Ti-6Al-4V熔丝等离子弧与激光复合增材制造中的焊道形状控制（2）

江苏激光联盟导读：

本文探讨了Ti-6Al-4V熔丝等离子弧与激光复合增材制造工艺。本文为第二部分。

3.结果和讨论

3.1.不同工艺参数对胎圈形状的影响

3.1.1.激光功率效应

图4显示了使用不同激光功率获得的微珠的沉积过程和产生的横截面。图5中绘制了相应的胎圈尺寸（宽度和高度）和接触角。可以看出，最初，只有PTA（即激光功率为0 kW）时，珠子又窄又高。使用额外的1 kW激光功率时，熔珠形状没有显著变化（熔珠宽度仅从7.23增加到7.45 mm），这表明该激光功率不足以使熔池横向膨胀。值得一提的是，由于该WFS相对较高，接近该电流的极限，前两个宏图形在基板中的重熔程度较低，因为几乎整个电弧功率用于熔化导线。当激光功率从1千瓦增加到3千瓦时，熔池变得更宽更浅，导致珠宽突然增加，珠高降低（图5a）。随着激光功率进一步增加到7 kW，熔池变得明显平坦。至于接触角，由于珠子的宽度高度纵横比增加，接触角不断减小（图5b），表明材料在工件上的润湿性更好。

图4 在4.8 kW恒弧功率下，激光功率对(a)沉积过程和(b)珠形的影响。

图5 激光功率对（a）胎圈尺寸和（b）接触角的影响。表1的案例（1-5）中显示了使用的所有参数。

从图4b还可以看出，随着激光功率的增加，基板的重熔增加。特别是，在5和7千瓦的激光功率下，穿透深度非常高，热影响区表明了这一点。这导致沉积过程中沉积层下方的几层重新熔化。这种工艺将导致低沉积工艺效率和高失真。因此，在这种情况下，3–5 kW的激光功率是最佳的，然后进一步增加将导致过多的重熔。

3.1.2. 电弧功率与激光功率比的影响

图6显示了具有不同电弧功率与激光功率比率的沉积过程。众所周知，在基于电弧的工艺中，由于电磁力的增加，电弧压力随着电弧电流的增加而增加。当电弧功率（主要由电流控制）设置为8 kW时，高电弧压力会导致熔池中出现大的凹陷（图6a）。如图6（b-e）所示，随着电弧功率的降低，凹陷变得更小，然后消失。然而，当电弧功率太低时（图6f），PTA无法完全熔化焊丝，并刺入熔池，从而导致熔池中出现振荡。如果金属丝到达熔池，它会从熔池带走过多的热量，降低熔化效率，在极端情况下会导致金属丝错位。

图6 在8千瓦的恒定总应用功率下，不同电弧功率与激光功率比的沉积过程：（a）8千瓦电弧，（b）7千瓦电弧和1千瓦激光，（c）6千瓦电弧和2千瓦激光，（d）5千瓦电弧和3千瓦激光，（e）4千瓦电弧和4千瓦激光，（f）3千瓦电弧和5千瓦激光。红色箭头表示激光器的位置。

图7显示了通过图6所示工艺获得的珠子的尺寸和接触角。随着电弧功率与激光功率之比的减小，焊道变宽变浅。这是因为降低电弧功率和增加激光功率会导致熔池中的凹陷减少，从而改变能量源轮廓，从而导致珠形状的变化。当电弧功率较高时，高凹陷会导致表面能量相对较低的三维能源轮廓，从而导致窄焊道。随着电弧功率的降低和激光功率的增加，凹陷减小并最终消失。因此，能量源变浅，成为二维表面能量源。这会在表面产生更多的能量，并导致更宽的珠子。为了补偿增加的胎圈宽度，胎圈高度根据质量守恒定律不断减小。此外，接触角随着电弧功率激光功率比的增加而减小，如图7b所示。

