铝合金点阵结构具有质量轻、比强度高、隔热减震和消音降噪等诸多优点，被广泛应用于航空航天领域[1-2]．金属点阵结构传统制造方法主要有熔模铸造法[3]、拉伸网折叠法[4]和冲压成型法[5]，然而这些方法难以成形复杂点阵结构，使金属点阵结构大规模的应用受到了限制．电弧增材制造技术是一种自下而上不断熔化丝材堆积金属的新型制造手段，能制造出复杂形式的点阵结构，同时具有材料利用率和沉积率高、设备成本低和低污染的特点，适用于铝合金点阵结构的增材制造[6]．文献[7]采用冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术成功制备了杆件直径为3 mm、角度为45°的铝合金点阵结构．文献[8]根据计算机辅助设计(CAD)模型到自动路径规划实现了铝合金点阵结构的设计与制造，成功获得了铝合金点阵结构．然而，由于电弧增材制造技术采用电弧作为热源，存在热输入高、稳定性差的特点，使成型杆件表面粗糙度较大，影响成型精度．另外，在铝合金堆积过程中，由于氢在液态和固态的溶解度相差较大，导致铝合金堆积完成后存在大量的氢气孔缺陷，严重影响铝合金构件的强度，这些都阻碍了电弧增材制造技术在铝合金点阵结构的推广性应用．激光电弧增材制造技术对铝合金电弧增材制造具有明显的控形与控性潜在优势，在铝合金电弧增材制造领域具有较大的技术优势[9-10]．文献[9]使用低功率脉冲激光-熔化极气体保护焊(MIG)工艺来进行5356铝合金薄壁结构增材制造，结果发现加入低功率激光后，薄壁墙体高度和宽度的波动明显减小，当激光功率为400 W时，构件表面成型精度有明显提高，可见低功率激光的加入起到了控“形”的作用．文献[10]对比研究了电弧增材制造和激光电弧增材制造铝合金构件的力学性能，结果发现激光电弧增材制造铝合金构件的抗拉强度达到163.39 MPa，较直接电弧增材制造得到的铝合金构件抗拉强度提高了8.45%，即激光的加入起到了控“性”的作用．然而上述激光电弧增材制造都是关于铝合金薄壁结构的研究，目前关于铝合金杆件激光电弧增材制造的研究尚处于空白阶段．更重要的是由于铝合金杆件成型后，相邻成型单元杆之间存在干涉问题，后续点阵杆件表面精加工较为困难；同时，由于点阵结构的性能很大程度上取决于单元杆的抗拉强度[11]，铝合金电弧增材制造内部产生的气孔势必会恶化点阵的整体强度．因此，如何控制铝合金杆件成型过程中的成型精度与性能是一个技术难题．利用激光电弧增材制造技术来进行铝合金杆件的制造，能否改善堆积过程中杆件的“形”与“性”，这是一个值得研究的科学问题．本研究通过Box-Benhnken响应面分析法系统分析了激光参数(激光功率、脉冲频率和激光占空比)对铝合金杆件的直径、表面粗糙度和杆件抗拉强度的影响，基于方差分析得到了各响应指标下各试验因素的影响程度，并分析了对各响应指标影响程度最大的主要因素的影响机理，最后通过多目标协同优化得到最佳激光作用参数，在此基础上进行激光电弧铝合金点阵结构的增材制造，可为后续优质铝合金点阵结构的制造提供参考．1 材料、设备和实验方法丝材为直径1.2 mm的ER2319铝合金，基板为25 mm厚的1060铝合金板．点阵电弧增材制造设备由福尼斯TPS4000 CMT电源、KUKA KR30HA机器人、YLR-1500-MM-WC-Y16光纤激光器组成．激光器的最大输出功率为1 500 W，波长为1 070 nm，实验系统如图1所示．10.13245/j.hust.221207.F001图1点阵增材制造设备示意图采用EosenCL高速摄像机对熔滴过渡进行观察，采用Stemi508体式显微镜对成型杆件进行拍摄，采用GAOSUO图像处理软件对杆件直径进行测量，每根杆件测量3次取平均值．采用Form Talysurf PGI830表面轮廓综合测量仪对杆件表面粗糙度进行测量，测量同一根杆以120°为间隔的三个不同位置的表面粗糙度(如图2所示)．根据轮廓测量结果，取3次测量的粗糙度平均值作为该组工艺下的粗糙度．通过AS万能力学试验机测试杆件的力学性能，拉伸速度为2 mm/min．通过线切割机切取杆件金相试样并进行冷镶嵌，采用AE2000MET型光学显微镜进行微观组织观察．