基于TIG焊的铜锌合金电弧增材制造工艺开发与性能研究

《Welding in the World》：Investigations on the additive manufacturing of structures made of copper-zinc alloys using wire and arc-based welding processes

本文推荐研究人员针对铜锌合金传统增材制造工艺成本高、健康风险大等问题，开展了基于钨极惰性气体保护焊（TIG）的电弧增材制造（WAAM）技术研究。通过系统优化电弧长度、焊接电流等关键参数，成功实现了CuZn37合金20层墙状结构和圆柱形坯料的可重复制造，并对其微观组织和力学性能进行了表征。该研究为铜锌合金提供了一种高沉积率、低成本的近净成形加工替代方案，具有重要的工业应用价值。

　　

铜锌合金以其优异的热导率、电导率以及良好的冷热成形性，在液压阀、管接头、船用螺旋桨等工业领域具有广泛应用。然而，这类合金的传统增材制造技术，如选择性激光熔化（SLM）、激光金属沉积（LMD）和粘结剂喷射技术，普遍面临粉末原料成本高昂、对操作人员健康构成潜在风险，以及对于某些工艺还需要后续烧结处理以提高致密度等问题。为了克服这些弊端，基于焊丝和电弧的增材制造（Wire and Arc-based Additive Manufacturing, WAAM）技术因其设备成本低、沉积速率高，成为小批量铸造件的一种有潜力的替代方案。尤其对于铜锌合金，其焊接性被认为极具挑战性，主要难点在于锌元素在远低于铜熔点的温度下就会发生蒸发（锌沸点为907°C），导致工艺不稳定和成分变化。因此，开发一种能够可靠加工铜锌合金的WAAM工艺，并实现可接受的材料性能，成为工业界迫切的需求。在此背景下，发表于《Welding in the World》的研究论文《Investigations on the additive manufacturing of structures made of copper-zinc alloys using wire and arc-based welding processes》对使用钨极惰性气体保护焊（Tungsten Inert Gas, TIG）增材制造CuZn37合金结构进行了深入探索。

为开展研究，研究人员主要采用了两种实验设置进行TIG增材制造实验：一种是带有集成送丝单元的自研气体喷嘴，另一种是常规气体喷嘴。关键技术方法包括：系统性地调整电弧长度、脉冲电流（频率3 kHz）、层高偏移量等工艺参数以优化成形；使用光学显微镜和激光扫描仪对焊缝、多层墙状结构和圆柱形坯料的几何形状、微观结构进行表征和测量；对从增材制造墙体上截取的试样进行拉伸试验，以评估其力学性能；并利用高速摄像系统观察工艺过程稳定性。

4 Setup and execution of the experiments

研究人员设计了详细的实验方案来执行单层和多层TIG增材制造。实验在CuZn37基底上进行，使用同质CuZn37焊丝。关键步骤包括基底预热以改善第一层熔合，以及通过改变电弧长度（自研喷嘴为5-8 mm，常规喷嘴为4 mm）、焊接电流（脉冲或恒定电流）和层高偏移量等参数，逐步构建从2层到45层的墙状结构以及圆柱形坯料。对于高层结构，还引入了层间冷却时间以控制热积累。

5 Methodology for the evaluation of the experiments

对制造出的样品进行了全面的评估。首先进行外观检查，并利用系统记录的工艺数据验证参数符合性。通过激光扫描获取样品的三维高度轮廓，计算平均焊缝高度和识别形状偏差。制作焊缝和墙体结构的横截面金相样本，经过研磨、抛光和蚀刻后，使用光学显微镜观察微观结构、测量几何尺寸并检查孔隙、未熔合等缺陷。对部分样品进行了拉伸测试以获取力学性能数据。

6 Results and discussion

6.2 Variation of the arc length with the self-developed gas nozzle

电弧长度的影响研究表明，较短的弧长（如5 mm相比8 mm）能减少焊缝边缘的未熔合缺陷。同时，短电弧导致更高的焊缝（自2.1 mm增至1.5 mm）和更接近熔合区宽度的焊缝宽度，表明熔池温度较低，粘度和表面张力较高，改善了润湿行为。

6.3 Evaluation of the wall structures manufactured with the self-developed gas nozzle

对采用自研喷嘴制造的墙状结构的评估表明，降低脉冲电流（即减少热输入）会导致更高的墙体。成功制造了20层墙状结构，平均最大墙高为29.8 mm，显示出良好的可重复性。横截面分析揭示了墙体宽度和晶粒尺寸沿高度方向的变化：上部较宽，晶粒粗大，表明热积累导致冷却速度慢和晶粒长大；下部靠近基底，冷却快，晶粒细小。在某些中间层观察到类孔隙结构，其成因（可能是锌蒸发或气体卷入）有待进一步研究。墙体后端存在约5 mm的高度下降，提示需要优化收弧参数或改变焊接方向。

6.4 Mechanical properties of the wall structures manufactured with the conventional gas nozzle

拉伸测试结果显示，增材制造出的CuZn37材料强度低于类似成分锻材（如CuZn33），抗拉强度（R_m）和屈服强度（R_p0.2）较低，但延展性很高。沿墙体纵向截取的试样其强度（R_m约270-300 MPa）和断裂伸长率（A_t约72%）均高于垂直高度方向截取的试样（R_m约220-250 MPa，A_t约53%），表现出各向异性，这可能与定向凝固产生的织构有关。

6.5 Examination of the cylindrical blanks

成功制造了15层圆柱形坯料，高度在30.7至32.7 mm之间，重复性好。激光扫描显示每层起始点高于终点，可能与温度分布不均导致的熔池行为差异有关。通过减法后处理，可从这些坯料加工出视觉上与传统制造无异的零件，证明了该工艺应用于复杂几何形状制造的可行性。

6.6 Zinc evaporation observed during the experiments

实验过程中观察到焊枪喷嘴和构件表面有白色粉末状氧化锌沉积，证实了锌蒸发现象的存在。虽然高保护气体覆盖率可能减少了氧化，但锌蒸发本身仍是该工艺需要关注的问题。

7 Summary

本研究成功证明利用TIG焊接和CuZn37焊丝进行铜锌合金的电弧增材制造是可行的。关键结论包括：较短的电弧长度（5 mm）有助于改善焊缝边缘熔合；通过参数优化可实现20层墙状结构和圆柱形坯料的可重复制造；构件在高度方向上存在微观结构（晶粒尺寸）和宏观形状（宽度）的梯度变化；力学性能表现出各向异性；锌蒸发是工艺中需要应对的挑战。该研究为铜锌合金提供了一种高沉积速率、低成本的近净成形加工替代方案，展现出替代小批量铸造的潜力。未来的研究方向包括通过电弧长度控制、过程温度监控进一步稳定工艺和减少锌蒸发，以及通过计算机断层扫描等技术更深入地研究孔隙分布和进行更全面的力学性能评估。

这项由Malte Sch?p、Matthias Sch?fer、Tim Ungethüm和Hans Christian Schmale共同完成的研究，标志着在克服铜锌合金电弧增材制造技术难题方面迈出了坚实的一步，为相关工业应用奠定了重要的技术基础。