎂元素的加入使該系列填充絲具有良好的耐腐蝕性，特別是在海洋環(huán)境等腐蝕性較強的工況下表現(xiàn)出色。5xxx系列填充絲還具有較高的塑性和焊接性，焊接過程中不易產(chǎn)生裂紋等缺陷。5083鋁合金填充絲，其鎂含量約為4.5%，常用于船舶制造、汽車車身制造等領(lǐng)域，可用于焊接鋁合金板材，制造船舶的外殼、汽車的車身覆蓋件等。由于其強度相對較低，在一些對強度要求較高的場合應(yīng)用受到一定限制。6xxx系列鋁合金填充絲：6xxx系列鋁合金填充絲主要合金元素為鎂（Mg）和硅（Si），通過Mg2Si相的析出強化，使其具有中等強度、良好的耐腐蝕性和焊接性。6061鋁合金填充絲，含有約0.8%-1.2%的鎂和0.4%-0.8%的硅，其抗拉強度可達(dá)205MPa以上，屈服強度約為170MPa，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、機械制造等領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域，可用于鋁合金門窗的焊接和制造；在汽車領(lǐng)域，可用于制造汽車的發(fā)動機缸體、輪轂等部件。該系列填充絲的高溫性能相對較差，在高溫環(huán)境下使用時，其力學(xué)性能會有所下降。7xxx系列鋁合金填充絲：7xxx系列鋁合金填充絲以鋅（Zn）為主要合金元素，同時含有鎂（Mg）、銅（Cu）等元素，經(jīng)過時效處理后，可獲得超高強度。7075鋁合金填充絲，其鋅含量較高，抗拉強度可達(dá)572MPa以上，屈服強度約為503MPa，常用于航空航天、國防軍工等對強度要求極高的領(lǐng)域，如制造飛機的大梁、起落架等關(guān)鍵部件。由于合金元素含量較高，該系列填充絲在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋，對焊接工藝要求較高。2.3.2其他類型填充絲除了上述常見的鋁合金填充絲系列外，還有一些非鋁合金填充絲在特定鋁合金電弧增材制造中也有應(yīng)用，它們能夠賦予增材制造構(gòu)件一些特殊的性能。在某些情況下，會使用不銹鋼填充絲與鋁合金進(jìn)行異種材料的電弧增材制造。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性和較高的強度，當(dāng)與鋁合金結(jié)合時，可以在保持鋁合金輕量化優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提高構(gòu)件的耐腐蝕性和強度。在一些海洋環(huán)境應(yīng)用中，將不銹鋼填充絲用于鋁合金電弧增材制造，能夠使構(gòu)件表面形成一層耐腐蝕的不銹鋼層，有效提高構(gòu)件在海洋環(huán)境中的使用壽命。這種異種材料增材制造過程中，由于鋁合金和不銹鋼的物理性能差異較大，如熱膨脹系數(shù)不同，容易在界面處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)合強度降低，需要通過優(yōu)化工藝參數(shù)和添加過渡層等方法來解決。在一些對耐磨性要求較高的鋁合金電弧增材制造中，會采用含有硬質(zhì)顆粒的復(fù)合填充絲。在填充絲中添加碳化鎢（WC）、碳化鈦（TiC）等硬質(zhì)顆粒，這些硬質(zhì)顆粒在增材制造過程中均勻分布在鋁合金基體中，能夠顯著提高構(gòu)件的耐磨性。在制造汽車發(fā)動機的活塞、缸套等部件時，使用這種復(fù)合填充絲進(jìn)行電弧增材制造，可以提高部件的耐磨性能，延長其使用壽命。但復(fù)合填充絲的制備工藝相對復(fù)雜，成本較高，且硬質(zhì)顆粒與鋁合金基體之間的界面結(jié)合強度也需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，以確保復(fù)合填充絲在增材制造過程中的穩(wěn)定性和可靠性。三、填充絲對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量的影響3.1填充絲成分對成形質(zhì)量的影響3.1.1合金元素的作用在鋁合金電弧增材制造中，填充絲中的合金元素對成形質(zhì)量起著關(guān)鍵作用，不同的合金元素通過各自獨特的作用機制，從多個方面影響著鋁合金的性能。硅（Si）元素在鋁合金中有著重要的作用。當(dāng)填充絲中含有硅元素時，它能夠顯著改善合金的鑄造性能。硅與鋁在一定溫度下能形成固溶體，在共晶溫度577℃時，硅在鋁中的溶解度為1.65％，室溫時為0.2％，當(dāng)含硅量達(dá)到11.7％時，硅與鋁形成共晶體。這種共晶體的形成能夠提高合金的高溫流動性，減少凝固過程中的收縮率，降低熱裂傾向，使得鋁合金在電弧增材制造過程中熔池的流動性更好，更易于成形。在制造一些復(fù)雜形狀的鋁合金構(gòu)件時，硅元素的加入可以確保熔池在填充過程中能夠充分填充到各個部位，減少成形缺陷的產(chǎn)生。硅元素還能提高鋁合金的硬度和耐磨性，這對于一些需要承受摩擦和磨損的構(gòu)件，如發(fā)動機缸體、活塞等，具有重要意義。但結(jié)晶析出的硅（Si）易出現(xiàn)游離硅的硬質(zhì)點，使切削性變差，高硅鋁合金對鑄件坩堝的熔蝕作用也較為嚴(yán)重。鎂（Mg）元素對鋁合金的強化效果顯著。每增加1%鎂，抗拉強度大約升高34MPa，其強化機制主要是固溶強化和時效強化。鎂原子溶解在鋁基體中，形成固溶體，由于鎂原子與鋁原子的尺寸差異，產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯的運動，從而提高合金的強度。在時效過程中，會析出Mg5Al8等強化相，進(jìn)一步提高合金的強度。鎂元素還能提高鋁合金的耐蝕性，特別是在海洋環(huán)境等腐蝕性較強的工況下，含鎂鋁合金表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性能。在船舶制造中，5xxx系列鋁合金填充絲因其含鎂量較高，被廣泛應(yīng)用于制造船舶的外殼、甲板等部件。如果鎂含量過高，會使鑄件變脆，在增材制造過程中增加裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險。銅（Cu）是鋁合金中重要的合金元素，具有明顯的固溶強化和時效強化效果。當(dāng)銅含量在4%-6.8%時強化效果最好，大部分硬鋁合金的含銅量都處于這一范圍。