10.13245/j.hust.221207.F002图2检测位置示意图(mm)打印杆件前，用钢刷清除铝基板表面的氧化层直至露出金属光泽，用丙酮、酒精先后对基板表面进行清洗．研究激光功率、频率与占空比对点阵杆件直径、表面粗糙度和抗拉强度的影响，并优化出合适的工艺参数，选取激光功率(100～500 W)、脉冲频率(20～100 Hz)与占空比(20%～90%)作为影响因素．用高纯Ar(99.99%)作为保护气体，气体流量为25 L/min，电流为70 A，电压为12 V，杆伸长为12 mm，送丝速度为5 m/min，焊接速度为450 mm/min．堆积点阵杆件为45°的不同杆件，用杆件直径、表面粗糙度和抗拉强度作为响应指标．2 实验结果表1为Box-Benhnken响应试验表和实验完成后测得的相应响应值的结果，激光功率为300 W，频率为60 Hz，占空比为55%为各因素的零水平，取各因素零水平的中心点进行多次重复实验以保证实验结果准确性[12]．图3为试验完成后所获得的杆件．10.13245/j.hust.221207.T001表1Box-Benhnken响应试验表和相应的响应值试验编号试验因素响应指标激光功率/W频率/Hz占空比/%杆件直径/mm表面粗糙度/μm抗拉强度/MPa00002.628.47188.92130020202.746.96183.72230060553.026.63219.71330060553.146.02219.48430060553.096.04220.36550060903.547.66180.81650060203.146.28210.16710060202.968.23190.568300100903.226.08220.45910060902.888.23225.861010020552.908.95180.5611100100552.8211.01210.951230060553.106.51208.9613300100203.016.42225.9414500100553.166.87193.211530060553.185.99218.571630020902.958.54223.591750020553.0110.26185.2510.13245/j.hust.221207.F003图3点阵杆件成型照片2.1　杆件直径方差分析以杆件直径作为响应指标，研究各试验因素对杆件直径的影响大小．利用Designer-Expert软件得到以杆件直径作为响应指标的方差分析见表1．由方差分析原理可知，表1中某一因素的P值代表该因素对响应指标值影响的显著程度，P值越小，则该因素对响应值影响越显著，当某因素P＞0.05时，其对响应值不产生较大影响[13]．由表2可知影响因素的P值由大到小排序为激光脉冲频率、激光占空比、激光功率，则激光参数对杆件直径影响的显著程度由大到小排序为激光功率、激光占空比、激光脉冲频率．另外，从表2可知失拟误差的P=0.091 4＞0.05，表明拟合结果反映了上述因素影响显著程度，判断结果准确．10.13245/j.hust.221207.T002表2杆件直径的方差分析结果方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和FP激光功率0.21010.21023.410.001 9频率0.04710.0475.230.046 0占空比0.06810.0687.700.027 5残差0.06270.008失拟项0.04830.0164.460.091 42.2　杆件表面粗糙度方差分析以杆件表面粗糙度作为响应指标，研究激光参数对杆件粗糙度的影响大小．利用Designer-Expert软件得到以杆件表面粗糙度作为响应指标的方差分析见表3．基于方差分析原理可以推断，激光参数对杆件表面粗糙度影响的显著程度由大到小排序为激光功率、激光脉冲频率、激光占空比．另外，从表3可以发现失拟误差P=0.392 8，远大于0.05，表明拟合结果反映了上述因素影响显著程度，判断结果准确．