经过多年的快速发展，现有的金属增材制造技术已经可以方便快捷地制造复杂金属零件，商业化程度较高的激光增材制造工艺已在航空航天、生物医用和汽车制造等多个轻量一体化制造领域成功应用[1]．但是与传统的金属减材或等材制造技术相比，金属增材制造技术还存在设备成本高、成形尺寸受限、成形效率低、材料适用性差、工艺参数匹配困难和热积累严重等问题[2]．作为一种新型先进制造技术，与其他增材制造技术相比，电弧增材制造在成形件复杂性与表面质量方面对比有劣势，但其在沉积效率、制造成本、成形性能及尺寸等方面具有显著优势[3]，而且对平台和材料适应性较好，在制造高价值大型金属零件方面显示出巨大应用潜力[4]，引起广泛研究．由于电弧增材制造具有长工艺循环时间和基于电弧的高热输入沉积的特点，难以控制的制造工艺可能导致成形质量的不确定[5]，因此探索过程可控的增材制造方法是必要的和有意义的．很多研究将辅助能场(如激光、超声、电磁等)施加到电弧熔积过程中，以期望对零件质量、功能和工艺产生影响．在诸多辅助能场中，电磁场具有易控、柔性和无接触等优点，可以直接对熔池进行调控，且其对成形自由度没有影响．电磁辅助控制技术已广泛应用于传统制造业，如冶金[6]、焊接[7]和热处理[8]等．而在传统焊接领域中，电磁场有两种主要应用．第一种是垂直于熔积方向与焊枪方向的横向磁场，可以改变熔池流动方向，抑制高速焊接驼峰[9]；第二种是与焊枪同向的纵向磁场，通过向电弧和熔池施加洛伦兹力，可以影响电弧强度和能量通量，驱动电弧和熔池旋转运动[10]，控制焊道成形．电磁辅助技术在传统焊接中展现的优异焊接成形[11]和机械性能[12]，已在新兴的金属增材制造领域获得越来越多的关注．Wu等[13]分析了高速熔化极惰性气体保护焊(GMAW)焊接驼峰的形成机理，提出了辅助横向磁场驼峰抑制方法[14]，通过横向辅助磁场在高速焊接过程中调节电弧和熔滴的横向和向后摆动；与普通自由熔积相比，实现了厚度3 mm低碳钢板2.0 m/min的高速焊接[15]．文献[16]提出了一种在钨极惰性气体保护焊(GTAW)过程中电磁收缩电弧的装置，能够将横截面从圆形变为椭圆形(拉长)．实验结果表明，这种电弧收缩在电弧增材制造中的应用，除了提高工艺效率和促进微结构晶粒细化效果外，还使熔敷件的几何形状更加规则．Zhang等[17]研究了外加纵向磁场对激光-熔化极气体保护焊复合焊接中电弧和熔滴过渡行为的影响，结果显示电弧在外加纵向磁场作用下旋转和扩展，使电弧刚度大大提高，电弧抵抗激光等离子体吸引的能力增强．随着磁感应强度的增大，焊接电流和电压的稳定性增强，峰值电流较无磁场时减小，电磁力的增大导致液滴直径和传输周期明显缩短．在纵向磁场辅助电弧增材制造领域，诸多研究者从电弧形貌、熔池流动及成形质量等多个方面对电磁场的应用展开了研究．Meng等[18]研究发现，将纵向磁场应用于铝合金的电弧增材制造(Wire and arc additive manufacturing，WAAM)中，纵向磁场对熔池的电磁搅拌效应可以破坏枝晶并细化晶粒，这有利于提高成形零件的性能．Wang等[19] 研究发现，纵向磁场可通过改善层间平整度，显著改变焊道形态，降低润湿角，改善电弧增材制造中多层熔覆的表面质量．周祥曼[20]实验研究了外加纵向稳态磁场对低碳钢电弧增材成形零件表面质量和力学性能的影响，结果显示在电弧增材制造中应用纵向磁场可以提高焊道的纵横比，宽而平的焊道横截面可以提高搭接质量；纵向磁场带来的电磁搅拌作用还能够细化晶粒，减少熔积缺陷，改变铁素体和珠光体的占比，提升力学性能．综上所述，纵向电磁辅助电弧熔积成形具有以下作用：a．改变电弧形态，在施加纵向磁场后，电弧中等离子体的分布发生变化，由单峰高斯分布变化为双峰高斯分布；b．改变熔池形态，外加纵向磁场可以使熔池的流动从发散式流动变为定向旋转流动；c．调控焊道形貌，纵向磁场可以提高焊道的纵横比，宽而平的焊道横截面可以提高搭接质量；d．改善微观组织，纵向磁场带来的周向搅拌可以破碎枝晶，调控微观组织，改善力学性能．