マグネシウム合金CMT溶融ワイヤ積層造形法における堆積電流が特性に与える影響

出典：第3回航空宇宙積層造形会議優秀論文集の章内容著者：Liu Siyu、Chen Mengfan、Ke Linda、Shen Yonghua、Cheng Peng著者単位：800第8回航空宇宙アカデミー研究所

はじめに：CMT溶融ワイヤ積層造形プロセスを使用して、同じ堆積速度と異なる堆積電流でシングルパス多層マグネシウム合金試験片を作製し、堆積電流がマグネシウム合金の成形特性に及ぼす影響を研究しました。結果によると、CMTヒューズ添加剤の堆積速度が10mm/sの場合、堆積電流範囲85A-125Aで表面平坦性が良好なシングルパス多層マグネシウム合金試験片を形成でき、105Aで最も外観が良くなることがわかりました。試験片中央の安定領域の高さは、両端のアーク開始および消滅位置よりわずかに高く、堆積電流が95A-125Aの場合、高さの偏差は2.6mm以内に制御できます。堆積電流が85Aから125Aに増加すると、堆積層の層間高さは2.39mmから2.16mmに減少し、堆積層の層幅は8.61mmから14.23mmに増加します。堆積電流が多すぎたり少なすぎたりすると、試験片の表面粗さに影響します。105A試験片の表面粗さは最も小さく、側壁エッジは滑らかで、粗さは0.16mmでした。

マグネシウム合金の密度はわずか1.78～1.83g/cm3と小さく、これは鋼鉄の約4分の1、アルミニウム合金の約3分の2です。同時に、マグネシウム合金は比強度と比剛性が高く、衝撃吸収性、加工性、リサイクル性に優れており、環境に優しいグリーンエンジニアリング構造材料として認められています。近年、マグネシウム合金は徐々に鉄鋼やアルミニウムに次ぐ構造機能材料となり、マグネシウム合金の生産成長率は25％に達し、その応用見通しは非常に有望です。現在、マグネシウム合金の製造方法には、主に鋳造法と塑性成形法があります。マグネシウム合金は鋳造性能が優れているものの、マグネシウム合金鋳物の内部にはスラグ介在物、気孔、緩みなどの欠陥があり、製品の密度が低く、機械的性質の偏差が大きい。同時に、グリーン環境保護の問題にも直面している。塑性成形プロセスでは、優れた機械的特性を持つマグネシウム合金製品を生産できますが、サイズに一定の制限があり、複雑な構造部品の全体的な成形を完了することはできません。我が国の航空宇宙や兵器装備などの軍事分野の製品は、より軽量で、形状が複雑で、構造と機能が一体化している傾向があり、従来の生産加工技術では実現が難しく、マグネシウム合金構造部品の全体的な迅速な製造を実現するための新しい方法を見つけることが緊急に必要とされています。

溶融フィラメント積層造形技術は、層ごとに積み重ねる方法で金属部品の直接成形を完了できます。低コスト、短サイクル、金型が不要などの特徴があり、マグネシウム合金の塑性変形能力が低い問題を効果的に解決できます。この方法は、従来の鋳造マグネシウム合金や変形マグネシウム合金と比較して、複雑な構造部品の一体成形を直接完了できるだけでなく、材料と時間も節約できます。一部の学者はマグネシウム合金溶融ワイヤ付加製造技術に関する対応する基礎実験を実施し、一定の研究進歩を達成しました。 Han らが PAW 付加プロセスを使用して作成した AZ91D マグネシウム合金試験片には、表面に不連続性や隆起などの成形欠陥がありました。 Y Guoらは、TIG溶融ワイヤ付加プロセスを使用して、両端に大きな高さの差があるマグネシウム合金の薄肉試験片を作製しました。プロセスの最適化を通じて、P Wang は、CMT + パルス作業モードで作成されたマグネシウム合金堆積層が付加成形に適していることを発見しました。この記事の著者らは、以前 AZ31 マグネシウム合金の付加成形の品質管理を研究し、最終的に成形性が良好で表面が滑らかな直線壁の試験片を得ました。しかし、現在のマグネシウム合金溶融ワイヤの付加製造技術はまだ成熟していません。マグネシウム合金付加成形の品質をどのように向上させ、マグネシウム合金付加成形の法則を獲得するかは、依然として各国の研究者が解決しなければならない緊急の問題であり、詳細な研究には大量の基礎研究データが必要です。