图7 电弧功率与激光功率之比对（a）焊道尺寸和（b）接触角的影响。表1的案例（6-11）中显示了使用的所有参数。

在总能量输入为8 kW的情况下，PTA工艺的熔池中存在较大的凹陷（图6a），这意味着通过混合工艺可以降低形成小孔的可能性（图6b-6e）。通过改变电弧功率与激光功率的比率，混合工艺（图7）可以实现不同的焊道形状，这在PTA工艺中很难实现。这些证明了混合工艺比单一PTA工艺的优势。

Wang等人描述了在相同的横截面积下，较平坦的珠子（即较低的接触角）会导致较低的表面波纹度。虽然随着激光功率的增加和电弧功率的降低，珠子变得更平坦（图7），但在某一点上，电弧功率过低将导致不稳定的沉积过程，金属丝刺入熔池（图6f）。因此，在PTA激光混合沉积工艺中，当电弧功率刚好足以熔化金属丝时，需要调整激光功率以控制熔池宽度，但不要过高，从而避免过度重熔到底层。

3.1.3. 送丝速度的影响

图8显示了在电弧功率为4.8 kW（电流为200 A）和激光功率为3 kW时使用不同WFS的沉积过程。当WFS较低时（2 m/min，图8a），即使未达到弧柱中心，导线也完全熔化。电弧压力导致暴露的工件表面凹陷。随着WFS从3 m/min增加到4 m/min（图8b和8c），焊丝无法在弧柱边缘立即熔化，并开始向另一侧伸出，从而屏蔽工件并分散等离子体力。因此，在4 m/min的WFS下，凹陷逐渐减小并最终消失。然而，当WFS达到5–6 m/min时，PTA无法再完全熔化线材，并到达激光产生的熔池（图8d和8e）。

图8 不同WFS下的混合沉积过程：（a）2 m/min，（b）3 m/min，（c）4 m/min，（d）5 m/min和（e）6 m/min。红色箭头指示激光位置。

图9显示了胎圈尺寸和接触角随WFS的变化。可以看出，随着WFS的增加，胎圈宽度先增大后减小。Martina等人在PTA沉积过程中获得了类似的结果。Wang等人研究了在Ti-6Al-4V的PTA沉积中WFS对珠状的影响，并获得了类似的结果。他们指出，与工件相比，金属丝的导热性较低，从而提高了熔化效率，从而增加了焊道宽度。焊道宽度的减小归因于金属丝从熔池中带走的过多热量。至于胎圈高度，由于进给速度的增加，胎圈高度不断增加。此外，接触角随着WFS的增加而不断增加，表明工件的润湿性较差。

图9 WFS对（a）胎圈尺寸和（b）接触角的影响。表1的案例（12–16）中显示了使用的所有参数。

应该提到的是，在4 m/min的WFS条件下获得了最大的焊道宽度，其中电弧功率刚好足以完全熔化焊丝（图8c）。这证实了第3.1.2节中得出的结论，即在PTA激光混合AM工艺中，只要熔池中没有明显凹陷，电弧功率刚好足以熔化焊丝，则电弧功率是最佳的。通常，WFS对焊道宽度的影响很小（8%的变化，图9a），这取决于焊丝是直接由PTA熔化还是需要从激光产生的熔池中获得额外热量。

3.1.4. 行驶速度的影响

图10显示了不同TSs下的沉积过程。可以看出，PTA在所有情况下均可完全熔化焊丝，这意味着TS对焊丝熔化行为没有显著影响。该配置最适合PTA激光混合沉积工艺，因为焊丝可通过电弧压力顺利转移到熔池中，且该工艺在送丝空间方面具有较高的公差。因此，图10示出这样的配置对TS不敏感。

图10 不同TSs下的混合沉积过程：（a）4 mm/s，（b）6 mm/s，（c）8 mm/s，（d）10 mm/s和（e）12 mm/s。粉红色箭头指示移动方向，而红色箭头指示激光位置。