在电弧增材制造过程中，流淌现象是一种常见的棘手问题，常见于边缘焊道支撑不足而导致流淌的情况．流淌现象由于其难以通过下一层的参数控制而改善，只能通过减材后再进行增材而解决，效率低下且容易造成未熔合等缺陷；只能通过加大毛坯，在成形后通过铣削成形最终零件，边缘焊道通常作为铣削加工作用域而被浪费掉，容易造成材料利用率低下，抑制增材制造优势的发挥，因此有必要对边缘焊道流淌的抑制手段进行研究．1 试验平台及方案1.1　试验平台电磁-电弧复合沉积制造(hybrid magnetic and deposited manufacturing，HMDM)原理如图1所示，电弧熔积平台采用六自由度机器人增材制造平台，励磁电源提供稳定的连续电流，轴向线圈套在焊枪中，为熔池施加辅助纵向磁场．10.13245/j.hust.241203.F001图1纵向电磁辅助增材制造工艺示意图1.2　试验方案使用碳含量(质量分数)不超过0.20%的Q235b钢作为基体材料，基底厚度为10 mm．增材制造过程中清理表面污垢和氧化皮，避免环境影响和形貌误差．选用直径为1.2 mm的ER50-6低碳钢丝作为线材，标准分类为GB/T 8110 ER50-6ISO，主要元素见表1．10.13245/j.hust.241203.T001表 1焊丝元素主要成分质量分数CMnSiPSCuNi规格0.060～0.1501.400～1.8500.800～1.150≤0.025≤0.025≤0.500≤0.150实测0.0681.4900.9000.0180.0150.1240.026%焊机的工作模式为直流脉冲模式，保护气采用二氧化碳/氩气混合气．电压为220 V，电流为26.5 A，保护气为80%Ar+20%CO2(体积分数)，送丝速率为7 200 mm/min，焊接速率为600 mm/min，枪板距为10 mm．本研究采用的励磁线圈长度为50 mm，内径为22 mm，外径为50 mm，励磁电流为直流电[21]，电压为100 V，电流为0.8 A，磁场强度为14 mT，励磁间距为10 mm，励磁角度为90°．2 试验结果及讨论2.1　纵向磁场对焊道形貌的影响本研究采用线激光采集成形件形貌．在形貌三维反求时，将线激光器夹持在焊枪上，随着机床的运行，传感器和电荷耦合器件(CCD)相机相配合对成形件形貌进行点云数据的反求扫描，扫描结束后即可对点云数据进行处理．如图2所示，通过去噪、切割、坐标转换、均值化和二维化等三维形貌点云数据处理过程，从而获得目标的形貌尺寸数据，实现增材制造过程中的三维反求检测．10.13245/j.hust.241203.F002图2点云数据处理流程图3为磁场对焊道宽度、高度和倾角的影响示意图．当焊枪垂直于基板时，焊道轮廓是对称的，此时左右倾斜角是相等的．当施加辅助磁场时，焊道将向左或向右移动，此时左倾斜角和右倾斜角之间存在显著差异，可以发现熔池中纵向磁场和径向电流之间的相互作用产生洛伦兹力，从而影响焊道的形貌，使其由对称转变为不对称分布．10.13245/j.hust.241203.F003图3焊道形貌对比示意图当励磁电流为0.8 A时，焊道轮廓发生显著变化；纵向磁场可以将焊道推到另一侧，使其更宽、更平．采用前文中的点云数据处理方法对其进行处理，而且采用顶点和重心偏移来对焊道的偏移进行表征．如图4所示，焊道的宽度和高度(BC和AO)以及顶点(A点)和重心(F点)的位置用作表征量．10.13245/j.hust.241203.F004图4焊道偏移模型重心偏移率μm和顶点偏移率μH如下式所示：μm=GYB/GYC';(1)μH=O'B/O'C',(2)式中GY为焊道轮廓重心Y轴位置．提取图3所示焊道宽高、倾斜角和顶点重心的偏移率作为焊道轮廓的参数，电弧增材制造和电磁-电弧复合沉积制造成形的焊道参数对比见表2．可以发现纵向磁场可以使焊宽W增加，焊高H降低．由于搅拌力的不对称分布，左右焊道润湿角ALI和ARI也不再相等，重心偏移率RH和顶点偏移率RM也将偏离1．