本論文では、CMT 溶融ワイヤ積層造形プロセスを使用して、マグネシウム合金のシングルパス多層積層試験片を作製します。同じ堆積速度条件下でのマグネシウム合金溶融ワイヤ積層造形の成形特性に対する堆積電流の影響を研究し、マグネシウム合金積層製品の促進と応用のための技術的基礎を提供します。

1 実験材料と方法
1.1 試験材料試験では、試験材料として直径1.2mmのAZ80マグネシウム合金線を使用し、基材として厚さ15mmのAZ31マグネシウム合金板を使用しました。使用されるマグネシウム合金線と板の化学組成は、GB/T 5153 規格の要件を満たしています。マグネシウム合金線の表面は滑らかで曲がりがなく、アークヒューズ添加剤テストの安定性を確保できます。

1.2 試験装置積層造形実験には、6 軸ロボット溶融ワイヤ積層造形システムが使用されました。このシステムは主に、ABB-IBR2600ID ロボット、Fronius-CMT 溶接機、RA5000 溶接ガン、および 2 軸回転作業プラットフォームで構成されています。試験には自社開発のCMTマグネシウム合金特性曲線を使用し、溶着電流とワイヤ送給速度は溶接機で制御し、溶着速度はロボットで制御した。

1.3 試験方法<br /> 堆積速度を変化させないようにCMT溶融ワイヤ積層造形プロセスを採用し、堆積電流を調整することで、異なる堆積電流がマグネシウム合金の積層造形特性に与える影響を研究した。往復サイクルパスを採用して、シングルパス多層マグネシウム合金薄肉試験片を作製しました。堆積電流は75A〜135A、堆積速度は10mm/s、層間間隔は45秒、溶接ガンワイヤ供給ノズルと基板および試験片上面の間の距離は15mm、シールドガスは99.99％純度アルゴン、ガス流量は18L/分でした。具体的なプロセスパラメータを表1に示します。正常に作成されたマグネシウム合金試験片の全体寸法は、長さ約 190 mm、高さ約 110 mm です。線エネルギーは主に次の式で求められます。

ここでqは熱入力、ηはCMTアークの熱効率（80%）[20]、Iは溶接電流、Uは溶接電圧、vは溶接速度である。

表1 さまざまなプロセスパラメータによるサンプルの準備が完了した後、マグネシウム合金シングルパス多層薄壁積層造形サンプル7グループの成形外観を観察しました。サンプルの高さと幅を0.02mmの精度を持つノギスで測定し、堆積層の層間高さと幅を計算しました。高さと幅の測定位置を図1に示します。試験片の中央領域で断面を選択し、試験片を観察し、安定部分の成形プロファイルと表面粗さを分析しました。

図1 成形寸法測定方法
2 実験結果と分析

2.1 堆積電流が成形外観に与える影響
異なる堆積電流による 5 つのマグネシウム合金試験片のシングルパス多層積層造形を図 2 に示します。堆積電流が85A～125Aのサンプルの表面は平坦で、両端の高さは基本的に一定しており、明らかな添加欠陥はありません。堆積電流が 85A のサンプルの表面平坦性は悪いですが、堆積電流が 105A に増加すると、サンプルの表面平坦性は良くなり、層間組織はますます鮮明になります。堆積電流がさらに増加すると、サンプルの層間組織の鮮明度が低下し、125A サンプルの表面の層状境界はぼやけて区別できなくなります。分析の結果、堆積電流が小さい場合、溶融金属が十分に広がることができず、堆積層の形状安定性が悪くなることがわかりました。堆積電流が増加すると、溶融金属の広がりと流動性が向上し、堆積層の形状が改善されます。同時に、堆積電流が増加すると、ワイヤ供給速度も増加し、単位時間あたりの溶融金属の量が増加します。過剰な溶融金属は、溶融池の流れを引き起こし、堆積層が崩壊しやすく、サンプルの形成に役立ちません。結果は、堆積電流が 105A のときに、マグネシウム合金アークヒューズ添加剤サンプルの成形外観が最も優れていることを示しています。