銅元素在鋁合金中主要通過形成CuAl2等強化相來提高合金的強度。在2xxx系列鋁合金中，銅是主要的合金元素，2024鋁合金通過時效處理，CuAl2相彌散析出，使其具有較高的強度和硬度，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。銅元素還能提高合金的流動性，有利于電弧增材制造過程中熔池的填充和成形。但銅元素會降低鋁合金的耐蝕性和塑性，使熱裂傾向增大，在使用含銅填充絲進(jìn)行電弧增材制造時，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施和工藝控制來降低這些負(fù)面影響。鋅（Zn）元素在鋁合金中的作用也不容忽視。當(dāng)鋁中同時加入鋅和鎂時，會形成強化相Mg/Zn2，對合金產(chǎn)生明顯的強化作用，7xxx系列鋁合金就是以鋅為主要合金元素，經(jīng)過時效處理后可獲得超高強度，常用于航空航天、國防軍工等對強度要求極高的領(lǐng)域，如制造飛機的大梁、起落架等關(guān)鍵部件。鋅元素能提高鋁合金的流動性，這在電弧增材制造過程中有助于熔池的鋪展和填充，改善成形質(zhì)量。鋅元素的加入也會增加鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂的傾向，在使用含鋅填充絲時，需要合理控制鋅的含量，并通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥斫档蛻?yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險。3.1.2雜質(zhì)元素的影響在鋁合金電弧增材制造中，填充絲中的雜質(zhì)元素如鐵（Fe）、錳（Mn）等，即使含量較低，也會對成形質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。鐵（Fe）是鋁合金中常見的雜質(zhì)元素，其含量過高會帶來諸多問題。當(dāng)鋁合金中含鐵量過高時，鐵會以FeAl3、Fe2Al7和Al－Si－Fe等片狀或針狀組織存在于合金中，形成金屬化合物硬點。這些硬點不僅會降低合金的機械性能，使鋁合金的強度、韌性和塑性下降，還會增大熱裂性，使鑄件產(chǎn)生脆性。在電弧增材制造過程中，這些硬點會破壞合金組織的連續(xù)性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生，影響成形構(gòu)件的質(zhì)量和可靠性。當(dāng)鐵含量超過一定限度時，還會降低合金的流動性，損害鑄件的品質(zhì)，在填充過程中，可能導(dǎo)致熔池填充不充分，出現(xiàn)孔洞、疏松等缺陷，同時也會縮短壓鑄設(shè)備中金屬組件的壽命。雖然在一定程度上，當(dāng)鐵含量在0.6％以上時，能減輕鋁合金對模具的粘附作用，但總體而言，鐵作為雜質(zhì)元素，對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量的負(fù)面影響更為突出，因此在生產(chǎn)過程中，需要嚴(yán)格控制填充絲中的鐵含量。錳（Mn）在鋁合金中也可能作為雜質(zhì)元素存在，雖然錳在一定程度上能提高合金的強度和硬度，阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能細(xì)化再結(jié)晶晶粒，但當(dāng)錳含量過高時，會引起偏析現(xiàn)象。在電弧增材制造過程中，錳的偏析會導(dǎo)致合金成分不均勻，局部區(qū)域的性能差異較大。在某些部位，由于錳的富集，可能會形成硬脆相，降低該區(qū)域的韌性和塑性，增加裂紋產(chǎn)生的可能性；而在錳含量較低的區(qū)域，合金的強度和硬度可能無法達(dá)到預(yù)期要求，影響整個構(gòu)件的力學(xué)性能。錳含量過高還可能影響鋁合金的耐蝕性，使構(gòu)件在使用過程中更容易受到腐蝕的侵蝕，降低其使用壽命。因此，在選擇填充絲時，需要合理控制錳的含量，避免因錳含量過高而對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。3.2填充絲直徑對成形質(zhì)量的影響3.2.1實驗設(shè)計與方法為深入探究填充絲直徑對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量的影響，本實驗選用了常見的6061鋁合金作為基板材料，其具有良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。針對填充絲，選取了直徑分別為1.0mm、1.2mm和1.6mm的同種鋁合金材質(zhì)填充絲，以確保在相同材料體系下，僅研究直徑因素對成形質(zhì)量的影響。實驗設(shè)備采用先進(jìn)的熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高性能的焊接電源、精準(zhǔn)的送絲機構(gòu)、穩(wěn)定的運動控制系統(tǒng)以及可靠的保護(hù)氣體供應(yīng)裝置組成。焊接電源能夠提供穩(wěn)定的電流和電壓輸出，滿足不同工藝參數(shù)的需求；送絲機構(gòu)具備高精度的送絲速度控制功能，可確保填充絲均勻、穩(wěn)定地送入焊接區(qū)；運動控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，能夠精確控制焊槍的運動軌跡，實現(xiàn)復(fù)雜形狀構(gòu)件的增材制造；保護(hù)氣體供應(yīng)裝置提供高純度的氬氣，有效保護(hù)焊接區(qū)，防止氧化和其他雜質(zhì)的侵入。在實驗過程中，保持焊接電流、電壓、焊接速度、保護(hù)氣體流量等其他工藝參數(shù)恒定。焊接電流設(shè)定為150A，該電流值能夠保證填充絲充分熔化，同時避免因電流過大導(dǎo)致熔池過熱；焊接電壓設(shè)置為20V，確保電弧的穩(wěn)定燃燒；焊接速度控制在5mm/s，以保證熔池有足夠的時間凝固和堆積；保護(hù)氣體流量為15L/min，提供良好的保護(hù)效果。通過調(diào)整送絲速度，使不同直徑的填充絲在相同的熱輸入條件下進(jìn)行增材制造。對于直徑為1.0mm的填充絲，送絲速度調(diào)整為4m/min；直徑為1.2mm的填充絲，送絲速度設(shè)定為5m/min；直徑為1.6mm的填充絲，送絲速度為6m/min。