高强铝合金复合电弧增材制造熔滴过渡行为研究

|3DScienceValley· 2023/11/06

谷专栏以下文章来源于航空学报CJA ，作者航空学报CJA

高强铝合金具有比强度高、损伤容限大等优点，因此被广泛用于制造机身和机翼蒙皮、发动机风扇叶片、机匣等航空结构件。随着国产大飞机C919和ARJ21大量服役，未来二十年我国铝合金结构件制造与修复需求必将大幅上涨。

电弧增材制造技术在航空部件数字化制造和深度维修领域中具有广阔的发展前景和应用价值。其中，冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）和脉冲（Pulse，P）复合电弧技术将低热输入的CMT与高能量脉冲相结合，拓宽了热输入的可控调节范围，实现了对熔滴过渡过程的精确控制，为获得高质量电弧增材成形件提供了可靠保证。CMT+P熔滴过渡行为对增材过程稳定性、成形质量有重要影响。但目前的研究主要集中于冷金属过渡或者金属惰性气体（Metal-Inert Gas，MIG）电弧成形过程中的熔滴过渡行为，而针对冷金属过渡与脉冲（CMT+P）复合电弧作用下高强铝合金的熔滴过渡行为尚不清晰。

论文链接：
https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2022.27881

研究亮点

在《航空学报》期刊发表的《高强铝合金CMT+P电弧增材制造熔滴过渡行为》一文中，研究团队以高强铝合金为研究对象，运用数值模拟和原位观测试验手段，研究了高强铝合金CMT+P电弧增材过程中的熔滴过渡行为。首先运用流体力学和电磁学理论，建立了CMT+P电弧增材熔滴过渡数值仿真模型，结合熔滴过渡过程中的电信号和图像特征，分析了CMT阶段和脉冲阶段的熔滴过渡模式以及熔滴内部的温度场和速度场，阐明CMT+P电弧增材熔滴过渡行为的演变规律，进而为准确控制高强铝合金电弧增材成形质量提供科学支持。

为分析连续时间熔滴过渡的行为规律，研究团队选取CMT+P电弧增材成形过程中一个时间周期的电信号数据作为计算基础，如图1所示。在此基础上，运用流体力学和电磁动力学的相关控制方程对熔滴过渡过程的物理场进行数值求解。主要包括由电弧热传导带入熔滴的热量、焦耳热、熔滴吸收电子产生的热以及熔滴所受的重力、表面张力、电磁力、等离子流力以及Marangoni力。

图1 CMT+P电弧增材的电压和电流波形图

结合图1的电信号数据以及图2高速摄像采集的熔滴过渡图像，对熔滴过渡行为进行分析讨论。图3和图4分别为15 ms和21 ms的仿真与高速摄像的对比结果。在21 ms时刻，熔滴被拉长至2 mm，高速摄像观测到的此刻熔滴长度为1.98 mm，仿真和试验结果误差仅为1%。虽然在数值模拟中表面张力系数的变化、复杂热环境等对熔滴过渡行为皆有影响，但模拟与试验的熔滴过渡形貌、尺度基本一致。

图2 一个完整CMT+P周期内熔滴过渡过程

图3 15 ms时刻熔滴缩颈模拟与试验结果

图4 21 ms时刻熔滴模拟与试验结果

图5是CMT阶段熔滴过渡过程的温度场。在一个周期内，熔滴先是以平均送丝速度稳定长大，然后随熔丝机械送进接触基板而形成短路过渡。熔滴接触基板后热量迅速传导，造成局部温度梯度较大，与基板接触的液滴表面张力大于丝端熔滴表面张力，产生明显Marangoni力作用，丝端熔滴在表面张力和Marangoni力牵引下向熔池四周铺展。以熔滴为中心，热量以椭圆形向四周传导，在基板上形成椭圆形熔池。当熔丝向上回抽时，基板上铺展开的液滴被熔丝端部残留熔滴牵引重新聚拢，金属液桥被不断拉长直至断裂。

图5 CMT阶段熔滴过渡过程

图6是脉冲阶段熔滴过渡过程的温度场。熔滴在19~20 ms之间，电流呈近似线性增加，电磁力随之增大，熔滴在电磁力作用下初步缩颈。20~21 ms之间，电流呈近似线性逐渐减小，但电磁力在脉冲电弧下持续作用于熔滴，熔滴缩颈处电磁力迅速增大，熔滴被拉长。在22 ms时刻，由于熔滴表面张力的不同，颈部液滴与上下两部分熔滴分开形成自由液滴。在22.5~23 ms之间，自由液滴以一定速度冲击回到下部脱落的熔滴中，熔滴在表面张力作用下逐渐汇聚成球状以降低表面能，进而实现一脉一滴射滴过渡。

图6 脉冲阶段熔滴过渡过程

最后对两个阶段熔滴内部速度场进行了分析，如图7和图8所示。在CMT短路阶段由熔丝机械拉力形成的金属液桥可有效避免熔滴飞溅，使熔滴过渡更稳定，进而提高成形质量。在脉冲大电流下的电磁收缩力持续作用于熔滴，并且熔滴端部温度高于靠近丝端的熔滴温度，熔滴表面张力上部大于下部，表面张力梯度引起Marangoni力，使熔滴端部自由表面向轴线压缩，并在熔滴内部形成两个静止区。熔滴在轴向电磁力和重力作用下逐渐缩颈，在缩颈处会产生第三个静止区。熔滴内部速度在静止区收敛或者发散，呈现流速上下反向的特点，进而影响熔滴过渡的稳定性。

图7 CMT阶段熔滴内部速度场