図2 異なる堆積電流によるマグネシウム合金試験片の成形堆積電流が75Aおよび135Aのときに作製された試験片の側面と上面を図3に示します。付加プロセス中に、2 つの試験片グループの上面の幅が一致せず、シングルパス多層薄壁試験片の作成を完了できませんでした。 75Aの溶着電流では入熱量が52.2J/mmと比較的小さいため、溶融金属の広がり性や流動性が低く、溶着層の形状が悪く、幅の変動が大きく、薄肉の試験片を作製することができません。また、135Aの溶着電流では入熱量が140.4J/mmと大きすぎるため、層間に過剰な熱が蓄積し、溶着層が崩れます。また、試験片表面にスパッタが発生し、成形が困難になります。

(a) 堆積電流75A (b) 堆積電流125A 図3 75Aと135Aで作製したサンプルの成形
2.2 アークの開始と消滅の高さに対する堆積電流の影響<br /> 異なる堆積電流を使用して積層造形によって形成されたマグネシウム合金薄肉試験片の高さ寸法を図4に示します。5つの試験片グループの中央の安定領域の高さの一貫性は良好で、両端のアーク開始および消滅位置よりもわずかに高くなっています。一定の堆積速度の条件下では、CMTヒューズの添加電流が85Aのとき、サンプルの上面の高さ偏差が最も大きくなり、両端のアーク消滅から15mm離れたところにピットがあり、最大高さ偏差は4.1mmです。堆積電流が95A～125Aの場合、サンプル上面の高さ偏差は2.6mm以内に制御され、電流が105Aを超えると、高さ偏差は堆積電流の増加とともにわずかに低下する傾向を示し、125Aサンプルの最大高さ偏差は1.8mmです。堆積電流が小さい場合、アーク消滅点の溶融金属は流動性が悪く、表面張力が小さいため、アーク開始点と堆積層の中間部との間に寸法偏差が発生します。しかし、アーク消滅点の蓄熱の影響により、金属の流動性が向上し、成形性が向上します。往復サイクル経路により、試料の両端にアーク開始点とアーク消滅点が交互に現れるため、試料の成形品質を効果的に向上させることができます。電流が増加すると、アーク消滅点における入熱も増加し、溶融金属の流動性が向上し、アーク開始点とクラッド層の中間部との間の寸法偏差が大幅に減少し、サンプルは比較的平坦になります。