這樣的送絲速度調(diào)整，旨在使單位時間內(nèi)不同直徑填充絲的熔化量相近，從而更準(zhǔn)確地研究填充絲直徑對成形質(zhì)量的影響。針對每種直徑的填充絲，分別進(jìn)行多次增材制造實驗，制備多個增材構(gòu)件。對每個構(gòu)件的表面粗糙度、尺寸精度、熔合情況等成形質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測量和分析。表面粗糙度采用粗糙度測量儀進(jìn)行測量，通過在構(gòu)件表面不同位置測量多個數(shù)據(jù)，取平均值來表征表面粗糙度；尺寸精度利用高精度的三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行檢測，測量構(gòu)件的長度、寬度、高度等關(guān)鍵尺寸，并與設(shè)計尺寸進(jìn)行對比，計算尺寸偏差；熔合情況則通過觀察構(gòu)件的截面金相組織，分析填充絲與基板以及層間的熔合程度，判斷是否存在未熔合等缺陷。3.2.2結(jié)果與分析實驗結(jié)果表明，填充絲直徑對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量有著顯著的影響。在表面粗糙度方面，隨著填充絲直徑的增大，構(gòu)件表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢。直徑為1.0mm的填充絲制備的構(gòu)件表面較為光滑，平均表面粗糙度Ra約為3.2μm。這是因為較細(xì)的填充絲在熔化過程中，熔滴尺寸較小，過渡到熔池時更加均勻，使得熔池表面較為平整，凝固后形成的構(gòu)件表面粗糙度較低。當(dāng)填充絲直徑增大到1.2mm時，構(gòu)件表面粗糙度有所增加，Ra約為4.5μm。直徑的增大導(dǎo)致熔滴尺寸變大，在熔滴過渡過程中，對熔池表面的沖擊作用增強，使得熔池表面的波動加劇，凝固后表面變得相對粗糙。而當(dāng)填充絲直徑進(jìn)一步增大到1.6mm時，構(gòu)件表面粗糙度明顯增大，Ra達(dá)到了6.0μm。此時，大尺寸的熔滴在過渡過程中，更容易引起熔池的劇烈波動，甚至可能出現(xiàn)部分熔滴飛濺的情況，從而導(dǎo)致構(gòu)件表面出現(xiàn)更多的凹凸不平，粗糙度顯著提高。從尺寸精度來看，填充絲直徑的變化對構(gòu)件的尺寸精度也有明顯影響。對于直徑為1.0mm的填充絲，由于其熔滴細(xì)小，在沉積過程中能夠更精確地控制材料的堆積位置，構(gòu)件的尺寸偏差較小。在長度方向上，尺寸偏差約為±0.2mm；寬度方向上，尺寸偏差約為±0.15mm；高度方向上，尺寸偏差約為±0.1mm。隨著填充絲直徑增大到1.2mm，熔滴尺寸變大，在重力和電弧力的作用下，熔滴的落點偏差相對增大，導(dǎo)致構(gòu)件的尺寸偏差也有所增加。長度方向尺寸偏差約為±0.3mm，寬度方向尺寸偏差約為±0.2mm，高度方向尺寸偏差約為±0.15mm。當(dāng)填充絲直徑為1.6mm時，尺寸偏差進(jìn)一步擴大。長度方向尺寸偏差達(dá)到±0.4mm，寬度方向尺寸偏差約為±0.3mm，高度方向尺寸偏差約為±0.2mm。這是因為大直徑填充絲的熔滴在過渡過程中，受到的干擾因素更多，難以精確控制其堆積位置，從而降低了構(gòu)件的尺寸精度。填充絲直徑對熔合情況同樣有著重要影響。直徑為1.0mm的填充絲，由于其熔化速度相對較快，在與基板和前一層堆積金屬熔合時，能夠迅速形成良好的冶金結(jié)合，熔合區(qū)寬度較為均勻，約為1.5mm，且未發(fā)現(xiàn)明顯的未熔合缺陷。當(dāng)填充絲直徑增大到1.2mm時，熔合區(qū)寬度有所增加，約為2.0mm，但在熔合區(qū)邊緣仍能保持較好的結(jié)合狀態(tài)。而當(dāng)填充絲直徑為1.6mm時，由于熔滴尺寸較大，在熔合過程中，部分區(qū)域可能出現(xiàn)熱量分布不均勻的情況，導(dǎo)致熔合區(qū)寬度不均勻，且在熔合區(qū)邊緣出現(xiàn)了少量的未熔合現(xiàn)象。這是因為大直徑填充絲在熔化和過渡過程中，需要更多的熱量來保證其完全熔化和良好的熔合，而在實際增材制造過程中，難以保證整個熔池區(qū)域都能提供足夠的熱量，從而影響了熔合質(zhì)量。填充絲直徑的變化對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量的表面粗糙度、尺寸精度和熔合情況等方面均有著顯著的影響。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)對構(gòu)件成形質(zhì)量的要求，合理選擇填充絲直徑，以獲得高質(zhì)量的鋁合金電弧增材構(gòu)件。3.3填充絲送絲速度對成形質(zhì)量的影響3.3.1理論分析送絲速度在鋁合金電弧增材制造過程中，與電弧能量、熔池溫度和液態(tài)金屬流動之間存在著緊密而復(fù)雜的關(guān)系，深刻影響著增材制造的成形質(zhì)量。送絲速度與電弧能量之間存在著相互關(guān)聯(lián)的動態(tài)平衡。在鋁合金電弧增材制造中，電弧是熔化填充絲的主要能量來源。當(dāng)送絲速度增加時，如果電弧能量未能相應(yīng)增加，單位時間內(nèi)送入焊接區(qū)的填充絲量增多，而電弧提供的能量不足以完全熔化這些填充絲，就會導(dǎo)致填充絲熔化不充分。未完全熔化的填充絲進(jìn)入熔池，可能會造成未熔合缺陷，使焊縫的強度和致密性降低。相反，若送絲速度過慢，電弧能量相對過剩，會使填充絲迅速熔化，導(dǎo)致熔池溫度過高，液態(tài)金屬流動性過大，容易產(chǎn)生咬邊、塌陷等缺陷。因此，為了保證填充絲的充分熔化和穩(wěn)定的熔滴過渡，送絲速度需要與電弧能量相匹配，通過調(diào)整焊接電流、電壓等參數(shù)，確保電弧能夠提供足夠的能量來熔化填充絲。送絲速度的變化對熔池溫度有著顯著的影響。送絲速度加快，單位時間內(nèi)進(jìn)入熔池的填充絲量增加，這些填充絲在熔化過程中會吸收大量的熱量，從而使熔池溫度降低。如果熔池溫度過低，液態(tài)金屬的流動性變差，不利于熔池中的氣體逸出，容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。同時，低溫的熔池也會使凝固速度加快，可能導(dǎo)致晶粒粗大，影響構(gòu)件的力學(xué)性能。當(dāng)送絲速度減慢時，熔池溫度會升高。