同期ワイヤ供給と粉末供給に基づく薄肉アルミニウム合金振動レーザーアーク複合付加製造！

出典: 溶接科学

2024年11月2日、中国の西南交通大学材料科学工学学院の研究チームは、同期ワイヤ粉末供給に基づくアルミニウム合金薄壁の振動レーザーアークハイブリッド積層造形法を研究した最新の研究論文「同期ワイヤ粉末供給に基づくアルミニウム合金薄壁の振動レーザーアークハイブリッド積層造形法」をThin-Walled Structures誌に発表した。

この研究では、同期ワイヤ供給と粉末供給技術を使用して、単純なワイヤ供給に基づく薄肉アルミニウム合金の充填成分不足によって引き起こされる機械的特性の劣化の問題を解決します。実験によると、マグネシウム粉末の供給速度を最適化することで、溶融液滴の微細ジェットモードへの移行が改善され、移行時間が 18% 短縮され、有効幅係数が 89% から 95% に増加し、加工代が 0.48 mm に減少し、成形精度が 61.6% 向上しました。堆積した微細構造は、平均粒径が 54% 増加した樹枝状結晶の方向性成長によって支配されていますが、新たに形成された Mg2Si 強化相により、薄壁の極限引張強度が 227.3 MPa から 255.5 MPa に増加し、12% 増加しています。

実験では、直径1.6mmのER4047アルミニウム合金溶接ワイヤと厚さ10mmの6082-T6アルミニウム合金基板を使用しました。粉末は100〜300メッシュのAlとMgの混合粒子です。実験装置には、Trumpf Laser TruDisk 10002 レーザー、Fronius Transpuls Synergic 4000 アーク溶接機、ABB IRB2600 ロボット、IPG D50 振動スキャンヘッド、回転式ダブルドラム粉末フィーダーが含まれます。

図1. 同期ワイヤ粉末供給による振動レーザーアークハイブリッド積層造形の概略図、(a) 側面図、(b) 正面図。

図 2. 堆積したサンプルの寸法と機械的特性試験の位置。

図 3. 振動レーザーアークハイブリッド積層造形法で堆積した薄壁のマクロ形態と X 線 NDT 結果、(ac) 側壁形成、(df) X 線 NDT 結果、(gi) 上面外観、(hk) 断面形態。

図4. 堆積された薄壁の寸法特性の統計、(a)堆積幅、(b)成形精度、ここでWEとWTはそれぞれ薄壁の有効堆積幅と最大堆積幅、ηは有効幅係数、eはその後の加工許容差です。

図 5. シングルフィラメントワイヤ供給に基づく振動レーザーアークハイブリッド積層造形の高速ビデオフレーム、(a) アーク燃焼のパルス開始段階、(b) アーク燃焼のベース電流段階、(cf) アーク燃焼のピーク電流段階、(gi) アーク燃焼のベース電流段階。

図 6. 粉末中の Mg 含有量が 100 wt.% の場合の同期ワイヤ粉末供給に基づく振動レーザーアークハイブリッド積層造形の高速ビデオフレーム、(a) アーク燃焼のパルス開始段階、(b) アーク燃焼のベース電流段階、(cf) アーク燃焼のピーク電流段階、(gl) アーク燃焼のベース電流段階。

図7.堆積した薄壁の微細構造観察、(ac)OM試験結果、(df)EBSD試験結果、(gi)粒度分布（図7dとgは文献[29]より）。

図 8. WPHAM によって得られた堆積微細構造の析出相と結晶構造の TEM 分析結果、(ae) 析出相の形態、(fh) (e) の Al、Si、Mg の元素マッピング、(ij) (e) の第 2 相と Al マトリックス間の界面の高解像度 TEM 形態、(k) 高速フーリエ変換 (FFT)、(m) 逆フーリエ変換 (IFFT)。

図9. WPHAMで得られた堆積微細構造の転位形態と回折スペクトル。

図10 堆積した薄壁の機械的特性、(a-b)引張特性、(c)マイクロ硬度分布、(d)平均マイクロ硬度とその分散。

図11.引張試験サンプルの破面形態、(ac)低倍率画像、(df)高倍率画像。

図12 振動レーザーアークハイブリッド積層造形における堆積安定性を向上させる粉末ワイヤ供給メカニズムの概略図、(ad)および(i)単一ワイヤ堆積、(eh)および(j)ワイヤ粉末同時堆積。

論文概要<br /> 成形精度: 研究によると、Mg 粉末を添加すると薄壁の成形精度が大幅に向上し、有効幅係数が 95% に増加し、加工許容差が 0.48 mm に減少することが示されています。

堆積安定性: 同期粉末供給により、レーザーとアーク間の伝導チャネルが改善され、ピーク段階とベース段階での安定したアーク燃焼が維持されるとともに、微細スプレーモードでの液滴転送効率が向上し、転送時間が 3.2 ms に短縮され、効率が 18% 向上します。

微細構造と機械的特性：単線粉末供給と比較して、ワイヤ供給下で堆積した微細構造の平均粒径は54％増加し、新しいMg2Si強化相が形成されました。極限引張強度は255MPaに達し、12％増加しました。

論文アドレス: https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.11266

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