10.13245/j.hust.221207.T003表3杆件表面粗糙度的方差分析结果方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和FP激光功率3.5813.5833.890.000 6频率2.3412.3422.200.002 2占空比0.8610.868.130.024 7残差0.7470.11失拟项0.3630.121.290.392 82.3　杆件抗拉强度方差分析以杆件抗拉强度作为响应指标，研究激光参数对抗拉强度的影响大小．利用Designer-Expert软件得到以杆件抗拉强度作为响应指标的方差分析见表4．基于方差分析原理可以推断，激光参数对杆件抗拉强度影响的显著程度由大到小排序为脉冲频率、激光功率、激光占空比．另外，从表4可以发现失拟误差P=0.292 9，远大于0.05，表明拟合结果反映了上述因素影响显著程度，判断结果准确．10.13245/j.hust.221207.T004表4杆件抗拉强度的方差分析结果方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和FP激光功率203.311203.316.730.035 7频率749.431749.4324.820.001 6占空比185.281185.286.140.042 4残差211.35730.19失拟项120.32340.111.760.292 93 讨论3.1　激光参数对杆件直径的影响由杆件直径方差分析可知：在激光功率、脉冲频率和激光占空比3个因素中，激光功率对杆件直径的影响最大．图4(a)～(f)为当激光频率为44 Hz，占空比为45%，激光功率分别为0，150，250，350，450和550 W时，激光电弧增材制造所得的铝合金杆件的照片．图5为测量得到的相对应激光功率杆件直径变化趋势．从图5可以看出，当激光功率为0 W时电弧增材制造得到的杆件直径为2.62 mm，在加入激光作用后，电弧增材制造得到的杆件直径均增加，且随着激光功率的增加，杆件的直径不断增大，当激光功率为550 W时所得到的杆件直径最大，为3.40 mm．增材制造过程中成型杆件直径的大小取决于热输入[14]．10.13245/j.hust.221207.F004图4不同激光功率下的杆件成型照片(mm)10.13245/j.hust.221207.F005图5不同激光功率下的杆件直径图6(a)～(f)分别为当激光功率为0，150，250，350，450和550 W时杆件的温度场．由图6可知：在不同激光功率作用下，杆件上均存在明显的热积累效应，杆件的峰值温度通常存在于杆件顶端．由图6(a)可知当激光功率为0 W时电弧增材制造得到的杆件峰值温度为486.11 ℃．从图6可以看出，在加入激光作用后，激光电弧增材制造得到的杆件峰值温度均增加，且随着激光功率的增加，杆件峰值温度不断增大，当激光功率为550 W时，激光电弧增材制造具有最大的杆件峰值温度，杆件峰值温度达到621.98 ℃，相比激光功率为0 W时电弧增材制造得到的杆件峰值温度提高了135.87 ℃．这种现象的原因是激光的引入，使激光与电弧发生协同作用，电弧内部的中性粒子吸收了激光能量，中性粒子发生电离，电弧中的带电粒子数目增多，电弧能量密度集中．激光电弧增材制造具有更高的热输入，熔滴更容易铺展，导致在激光电弧增材制造得到的杆件直径均大于0 W时电弧增材制造得到的杆件直径，如图5所示．10.13245/j.hust.221207.F006图6不同激光功率下的杆件温度场图(色标单位：℃)3.2　激光参数对杆件表面粗糙度的影响由杆件表面粗糙度方差分析可知：在激光功率、脉冲频率和激光占空比3个因素中，激光功率对杆件表面粗糙度的影响最大．图7为激光频率为60 Hz，占空比为45%，不同激光功率下电弧增材制造杆件的粗糙度，当激光功率分别为0，150，250，350，450和550 W时，所得的激光电弧增材制造不同试样表面粗糙度的变化趋势．当激光功率从150 W到250 W变化时，成型杆件表面的粗糙度不断下降，杆件表面粗糙度最低为6.23 μm，相比激光功率为0 W时电弧增材制造的8.47 μm有明显减小．