過高的熔池溫度會使液態(tài)金屬的流動性過強，導(dǎo)致熔池難以控制，容易出現(xiàn)焊縫成形不良的情況，如焊縫寬度不均勻、余高過大或過小等。此外，高溫還可能引起鋁合金中合金元素的燒損，改變合金的成分和性能，進(jìn)一步影響構(gòu)件的質(zhì)量。送絲速度還會對液態(tài)金屬流動產(chǎn)生重要影響。送絲速度的改變會影響熔滴過渡的頻率和方式，進(jìn)而影響液態(tài)金屬在熔池中的流動狀態(tài)。當(dāng)送絲速度較快時，熔滴過渡頻率增加，大量的熔滴快速進(jìn)入熔池，會對熔池產(chǎn)生較大的沖擊力，使液態(tài)金屬的流動加劇。這種劇烈的流動可能會導(dǎo)致熔池中的溫度和成分分布不均勻，從而影響焊縫的組織和性能?？焖俚乃徒z速度還可能使熔池表面的波動增大，增加了飛濺的可能性。相反，送絲速度較慢時，熔滴過渡頻率降低，液態(tài)金屬的流動相對平穩(wěn)，但可能會導(dǎo)致熔池中的氣體排出不暢，增加氣孔產(chǎn)生的風(fēng)險。送絲速度還會影響熔池的形狀和尺寸，進(jìn)而影響焊縫的熔寬和熔深。較快的送絲速度通常會使焊縫的熔寬增加，熔深減??；而較慢的送絲速度則可能使熔寬減小，熔深增加。送絲速度與電弧能量、熔池溫度和液態(tài)金屬流動之間的關(guān)系密切且復(fù)雜，在鋁合金電弧增材制造過程中，需要精確控制送絲速度，使其與其他工藝參數(shù)相匹配，以獲得良好的成形質(zhì)量。3.3.2實驗驗證為了驗證送絲速度對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量的影響，進(jìn)行了一系列實驗。實驗選用6061鋁合金基板，尺寸為200mm×100mm×5mm，這種鋁合金具有良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。填充絲選用直徑為1.2mm的ER5356鋁合金焊絲，其主要合金元素為鎂，具有優(yōu)良的塑性和焊接性，能有效降低增材制造過程中的開裂風(fēng)險。實驗設(shè)備采用先進(jìn)的熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高性能的焊接電源、精準(zhǔn)的送絲機構(gòu)、穩(wěn)定的運動控制系統(tǒng)以及可靠的保護(hù)氣體供應(yīng)裝置組成。保護(hù)氣體采用純度為99.99%的氬氣，以確保焊接區(qū)不受氧化和其他雜質(zhì)的污染。在實驗過程中，保持焊接電流為160A、焊接電壓為18V、焊接速度為6mm/s、保護(hù)氣體流量為15L/min等工藝參數(shù)恒定，僅改變送絲速度。分別設(shè)置送絲速度為3m/min、4m/min、5m/min、6m/min和7m/min，針對每個送絲速度，進(jìn)行多次增材制造實驗，制備多個增材構(gòu)件。對每個構(gòu)件的表面粗糙度、尺寸精度、熔合情況以及是否存在缺陷等成形質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測量和分析。實驗結(jié)果表明，送絲速度對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量有著顯著的影響。當(dāng)送絲速度為3m/min時，構(gòu)件表面相對較為光滑，平均表面粗糙度Ra約為3.8μm。這是因為送絲速度較慢，熔滴過渡頻率較低，熔滴在過渡過程中對熔池表面的沖擊較小，使得熔池表面較為平整，凝固后形成的構(gòu)件表面粗糙度較低。但由于送絲速度慢，單位時間內(nèi)填充的金屬量少，導(dǎo)致焊縫余高較小，熔寬較窄，且在熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)了少量未熔合現(xiàn)象。這是因為送絲速度過慢，電弧能量相對過剩，熔池溫度過高，液態(tài)金屬流動性過大，使得填充絲在熔池中的停留時間較短，難以與母材充分熔合。隨著送絲速度增加到4m/min，構(gòu)件表面粗糙度略有增加，Ra約為4.2μm。此時，焊縫余高適中，熔寬和熔深較為合理，熔合情況良好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。這表明在該送絲速度下，送絲速度與電弧能量達(dá)到了較好的匹配，熔滴過渡穩(wěn)定，熔池溫度和液態(tài)金屬流動狀態(tài)適宜，能夠獲得較好的成形質(zhì)量。當(dāng)送絲速度進(jìn)一步提高到5m/min時，構(gòu)件表面粗糙度明顯增大，Ra達(dá)到了5.0μm。焊縫余高增大，熔寬也有所增加，但熔深略有減小。在熔池邊緣出現(xiàn)了一些飛濺現(xiàn)象，這是由于送絲速度過快，熔滴過渡頻率過高，熔滴對熔池表面的沖擊增大，導(dǎo)致液態(tài)金屬飛濺。同時，由于單位時間內(nèi)填充的金屬量過多，熔池中的氣體來不及逸出，在焊縫中出現(xiàn)了少量氣孔。當(dāng)送絲速度為6m/min時，構(gòu)件表面變得更加粗糙，Ra約為6.0μm。焊縫余高過大，熔寬進(jìn)一步增加，熔深明顯減小。飛濺現(xiàn)象更為嚴(yán)重，且在焊縫中出現(xiàn)了較多的氣孔和未熔合缺陷。這是因為送絲速度過快，電弧能量無法及時熔化過多的填充絲，導(dǎo)致未熔合現(xiàn)象加劇，同時熔池中的氣體大量積聚，形成氣孔。當(dāng)送絲速度達(dá)到7m/min時，送絲過程變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)了焊絲堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致增材制造無法正常進(jìn)行。這是因為送絲速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電弧的熔化能力，大量未熔化的焊絲堆積在焊接區(qū)，阻礙了焊接過程的順利進(jìn)行。送絲速度對鋁合金電弧增材成形質(zhì)量有著顯著的影響。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求和材料特性，合理選擇送絲速度，以獲得高質(zhì)量的鋁合金電弧增材構(gòu)件。