图11 TS对（a）胎圈尺寸和（b）接触角的影响。表1中的情况（17-21）显示了使用的所有参数。

图11显示了通过图10所示的工艺获得的胎圈尺寸和接触角。可以看出，随着TS的增加，胎圈宽度和胎圈高度均减小（图11a）。单位长度的热输入∧与TS成反比，由下式给出：

公式1中，P为总应用功率，vt为TS。因此，增加TS可减少单位长度的热量输入，从而减少胎圈宽度。在沉积过程中，如果忽略材料蒸发和飞溅，则每单位长度（即焊道横截面积）沉积的材料Ab可表示为：

可以看出，TS的增加导致单位长度沉积材料的减少。因此，胎圈宽度和胎圈高度均随TS的增加而减小。事实上，接触角由胎圈的宽高比决定[18]。虽然胎圈宽度和高度均随TS的增加而减小，但接触角几乎保持不变，低值为16°，如图11b所示。

3.1.5. 激光束尺寸的影响

激光的最大优点之一是可以独立控制光束大小和功率，从而可以独立改变功率密度和光束大小。图12显示了PTA激光混合沉积工艺中作为激光束直径函数的珠宽。可以看出，在激光束直径为6至12mm的情况下，获得了16.9mm的相同胎圈宽度。由于蒸发造成的能量损失，在4 mm的小激光束直径下获得了略窄的珠宽（16.1 mm）（如图15所示）。对比图5和图12，可以看出，与激光束尺寸相比，珠子形状对总施加功率的响应更大。应该提到的是，只有当激光束尺寸小于熔池时，随着激光束直径的变化（图12），几乎不变的珠宽才会发生。事实上，熔池的宽度比激光束直径宽四倍（激光束直径为4mm时，熔珠宽度为16mm），这表明在这些情况下，熔体流动在熔珠形成中占主导地位。然而，如果光束尺寸大于自然熔池尺寸，则激光束尺寸将控制宽度。多能源（MES）方法证明了这一点，在熔池边缘有一个前置PTA和两个后置激光器。

图12 在电弧功率为4.8 kW和激光功率为5 kW时，研究了激光束尺寸对焊道宽度的影响。表1中的情况（23–27）显示了使用的所有参数。

图13展示了图12中所述的相应珠子的横截面。可以看出，工件上的所有穿透深度相似。通常，在激光焊接中，熔深与功率密度和相互作用时间成正比。功率密度定义为激光功率与激光束面积之比，对于圆形光束，功率密度由下式给出：

公式3中，Pl和dl分别为激光功率和激光束直径。相互作用时间ti定义为激光束直径与移动速度之比，由下式给出：

图13 不同激光束直径(a) 4 mm、(b) 6 mm、(c) 8 mm、(d) 10 mm和(e) 12 mm得到的微珠截面。

在这些情况下（图12），激光功率和移动速度是固定的。因此，随着激光束直径的增加，功率密度呈二次下降，相互作用时间呈线性增加，这意味着穿透深度应随着激光束直径的增加而减少。然而，在本研究中，激光前面有PTA，它向熔池中增加了大量热量，弥补了激光功率的不足，并减少了激光束尺寸对穿透深度的影响。

图中的案例中使用的激光功率。12和13是恒定的。图14显示了不同激光功率下激光束尺寸对焊道宽度的影响。可以看出，即使在较宽的激光功率范围内，激光束尺寸对微珠宽度的影响也很小。具体地说，在相同的激光功率下，不同激光束尺寸获得的胎圈宽度差异始终小于1mm。