在激光功率从250 W到550 W不断增大的过程中，杆件表面粗糙度不断增大．10.13245/j.hust.221207.F007图7不同激光功率下杆件粗糙度图8(a)为电弧增材制造铝合金杆件熔滴过渡照片，当激光功率为150～250 W时，由于电弧能量密度相比激光功率为0 W时电弧能量密度更为集中，使成型杆件获得更大的热输入，熔滴铺展性增强，从而使成型杆件获得了小的表面粗糙度(如图8(b)所示)．10.13245/j.hust.221207.F008图8杆件成型熔滴过渡及成型示意图在激光功率从350 W增加到550 W激光电弧增材制造过程中，电弧能量密度相比激光功率为0 W时有大幅度的提高，此时，成型杆件获得更大的堆积热输入，熔滴具有较高的温度，表面张力小，流动性好，熔滴在重力作用下极容易发生流淌[15] (见图8(c)第n+1层)，当进行图8(c)第n+2层的堆积时，由于前一层凝固金属的支撑作用，n+2层的熔滴受到额外的支撑力作用，不再发生流淌，这种局部流淌使成型杆件表面粗糙度较大(见图7)．另外，一旦激光功率过大，熔滴的流淌现象将加剧，直接导致杆件宏观上的坍塌缺陷(见图8(d))．由上述分析可知：小功率的激光能够增强电弧能量密度，提高熔滴的铺展性，从而起到提高杆件表面精度的作用；在大功率激光作用下，增材制造杆件过程中熔滴流动性过大，流动不规则，导致成型杆件粗糙度增加，这说明只有合适的激光功率才能保证杆件获得足够好的表面精度．3.3　激光参数对杆件抗拉强度的影响由杆件抗拉强度方差分析可知，在激光功率、脉冲频率和激光占空比3个因素中，脉冲频率对杆件抗拉强度影响最大．图9为激光功率为250 W，占空比为45%，激光脉冲频率分别为0，20，40，60，80和100 Hz时所得的激光电弧增材制造铝合金杆件的抗拉强度．由图9可知：在激光频率从20 Hz变化到100 Hz的过程中，杆件抗拉强度先增高后降低，当激光频率为60 Hz时，所获得的杆件的抗拉强度最大达到235.28 MPa，较0 Hz时电弧增材制造获得杆件的抗拉强度提高了25.33%．10.13245/j.hust.221207.F009图9不同脉冲频率下杆件抗拉强度研究发现氢气孔是影响电弧增材制造2319铝合金杆件强度的主要因素[16]．图10分别为激光脉冲频率为0，40，60和100 Hz试样内部气孔分布，采用Image-proplus软件计算得到的气孔率见表5．可以看出，激光频率对杆件内部气孔含量有较大影响，当激光脉冲频率为60 Hz时，激光电弧增材制造所获得的杆件内部气孔数量最少．当激光脉冲频率为100 Hz时，激光电弧增材制造所获得的杆件内部气孔情况与0 Hz时电弧增材制造所获得的杆件相差较小．10.13245/j.hust.221207.F010图10不同脉冲频率下杆件内部气孔分布10.13245/j.hust.221207.T005表5不同脉冲频率下气孔率脉冲频率/Hz04060100气孔率/%3.130.920.653.71图11为不同激光脉冲频率下激光电弧增材制造杆件熔滴内部流动情况．当激光脉冲频率为0 Hz时，熔滴内部中心区域金属液温度高于熔滴表面金属液温度，中心区域金属液具有较小的表面张力[17]，熔滴中心区域金属液趋向于向熔滴两侧流动，此时熔滴内部金属液的流动如图11(a)所示，最大流速为0.55 m/s．当激光脉冲频率为40 Hz时，由于脉冲激光的周期性作用，激光使电弧能量密度处于集中与分散的不断变化中，熔滴受到电弧力横向周期性挤压，内部金属液流动发生明显变化，如图11(b)所示，金属液之间产生对流振荡，熔滴内部流速增大，最大流速为0.84 m/s，熔滴内部的铝合金气孔有更大的流动速度，促进气孔溢出，减小了铝合金杆件内部气孔率(如图10所示)．10.13245/j.hust.221207.F011图11不同激光脉冲频率下熔滴流场(色标单位：m/s)当激光脉冲频率为60 Hz时，金属液之间因对流产生的振荡幅度加剧，熔滴内部金属液流速(v)增大，熔滴内部最大流速达到1.72 m/s．