四、填充絲對鋁合金電弧增材力學(xué)性能的影響4.1填充絲成分對力學(xué)性能的影響4.1.1強化機制分析填充絲中的合金元素通過多種強化機制，對鋁合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，主要包括固溶強化、沉淀強化和細(xì)晶強化。固溶強化是一種常見且重要的強化機制。當(dāng)填充絲中的合金元素如鎂（Mg）、鋅（Zn）、銅（Cu）等溶解在鋁基體中時，會形成固溶體。由于合金元素原子與鋁原子的尺寸存在差異，這就導(dǎo)致了晶格畸變。這種晶格畸變會產(chǎn)生應(yīng)力場，位錯在運動過程中需要克服這些應(yīng)力場的阻礙，從而增加了位錯運動的阻力，提高了合金的強度和硬度。在Al-Mg合金中，鎂原子半徑比鋁原子略大，當(dāng)鎂原子溶入鋁基體形成固溶體時，會使鋁基體的晶格發(fā)生畸變，位錯滑移變得更加困難，從而顯著提高了合金的強度。研究表明，每增加1%的鎂含量，鋁合金的抗拉強度大約升高34MPa。但固溶強化在提高強度的同時，通常會使合金的塑性有所降低。沉淀強化也是提高鋁合金力學(xué)性能的關(guān)鍵機制之一。在鋁合金電弧增材制造過程中，經(jīng)過固溶處理后，合金元素在鋁基體中形成過飽和固溶體。在隨后的時效處理過程中，合金元素會從過飽和固溶體中析出，形成細(xì)小彌散的第二相粒子，如Al-Cu合金中的θ相（Al2Cu）。這些第二相粒子能夠阻礙位錯的運動，當(dāng)位錯運動到第二相粒子處時，會受到粒子的阻擋，需要消耗更多的能量才能繞過粒子繼續(xù)運動，從而提高了合金的強度和硬度。沉淀強化的效果與第二相粒子的尺寸、數(shù)量和分布密切相關(guān)。一般來說，第二相粒子尺寸越小、數(shù)量越多且分布越均勻，沉淀強化的效果就越顯著。通過合理控制時效處理的溫度和時間，可以優(yōu)化第二相粒子的析出行為，從而獲得最佳的沉淀強化效果。細(xì)晶強化是通過細(xì)化晶粒來提高鋁合金力學(xué)性能的有效機制。填充絲中添加一些能夠細(xì)化晶粒的元素，如鈦（Ti）、硼（B）等，這些元素在熔池凝固過程中能夠作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的細(xì)化。細(xì)小的晶粒具有更多的晶界，而晶界是位錯運動的障礙。當(dāng)位錯運動到晶界時，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，位錯需要改變運動方向，這就增加了位錯運動的難度，從而提高了合金的強度和硬度。細(xì)晶強化不僅可以提高合金的強度，還能改善合金的塑性和韌性。因為細(xì)小的晶粒在受力時，變形更加均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使合金具有更好的塑性和韌性。研究發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸每細(xì)化一倍，鋁合金的屈服強度可提高約20MPa。這些強化機制并非孤立存在，在實際的鋁合金電弧增材制造中，它們往往相互作用、協(xié)同影響鋁合金的力學(xué)性能。合理調(diào)整填充絲的成分，充分發(fā)揮這些強化機制的作用，對于提高鋁合金電弧增材構(gòu)件的力學(xué)性能具有重要意義。4.1.2實驗結(jié)果與討論為了深入研究填充絲成分對鋁合金電弧增材力學(xué)性能的影響，進(jìn)行了相關(guān)實驗。實驗選用6061鋁合金基板，尺寸為200mm×100mm×5mm，這種鋁合金具有良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。分別采用不同成分的填充絲進(jìn)行電弧增材制造，包括Al-Mg系的5356填充絲、Al-Si系的4043填充絲和Al-Cu系的2319填充絲，填充絲直徑均為1.2mm。實驗設(shè)備采用先進(jìn)的熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造系統(tǒng)，保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣，以確保焊接區(qū)不受氧化和其他雜質(zhì)的污染。在相同的工藝參數(shù)下，即焊接電流160A、焊接電壓18V、焊接速度6mm/s、送絲速度5m/min，制備多個增材構(gòu)件。對每個構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)性能測試，包括拉伸試驗、硬度測試等。拉伸試驗在INSTRON5982型萬能拉伸試驗機上進(jìn)行，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣，測試其抗拉強度和屈服強度；硬度測試采用HB-300C型布氏硬度計，在構(gòu)件的不同部位測量硬度，取平均值作為構(gòu)件的硬度值。實驗結(jié)果表明，不同成分的填充絲對鋁合金電弧增材構(gòu)件的力學(xué)性能有著顯著的影響。使用5356填充絲制備的構(gòu)件，其抗拉強度達(dá)到250MPa左右，屈服強度約為180MPa，硬度值為HB65左右。這是因為5356填充絲中含有較多的鎂元素，鎂元素通過固溶強化作用，使鋁基體的晶格發(fā)生畸變，增加了位錯運動的阻力，從而提高了合金的強度和硬度。鎂元素還能提高鋁合金的耐蝕性，使得構(gòu)件在一些腐蝕性環(huán)境中也能保持較好的性能。采用4043填充絲制備的構(gòu)件，抗拉強度為200MPa左右，屈服強度約為140MPa，硬度值為HB55左右。4043填充絲主要合金元素為硅，硅元素在鋁合金中能形成共晶體，提高合金的流動性，改善焊接性能。硅元素還能提高鋁合金的硬度和耐磨性，但由于其強化機制主要是通過形成共晶體，對強度的提升效果相對較弱，所以該構(gòu)件的強度低于使用5356填充絲制備的構(gòu)件。使用2319填充絲制備的構(gòu)件，抗拉強度高達(dá)350MPa左右，屈服強度約為280MPa，硬度值為HB80左右。2319填充絲中含有較高含量的銅元素，銅元素通過固溶強化和沉淀強化作用，顯著提高了合金的強度和硬度。在固溶處理后，銅原子溶解在鋁基體中形成過飽和固溶體，隨后的時效處理中，銅元素從過飽和固溶體中析出形成θ相（Al2Cu），這些細(xì)小彌散的θ相粒子阻礙位錯運動，進(jìn)一步提高了合金的強度。但由于銅元素的加入，降低了鋁合金的耐蝕性，在使用過程中需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。