図4 マグネシウム合金試験片5グループの成形高さ
2.3 溶接電流が溶接層の大きさに与える影響
異なる堆積電流を持つ 5 つのグループのマグネシウム合金ヒューズ添加剤サンプルの堆積層のサイズを図 5 に示します。堆積電流が 85A から 125A に増加すると、5 つのサンプルグループの堆積層の層間高さは 2.39 mm から 2.16 mm に減少し、下降傾向を示します。一方、堆積層の幅は 8.61 mm から 14.23 mm に増加し、上昇傾向を示します。マグネシウム合金の流動性が悪いため、堆積電流が小さいほど線エネルギーも小さくなり、溶融マグネシウム合金は良好な広がり性と流動性が得られず、急速凝固することができません。そのため、マグネシウム合金添加剤試験片の堆積層の層間高さは、堆積電流の増加とともに低下する傾向を示します。堆積電流が増加すると、ワイヤ供給速度とワイヤエネルギーも増加し、溶融金属の含有量が増加し、流動性が向上します。最終的には、液体マグネシウム合金の広がりが向上し、堆積層の幅が広くなります。つまり、堆積速度が一定の条件下では、CMTヒューズ添加剤堆積電流の増加とともにマグネシウム合金試験片の幅が増加します。
図5 堆積速度が堆積層サイズに与える影響
2.4 堆積電流が表面粗さに与える影響<br /> サンプル断面写真に画像二値化処理を施し、断面輪郭曲線を抽出することで、図6に示すようにCMT溶融ワイヤ添加法で形成されたマグネシウム合金添加サンプルの断面積が得られます。図中の異なる堆積電流を持つ5群のマグネシウム合金試験片の等高線曲線を比較すると、堆積電流が105Aのとき、試験片の側壁のエッジはより真っ直ぐで滑らかであることがわかります。堆積電流が減少または増加すると、試験片の側壁エッジの左右の変動が激しくなり、その中で125A試験片の右側の下端と中端の変動が最も顕著になります。これは主に、堆積電流が大きい場合、堆積層の準備中に底部サンプルがわずかに狭くなり、溶融金属を支えることができず、流れが発生し、側壁に大きな変動が生じるためです。堆積電流が小さい場合、サンプルの表面の平坦性が悪く、変動が大きく、側壁の平滑性にも影響します。

図6 異なる堆積電流を持つマグネシウム合金試験片の断面の表面粗さを計算する場合、最初に最小二乗法を使用して等高線曲線を線形フィッティングし、フィッティング直線方程式を取得します。

断面プロファイル曲線上のすべての点からフィッティング直線までの距離の合計は次のようになります。

ここで、dは断面プロファイル曲線上の点からフィッティング直線までの距離、nは断面プロファイル曲線上の点の数であり、サンプルの表面粗さRは次の式に従って計算されます[21]。

マグネシウム合金試料の表面粗さに対する堆積電流の影響を図 7 に示します。堆積速度が変わらず、堆積電流が 85A から 125A の間である場合、105A サンプルの表面粗さは最低で、わずか 0.16mm です。電流が 105A より低い場合、表面粗さはわずかに高くなり、85A および 95A サンプルの平均表面粗さはそれぞれ 0.20mm および 0.23mm です。堆積電流が105Aを超えると、電流の増加に伴ってサンプルの表面粗さが増加します。125Aサンプルの表面粗さは0.3mmに達します。これは溶融金属含有量とラインエネルギーの増加に関係しています。過剰な液体金属は溶融池の流れを引き起こし、表面粗さに影響を与えます。結果は、堆積電流が大きすぎたり小さすぎたりすると、マグネシウム合金ヒューズ添加剤の薄壁試験片の表面粗さに影響を与えることを示しています。
図7 溶接電流が表面粗さに与える影響
3 結論

本論文では、同じ堆積速度と異なる堆積電流で CMT 積層プロセスにより 5 つのグループのマグネシウム合金添加剤サンプルを作製しました。比較分析により、マグネシウム合金溶融ワイヤ積層造形における堆積電流と成形特性の影響が得られました。主な結論は次のとおりです。

1. 堆積速度 10 mm/s、堆積電流 85 A ～ 125 A の CMT 溶融ワイヤ付加プロセスでは、表面平坦性が良好なシングルパス多層マグネシウム合金試験片を製造でき、105A 試験片は最高の成形外観を備えています。

2. 堆積電流が85Aから125Aに増加すると、マグネシウム合金ヒューズ添加剤試験片の堆積層の層間高さは2.39mmから2.16mmに減少し、堆積層幅は8.61mmから14.23mmに増加します。

3. CMTシングルパス多層マグネシウム合金試験片の中央の安定領域の高さは、両端のアーク開始および消弧位置よりもわずかに高く、堆積電流95A〜125Aでの試験片上面の高さ偏差は2.6mm以内に制御されます。

4. 堆積電流が大きすぎたり小さすぎたりすると、サンプルの表面粗さに影響します。105Aサンプルの表面粗さは最も小さく、側壁のエッジは滑らかで、粗さは0.16mmです。

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