当激光脉冲频率为100 Hz时，脉冲激光峰值作用时间过小，难以使电弧能量密度集中，熔滴内部金属液流动规律与0 Hz时相比没有发生明显变化，使激光脉冲频率为100 Hz时的铝合金杆件内部气孔含量与0 Hz时气孔含量没有明显区别．须要指出的是，0 Hz时熔滴内部最大流速为0.55 m/s，40 Hz时熔滴内部流速增大为0.84 m/s，而当激光脉冲频率为60 Hz时，熔滴内部最大流速达到1.72 m/s．相对而言，当从40 Hz增加至60 Hz时，熔滴内部流速变化极大，气孔率反而变化较小，这是因为熔池内部气孔率除了与熔滴内部流速有关，还与脉冲激光峰值作用时间有关．脉冲频率过大，脉冲激光峰值作用时间有限，气孔还未来得及充分溢出，导致与40 Hz时气孔相比，气孔含量减少，但降低幅度有限．铝合金抗拉强度与内部气孔含量呈负相关关系．因此，当激光脉冲频率为60 Hz时，杆件内部气孔含量最少，铝合金杆件抗拉强度最高(如图9所示)．综合上述分析表明，不同激光脉冲频率作用下，激光电弧增材制造主要是通过合适的脉冲激光对熔滴内部流动性的调控作用，使熔滴内部金属液流动加快，气孔有更快速度逸出与合并，从而改善铝合金杆件力学性能．4 参数优化与点阵结构制造选取杆件直径、表面粗糙度和抗拉强度同时作为目标对象，进行多目标协同迭代寻优计算，使激光电弧增材制造的杆件同时具有较高的直径成型精度、较低的表面粗糙度及较高的抗拉强度．电弧增材制造杆件直径为3 mm的铝合金点阵模型如图12所示．基于表1的响应指标值，利用Design-Expert软件迭代计算1 000次后，得到优化后的工艺参数：激光功率为353 W，脉冲频率为60 Hz，占空比为34%．10.13245/j.hust.221207.F012图12点阵模型图(mm)以上述优化后的工艺进行激光电弧增材制造，获得铝合金点阵实物照片如图13所示．测量杆件直径和表面粗糙度如表6所示，从表6可以看出：最大杆件直径为3.11 mm，与设计值相差不超过0.11 mm，最大杆件表面粗糙度为7.33 μm．用上述优化后的工艺打印铝合金杆件，测得抗拉强度为218.62 MPa，高的抗拉强度归因于铝合金杆件内部气孔率较低为1.49%，如图14所示，表明激光电弧增材制造技术可用于打印具有较高的直径成型精度和较低的表面粗糙度的点阵结构，且点阵杆件抗拉强度较高，点阵结构呈现良好的综合性能．10.13245/j.hust.221207.F013图13点阵结构实物照片10.13245/j.hust.221207.T006表6杆件直径与表面粗糙度测量数据参数杆件编号12345678直径/mm3.083.083.023.093.083.103.073.11粗糙度/μm7.037.167.277.247.056.637.157.3310.13245/j.hust.221207.F014图14优化工艺下杆件内部气孔图5 结论利用Box-Benhnken响应面法研究了激光参数对激光电弧增材制造铝合金杆件的成型精度与性能影响，可以得出以下结论．a．对铝合金杆件直径影响最大的是激光功率，其次是激光占空比，激光脉冲频率对杆件直径的影响最小．激光使杆件直径相比0 W时电弧增材制造杆件直径增大，其主要原因是激光使电弧能量密度集中，杆件成型过程中的热输入增加．b. 对铝合金杆件表面粗糙度影响最大的是激光功率，其次为激光频率，影响最小的是激光占空比．当激光功率为250 W时，能够使电弧能量密度集中，熔滴铺展性增强，杆件表面粗糙度最小．当激光功率为350～550 W时，电弧能量密度过于集中，使熔滴温度过高，熔滴流动无序，杆件表面粗糙度增大．c. 对铝合金杆件抗拉强度影响最大的是激光脉冲频率，其次为激光功率，影响最小的是占空比．当激光脉冲频率为60 Hz时，激光电弧增材制造铝合金杆件具有较高的抗拉强度，其主要是增加了熔滴内部气孔的流速，使气孔逸出充分，减少了铝合金杆件内部的气孔数量．d. 通过多目标协同迭代寻优计算，优化出电弧增材制造杆件直径3 mm的铝合金点阵激光参数为：激光功率为353 W，脉冲频率为60 Hz，占空比为34%，在该工艺下进行激光电弧增材制造，打印出的点阵杆件直径为3.11 mm，与设计值相差不超过0.11 mm，表面粗糙度为7.33 μm，抗拉强度为218.62 MPa．