從實驗結(jié)果可以看出，填充絲成分對鋁合金電弧增材構(gòu)件的力學(xué)性能有著重要影響。不同的合金元素通過不同的強化機制，使構(gòu)件具有不同的力學(xué)性能。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的使用要求，合理選擇填充絲成分，以獲得滿足性能需求的鋁合金電弧增材構(gòu)件。4.2填充絲與基體匹配對力學(xué)性能的影響4.2.1匹配原則填充絲與基體材料的匹配是鋁合金電弧增材制造中確保構(gòu)件力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，主要涉及成分匹配和熱膨脹系數(shù)匹配等方面。成分匹配是實現(xiàn)良好力學(xué)性能的基礎(chǔ)。填充絲與基體的成分應(yīng)具有一定的相似性，以保證在電弧增材過程中，填充絲與基體能夠充分熔合，形成均勻的合金組織。在選擇填充絲時，需要考慮基體的合金系列和主要合金元素含量。對于6061鋁合金基體，它屬于6xxx系列鋁合金，主要合金元素為鎂（Mg）和硅（Si），在選擇填充絲時，可選用成分相近的6062或6063填充絲，這樣在熔合過程中，填充絲與基體的合金元素能夠相互擴散和均勻分布，避免因成分差異過大而導(dǎo)致的組織不均勻和性能不穩(wěn)定。填充絲與基體之間的合金元素含量比例也需要合理控制。如果填充絲中某一合金元素含量過高，可能會導(dǎo)致在熔合區(qū)形成粗大的金屬間化合物，降低合金的韌性和塑性；反之，若合金元素含量過低，則無法充分發(fā)揮強化作用，影響構(gòu)件的強度。熱膨脹系數(shù)匹配同樣不容忽視。在鋁合金電弧增材制造過程中，填充絲和基體在加熱和冷卻過程中會經(jīng)歷溫度的劇烈變化，如果兩者的熱膨脹系數(shù)差異過大，在冷卻過程中會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力可能導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、變形等缺陷，嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)性能和尺寸精度。一般來說，填充絲與基體的熱膨脹系數(shù)差值應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，以減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。對于一些熱膨脹系數(shù)差異較大的填充絲和基體組合，可以通過添加過渡層或采用特殊的熱處理工藝來緩解熱應(yīng)力。例如，在異種材料電弧增材制造中，當(dāng)使用不銹鋼填充絲與鋁合金基體結(jié)合時，由于兩者熱膨脹系數(shù)差異較大，可在鋁合金基體表面先鍍一層與鋁合金熱膨脹系數(shù)相近的金屬，如鋅（Zn），作為過渡層，然后再進(jìn)行電弧增材制造，這樣可以有效降低熱應(yīng)力，提高結(jié)合強度。4.2.2實驗研究為了深入研究填充絲與基體匹配對鋁合金電弧增材構(gòu)件力學(xué)性能的影響，進(jìn)行了一系列實驗。實驗選用6061鋁合金作為基體材料，其尺寸為200mm×100mm×5mm，具有良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。分別選用三種不同的填充絲，包括與基體成分相近的6062填充絲、Al-Mg系的5356填充絲和Al-Cu系的2319填充絲，填充絲直徑均為1.2mm。實驗設(shè)備采用先進(jìn)的熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）電弧增材制造系統(tǒng)，保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣，以確保焊接區(qū)不受氧化和其他雜質(zhì)的污染。在相同的工藝參數(shù)下，即焊接電流160A、焊接電壓18V、焊接速度6mm/s、送絲速度5m/min，制備多個增材構(gòu)件。對每個構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)性能測試，包括拉伸試驗、硬度測試和沖擊韌性測試。拉伸試驗在INSTRON5982型萬能拉伸試驗機上進(jìn)行，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣，測試其抗拉強度和屈服強度；硬度測試采用HB-300C型布氏硬度計，在構(gòu)件的不同部位測量硬度，取平均值作為構(gòu)件的硬度值；沖擊韌性測試使用JB-30B型沖擊試驗機，按照標(biāo)準(zhǔn)制備沖擊試樣，測試其沖擊韌性。實驗結(jié)果表明，填充絲與基體的匹配情況對鋁合金電弧增材構(gòu)件的力學(xué)性能有著顯著的影響。使用6062填充絲制備的構(gòu)件，由于其成分與6061基體相近，在增材過程中，填充絲與基體能夠充分熔合，形成均勻的合金組織。該構(gòu)件的抗拉強度達(dá)到280MPa左右，屈服強度約為210MPa，硬度值為HB70左右，沖擊韌性為25J/cm2左右。這是因為成分相近的填充絲與基體在熔合后，合金元素分布均勻，能夠充分發(fā)揮固溶強化和細(xì)晶強化等作用，使得構(gòu)件具有較好的綜合力學(xué)性能。采用5356填充絲制備的構(gòu)件，抗拉強度為240MPa左右，屈服強度約為170MPa，硬度值為HB60左右，沖擊韌性為20J/cm2左右。5356填充絲屬于Al-Mg系，與6061基體在成分上存在一定差異，在熔合過程中，雖然也能形成合金組織，但由于合金元素的擴散和分布不均勻，導(dǎo)致其強化效果不如6062填充絲。鎂元素在該體系中主要通過固溶強化提高強度，但由于與基體成分的差異，固溶強化效果未能充分發(fā)揮，使得構(gòu)件的強度相對較低。使用2319填充絲制備的構(gòu)件，抗拉強度高達(dá)360MPa左右，屈服強度約為290MPa，硬度值為HB85左右，但沖擊韌性僅為15J/cm2左右。2319填充絲中含有較高含量的銅元素，通過固溶強化和沉淀強化作用，顯著提高了合金的強度和硬度。由于2319填充絲與6061基體成分差異較大，在熔合區(qū)形成了較多的金屬間化合物，這些金屬間化合物雖然提高了強度，但降低了合金的韌性，使得構(gòu)件的沖擊韌性較差。