图14 在不同的激光功率下，激光束尺寸对微珠宽度的影响。

在激光工艺中，工艺稳定性在很大程度上取决于功率密度。根据功率密度的不同，有两种不同的状态，即锁孔和传导。一般而言，传导区仍显示受热现象控制的熔池，而小孔区与蒸汽羽流相关，蒸汽羽流与入射激光束相互作用，并可诱发搅拌和动态熔池。图15显示了不同激光束直径下的PTA激光混合沉积过程以及由此产生的微珠外观。可以看出，梁直径对工艺稳定性和焊道外观均有显著影响。光束直径越大，因此功率密度越低，珠子越光滑。当激光束直径减小到6 mm时，开始汽化，在激光相互作用点上形成一个明亮的发光点。这种蒸汽羽流在熔体池中引起随机振荡，导致珠粒不均匀。具体而言，激光束直径为2 mm时获得的焊道不是直的，这对于零件的沉积是不可接受的。

图15 在恒定激光功率为5 kW和电弧功率为4.8 kW时，研究了激光束尺寸对沉积过程和微珠外观的影响。注：LBD代表激光束直径。

3.2. 胎圈形状控制程序

当沉积高价值零件时，需要特定的珠形状和沉积速率。例如，对于近净形状，需要具有低接触角的珠形状，并且对于低成本和提前期，需要相对高的沉积速率。根据前面章节中给出的结果，提出了在PTA激光混合AM工艺中选择不同工艺参数以实现目标沉积速率和珠形状的程序，如图16所示。

图16 线基PTA激光混合AM工艺中的珠形控制程序。注：BW和BH分别表示胎圈宽度和胎圈高度。

对于单个胎圈，除了直接从横截面轮廓测量接触角外，还可以通过以下等式计算接触角：

其中bh和bw分别为胎圈高度和头部宽度。因此，当给出胎圈尺寸时，胎圈的横截面积将固定。沉积速率R表示为：

因此，对于给定的导线，沉积速率仅取决于WFS。从公式（2）中可以看出，当确定胎圈和WFS的横截面积时，可以获得TS。如第3.1.2节所述，在混合工艺中，PTA用于熔化焊丝，以利用其高效率和电弧压力，实现平滑的金属转移。如果电弧电流过低，导线无法完全熔化。如果电流过高，则在衬底或底层上形成大的凹陷，从而降低工艺稳定性（图6）。因此，对于每个给定的WFS，都有一个最佳的电弧电流。

当GMAW的移动速度为800mm /min时，根珠形状随沟槽形状的变化而变化。

为了检查焊道形状的影响，采用GMAW进行了不同坡口形状的平板根部焊接试验。这些试验采用50%Ar-50%C02作为保护气体，并采用5 Hz和2 mm宽的振荡技术，以便更有效地改变胎圈形状。上图显示了在焊接速度为800 mm/min的条件下，钢FA和GMAW焊条GA在不同焊缝坡口下的根部焊缝的宏观照片。发现根部焊缝的高宽比随着坡口中总根部表面的减小而减小。

事实上，Wang等人获得了PTA沉积过程中不同尺寸导线在不同电流水平下的最大WFS，这为混合沉积过程中电弧电流的选择提供了参考。此外，在混合工艺中，激光用于控制熔池尺寸。因此，一旦WFS、TS和电流固定，控制胎圈形状的唯一方法就是调整激光功率（图5）。如第3.1.5节所述，对于给定的电弧功率和激光功率，焊道宽度随激光束尺寸的变化非常小。然而，胎圈质量在很大程度上取决于它（图15）。因此，为了获得光滑均匀的焊道，应使用最佳的激光束尺寸。此外，在选择激光束尺寸时，需要考虑胎圈宽度。激光束不应太小，以避免低工艺稳定性和低焊道质量，也不应远大于焊道宽度，以避免过度的能量损失。在确认所有参数后，将检查沉积的焊道是否符合目标形状。如果没有，将稍微调整激光功率，直到达到目标珠形状。

总的来说，混合沉积工艺应在PTA熔化原料丝和激光控制熔池的最佳状态下运行。实际上，增加TS不会对沉积速率或构建时间产生任何影响，但主要影响给定工艺的胎圈宽度的可能范围。在某些情况下，需要更快的TSs来实现窄珠并保持较高的沉积速率。需要选择合适的电弧功率，以确保焊丝熔化。激光功率应为最佳，以便为所需的焊道宽度和重熔率提供恰到好处的热量。理想情况下，激光束的大小应与焊道宽度的大小一致，以最大限度地减少蒸发和不必要的对流的风险。