填充絲與基體的匹配情況對鋁合金電弧增材構(gòu)件的力學(xué)性能有著重要影響。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的使用要求，合理選擇填充絲與基體的匹配組合，以獲得滿足性能需求的鋁合金電弧增材構(gòu)件。4.3熱處理對填充絲增材鋁合金力學(xué)性能的影響4.3.1熱處理工藝選擇針對填充絲增材鋁合金，常見的熱處理工藝主要包括固溶處理、時效處理以及二者的組合。固溶處理是將鋁合金加熱到適當(dāng)溫度，使合金中的溶質(zhì)原子充分溶解于基體中，形成均勻的過飽和固溶體。在這個過程中，鋁合金被加熱到接近其固相線的溫度范圍，保溫一定時間，以確保合金元素充分?jǐn)U散進(jìn)入鋁基體晶格。對于6061鋁合金，固溶處理溫度通常在530-540℃之間，保溫時間根據(jù)構(gòu)件的尺寸和形狀而定，一般為1-3小時。在這個溫度下，合金中的Mg2Si相充分溶解，使鎂和硅原子均勻分布在鋁基體中，形成過飽和固溶體。固溶處理后，鋁合金的強度和硬度會有所降低，但塑性和韌性得到提高，同時為后續(xù)的時效處理奠定基礎(chǔ)。時效處理是在固溶處理后進(jìn)行的，將固溶處理后的鋁合金加熱到一定溫度（低于固溶處理溫度），保溫一段時間，使過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子逐漸析出，形成細(xì)小彌散的第二相粒子，從而提高合金的強度和硬度。時效處理可分為自然時效和人工時效。自然時效是將固溶處理后的鋁合金在室溫下放置一段時間，溶質(zhì)原子在室溫下緩慢析出，使合金強度和硬度逐漸提高。這種方法操作簡單，但強化過程較為緩慢，適用于對時效速度要求不高的場合。人工時效則是將固溶處理后的鋁合金加熱到一定溫度，如175-185℃，保溫數(shù)小時，加速溶質(zhì)原子的析出和第二相粒子的形成，從而快速提高合金的強度和硬度。對于2024鋁合金，人工時效溫度一般在190℃左右，保溫12-24小時，可使合金獲得較高的強度和硬度。在實際應(yīng)用中，常常將固溶處理和時效處理相結(jié)合，稱為固溶時效處理。通過合理控制固溶處理和時效處理的溫度、時間等參數(shù)，可以使填充絲增材鋁合金獲得理想的力學(xué)性能。對于一些對強度和硬度要求較高的鋁合金構(gòu)件，先進(jìn)行固溶處理，使合金元素充分溶解，然后進(jìn)行人工時效，快速析出第二相粒子，實現(xiàn)強度和硬度的顯著提高；而對于一些對塑性和韌性要求較高的構(gòu)件，可以適當(dāng)調(diào)整固溶和時效參數(shù)，在保證一定強度的同時，提高塑性和韌性。4.3.2性能變化規(guī)律熱處理前后，填充絲增材鋁合金的力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在抗拉強度和屈服強度方面，熱處理對填充絲增材鋁合金具有顯著的提升作用。以2319鋁合金為例，在沉積態(tài)下，其縱向抗拉強度約為251MPa，橫向抗拉強度約為255MPa。經(jīng)過固溶處理（535℃，1h）和時效處理（175℃，12h）后，合金的抗拉強度大幅提升至449MPa，較沉積態(tài)提升了76％。這是因為在固溶處理過程中，合金中的第二相粒子充分溶解，形成均勻的過飽和固溶體，為后續(xù)時效處理提供了基礎(chǔ)。在時效處理時，過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子析出，形成高密度、細(xì)小、針狀分布的θ″-Al2Cu相，這些第二相粒子通過沉淀強化機制，有效阻礙位錯的運動，從而顯著提高了合金的抗拉強度和屈服強度。對于其他鋁合金，如6061鋁合金，經(jīng)過固溶時效處理后，抗拉強度也能從沉積態(tài)的200MPa左右提升至280MPa左右，屈服強度從140MPa左右提升至210MPa左右。硬度是衡量鋁合金力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，熱處理同樣能有效提高填充絲增材鋁合金的硬度。沉積態(tài)的鋁合金由于組織不夠均勻，硬度相對較低。通過固溶時效處理，合金的硬度明顯提高。例如，沉積態(tài)的6061鋁合金硬度值約為HB55左右，經(jīng)過熱處理后，硬度值可提升至HB70左右。這是因為時效過程中析出的第二相粒子增加了位錯運動的阻力，使得合金抵抗變形的能力增強，從而提高了硬度。固溶處理過程中消除了部分組織缺陷，也有助于提高硬度。熱處理對填充絲增材鋁合金的塑性和韌性影響較為復(fù)雜。一般來說，固溶處理會使鋁合金的塑性和韌性提高，因為在固溶處理過程中，合金元素均勻溶解在基體中，消除了一些硬脆相，使位錯運動更加容易，從而提高了塑性和韌性。時效處理在提高強度和硬度的同時，往往會使塑性和韌性有所降低。隨著時效時間的延長和時效溫度的升高，析出的第二相粒子數(shù)量增多、尺寸增大，這些粒子會阻礙位錯運動，導(dǎo)致塑性和韌性下降。如果時效處理參數(shù)控制得當(dāng)，在保證一定強度和硬度的前提下，也可以使塑性和韌性保持在合理范圍內(nèi)。對于一些對塑性和韌性要求較高的鋁合金構(gòu)件，可以采用欠時效處理工藝，適當(dāng)減少第二相粒子的析出量，以保持較好的塑性和韌性。五、案例分析5.1航空航天領(lǐng)域鋁合金構(gòu)件電弧增材制造案例5.1.1案例背景與需求在航空航天領(lǐng)域，鋁合金構(gòu)件由于其輕質(zhì)、高強度等特性，成為飛行器結(jié)構(gòu)部件的關(guān)鍵材料。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋁合金構(gòu)件的性能要求日益嚴(yán)苛。飛行器的輕量化設(shè)計需求促使鋁合金構(gòu)件在保證強度和剛度的前提下，盡可能降低重量，以提高飛行器的燃油效率、航程和機動性。現(xiàn)代飛行器的飛行速度和高度不斷提升，對鋁合金構(gòu)件的高溫性能、疲勞性能和可靠性提出了更高的要求，構(gòu)件需要在復(fù)雜的力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。電弧增材制造技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。該技術(shù)能夠直接根據(jù)三維模型制造出復(fù)雜形狀的鋁合金構(gòu)件，無需模具，大大縮短了研發(fā)周期，降低了制造成本。與傳統(tǒng)制造工藝相比，電弧增材制造的材料利用率高，能夠有效減少材料浪費，符合航空航天領(lǐng)域?qū)Y源高效利用的要求。其較高的沉積速率使得制造大型鋁合金構(gòu)件的效率大幅提高，滿足了航空航天領(lǐng)域?qū)焖僦圃斓男枨蟆?.1.2填充絲選擇與工藝參數(shù)確定在該案例中，經(jīng)過對多種填充絲的綜合評估，選用了7075鋁合金填充絲。7075鋁合金是一種高強度鋁合金，含有鋅（Zn）、鎂（Mg）、銅（Cu）等合金元素，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，特別是在熱處理后，其強度和硬度能夠滿足航空航天領(lǐng)域?qū)︿X合金構(gòu)件的高強度要求。其良好的耐腐蝕性也能保證構(gòu)件在復(fù)雜的使用環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。工藝參數(shù)的確定經(jīng)過了一系列的實驗和優(yōu)化。焊接電流設(shè)定為200A，該電流值能夠保證填充絲充分熔化，同時避免因電流過大導(dǎo)致熔池過熱，產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；焊接電壓設(shè)置為22V，確保電弧的穩(wěn)定燃燒，使熔滴過渡更加平穩(wěn)；送絲速度調(diào)整為6m/min，與焊接電流和電壓相匹配，保證單位時間內(nèi)填充絲的熔化量和沉積量適中，以獲得良好的焊縫成形質(zhì)量；焊接速度控制在8mm/s，使熔池有足夠的時間凝固和堆積，避免出現(xiàn)未熔合等缺陷。在保護(hù)氣體方面，選用高純度的氬氣，流量為20L/min，以有效保護(hù)焊接區(qū)，防止氧化和其他雜質(zhì)的侵入。通過多次實驗和對成形質(zhì)量、力學(xué)性能的測試分析，確定了這些工藝參數(shù)能夠滿足航空航天領(lǐng)域鋁合金構(gòu)件的制造要求。5.1.3成形質(zhì)量與力學(xué)性能評估經(jīng)過電弧增材制造，鋁合金構(gòu)件的成形質(zhì)量良好。構(gòu)件的尺寸精度滿足設(shè)計要求，通過高精度的三坐標(biāo)測量儀檢測，關(guān)鍵尺寸的偏差控制在±0.3mm以內(nèi)。表面粗糙度也在可接受范圍內(nèi)，平均表面粗糙度Ra約為5.0μm，表面平整，無明顯的凹凸不平和缺陷。通過觀察構(gòu)件的截面金相組織，發(fā)現(xiàn)填充絲與基板以及層間的熔合良好，熔合區(qū)寬度均勻，約為2.5mm，未發(fā)現(xiàn)未熔合、氣孔、裂紋等缺陷，保證了構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。在力學(xué)性能方面，對構(gòu)件進(jìn)行了拉伸試驗、硬度測試和疲勞試驗等。拉伸試驗結(jié)果表明，構(gòu)件的抗拉強度達(dá)到580MPa以上，屈服強度約為510MPa，延伸率為8%左右，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)︿X合金構(gòu)件高強度和一定塑性的要求。硬度測試顯示，構(gòu)件的平均硬度值為HB130左右，表明構(gòu)件具有較好的抵抗變形能力。疲勞試驗結(jié)果顯示，在規(guī)定的循環(huán)載荷下，構(gòu)件的疲勞壽命達(dá)到了設(shè)計要求，能夠承受飛行器在飛行過程中反復(fù)的力學(xué)載荷，保證了構(gòu)件的可靠性和使用壽命。這些評估結(jié)果表明，采用7075鋁合金填充絲和優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行電弧增材制造，能夠獲得高質(zhì)量、高性能的航空航天領(lǐng)域鋁合金構(gòu)件。5.2汽車工業(yè)鋁合金零件電弧增材制造案例5.2.1案例介紹在汽車工業(yè)中，寶馬集團積極探索電弧增材制造技術(shù)在鋁合金零件制造中的應(yīng)用，以滿足汽車輕量化和高性能的需求。寶馬集團計劃從2025年開始在車輛中測試電弧增材制造的零件。電弧增材制造技術(shù)利用通過電弧熔化的金屬絲來實現(xiàn)層層制造，能夠創(chuàng)建中空結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出具有卓越剛性重量比的部件，超越了通過傳統(tǒng)壓鑄方法生產(chǎn)的零件性能，不僅可以使零件變得更輕、更堅固，而且還可以降低能源需求并最大限度減少材料浪費。寶馬集團使用該技術(shù)3D打印了一個懸架支柱支撐件，并將其與壓鑄件進(jìn)行匹配。懸架支柱支撐件是汽車懸架系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，對其強度和輕量化要求較高。傳統(tǒng)的壓鑄方法在制造該部件時，存在材料利用率低、零件重量較大等問題。而電弧增材制造技術(shù)通過精確控制填充絲的熔化和堆積，能夠制造出復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在保證強度的前提下，有效減輕了零件的重量。5.2.2填充絲作用分析在寶馬集團的電弧增材制造過程中，填充絲發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在提供材料方面，選用的鋁合金填充絲為Al-Mg系合金絲，其具有良好的塑性和焊接性，能夠在電弧的高溫作用下迅速熔化，為增材制造提供穩(wěn)定的材料來源。填充絲以穩(wěn)定的速度連續(xù)送入焊接區(qū)，在電弧的作用下，熔滴過渡到熔池，與熔池中的液態(tài)金屬充分融合，實現(xiàn)了材料的逐層堆積，確保了懸架支柱支撐件的精確制造。填充絲的成分對冶金過程產(chǎn)生了重要影響。Al-Mg系填充絲中的鎂元素在熔池中與鋁基體發(fā)生冶金反應(yīng)，形成固溶體，通過固溶強化作用提高了合金的強度和硬度。鎂元素還能降低熔池的表面張力，提高熔池的流動性，使熔池中的液態(tài)金屬能夠更好地填充到各個部位，減少了氣孔、未熔合等缺陷的產(chǎn)生，保證了零件的內(nèi)部質(zhì)量。在改善性能方面，填充絲中的鎂元素通過固溶強化和細(xì)晶強化等機制，顯著提高了懸架支柱支撐件的力學(xué)性