3.3. 多层单道墙

为了证明该方法的可行性和可重复性，采用混合工艺沉积了两层多层单道壁。目标是沉积两个具有相同胎圈尺寸（宽度为12 mm，高度为1.6 mm）但沉积速率不同（分别为1.2和1.8 kg/h）的壁。表2中列出了用于两堵墙的参数。

表2 用于沉积两层多层单道壁的工艺参数。

产生的墙体如图17所示。可以看出，两个壁都具有良好的表面光洁度和近净形状，这意味着此类零件只需很少的后加工。这两堵墙具有相似的轮廓，层的高度和宽度差异很小。在这两种情况下，实际宽度都略低于目标宽度。这是由沉积在基板上的第一层和后续层之间的焊道尺寸差异造成的。注意，为本试验选择的参数是根据珠板试验确定的。一般而言，所获得的壁尺寸非常接近目标，这表明在PTA激光混合AM工艺中使用此程序控制珠形状是可行的。

图17 具有相同胎圈形状但不同沉积速率的两个多层单道壁：（a）壁1和（b）其横截面的沉积速率为1.2 kg/h，以及（c）壁2和（d）其横截面的沉积速率为1.8 kg/h。

4.结论

1.PTA-激光混合AM工艺的最佳操作制度是，导线由PTA熔化，熔池由激光控制。对于给定的WFS，当电弧电流刚好完全熔化导线且不会在熔池中产生凹陷或小孔时，电弧电流是最佳的。此外，应调整激光功率，以达到所需的胎圈宽度，但不得过高，以避免在前一层上进行过多重熔。

高精度粉末喷嘴。

对于高精度2D熔覆和3D加工，需要特殊的喷嘴设计，以提供精确的粉末焦点（上图）。如今，最小胎圈宽度已降至30μm；然而，以低粉末效率为代价（通常低于10%，而“传统”熔覆和直接激光金属沉积的效率为95%）。对于高精度沉积，需要低流速下的稳定粉末流。为了达到所需的几何精度，需要一个稳定、精确的处理系统（<10μm精度），该系统能够实现高度动态的工件移动。在这种情况下，机器人操作系统必须由CNC机器取代。由于粉末流速较低，200 W左右的激光功率通常足够。然而，现代圆盘激光器和光纤激光器（M2）必须提供高光束质量≈ 1.1). 低粉末流速导致沉积速率低至16 g/h。

2.在基于线的PTA激光混合AM工艺中，焊道宽度受激光功率和TS的显著影响。更具体地说，在恒定电弧电流下，由于热输入增加，焊道宽度增加，而焊道高度随着激光功率的增加而减少。胎圈宽度和高度均随TS的增加而减小，这是由于单位长度的热量输入和沉积材料减少所致。

3.WFS对胎圈宽度的影响相对复杂。胎圈宽度最初随WFS的增加而增加，然后在某一点减小。上升阶段是由于熔化效率提高，而下降阶段是由于金属丝到达熔池，从熔池吸收大量热量。

4.激光束尺寸对熔珠形状的影响很小，这表明对流主导了熔池。但是，它会显著影响工艺稳定性和胎圈质量。由于功率密度较低，光束越大，蒸发的可能性越小，表面质量越好。

5.提出了一种选择工艺参数以获得所需焊道形状和沉积速率的方法。通过沉积两个具有相同焊道尺寸但不同沉积速率的多层单道壁，证明了该方法的可行性。

来源：Bead shape control in wire based plasma arc and laser hybridadditive manufacture of Ti-6Al-4V，Journal of Manufacturing Processes，doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.07.009

参考文献：T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O.Milewski, et al.

Additive manufacturing of metalliccomponents – process, structure and properties，Prog Mater Sci, 92(2018), pp. 112-224, 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001