10.13245/j.hust.241203.T002表2磁场对焊道形貌参数的影响方式H/mmW/mmALI/(°)ARI/(°)μmμH自由熔积2.879.4848.3347.401.010.94电磁辅助2.7910.2741.3738.351.030.792.2　纵向磁场对熔池流动的影响电弧增材制造相比于传统电弧焊接最大的不同点在于增材制造过程中存在单个焊道元素搭接叠加而成形的过程，即单个焊道通过道间搭接形成层，层重叠进而形成体．在该重复循环过程中，焊道的搭接质量对最终成形构件质量有直接影响．2.2.1　纵向磁场对搭接质量的影响由于纵向磁场促使熔池发生周向流动，焊道会因而变得平坦，这将减低搭接沟深度，显著提高焊道上表面质量．从几何角度来看，尽管焊道的左右倾斜角不同，但无论焊道偏移方向和搭接方向是否相同，搭接表面质量应相同．而实际实验中，由于电磁搅拌力的影响，熔体流动从收缩流动转变为周向流动．由于金属液将在熔池后端凝固，因此在搭接过程中，金属液将被环流驱动到另一侧．当磁场方向不同时，环向流动也将不同，这对搭接质量的影响亦将不同，须要对其进行进一步分析．如图5所示，ABC为首道焊道轮廓顶点和下边界点，DE为搭接焊道顶点和下边界点，F为几何轮廓交接点，M为实际轮廓交接点．正向磁场辅助代表纵向磁场对搭接质量而言为正向影响，搭接方向和偏移方向不同，在本文中该辅助磁场方向称为正向磁场．反向磁场辅助代表纵向磁场对搭接质量而言为负向影响，搭接方向和偏移方向不同，称为反向磁场．红色箭头表示焊道的不对称偏移方向，黑色实线表示首道焊道轮廓，黑色虚线表示未考虑搭接填充效应时的搭接焊道轮廓．10.13245/j.hust.241203.F005图5焊道不对称偏斜搭接示意图为了分析增材制造过程中纵向磁场对熔池流动的影响，通过电弧熔池弱耦合方法[20]来研究纵向磁场对电弧熔池中电磁力分布及熔池形态变化的影响．2.2.2　熔池流动模型搭接熔池几何模型与网格模型如图6所示．电弧熔池弱耦合方法首先进行电弧磁流体仿真模拟，在计算结束后存在电弧压力、表面剪切力、电磁力和净热流等电弧对熔池的影响因素．然后当进行熔池金属输运仿真模拟时，通过数据传递的方法加载电弧的影响．采取电弧熔积过程中熔滴生成、下落、震荡的一个周期作为研究对象进行模拟．10.13245/j.hust.241203.F006图6熔池几何模型与网格模型流体连续性方程为∂ρ/∂t+∇∙(ρV)=Smass；(3)流体动量守恒方程为∂(ρV)/∂t+∇∙(ρVV)=-∇p+∇∙τ+ρg+SM;(4)流体能量守恒方程为∂ρH/∂t+∇(ρVH)=∇∙((k/cp)∇H)+SE，(5)式中：ρ为密度；t为时间；V为速度矢量；p为压强；τ为黏性剪切张量；H为焓；cp为比热容；k为热传导系数；Smass为质量源项；SM为动量源项；SE为能量源项．首先利用FLUENT软件进行电弧仿真模拟，计算结束后将电弧影响通过FLUENT UDS(用户定义标量)插值导入熔池仿真模型．其中稳态的电弧模型采用SIMPLE方法来求解其压力速度耦合问题，瞬态的熔池模型采用PISO方法来求解其压力速度耦合问题．电磁力作为体积力作为动量源项进行动量守恒方程直接求解．而电弧压力、表面剪切力、表面张力及Marangoni剪切力等表面力须通过连续表面力(CSF)方法转换为电弧熔池交界面中金属一侧网格单元体积力，通过动量守恒方程进行求解．电弧对熔池的净热流采用联系表面力方法进行映射至界面网格并作为能量源项进行能量守恒方程求解．如图7所示，IJLK以上的空气域，ABHG顶部为1 000 K，其他外部温度边界设置法向热流密度为零，设置所有空气边界为压力边界．10.13245/j.hust.241203.F007图7熔池模型边界条件2.2.3　熔池流动分析提取在纵向磁场辅助电弧搭接熔积中X方向和Y方向的电磁力与速度场分布以分析纵向磁场对熔池流动的影响．如图8所示，路径1为焊道宽度Y方向，具体为点A(0，5，0) mm至点B(0，-5，0) mm；路径2为熔积X方向，具体为点C(-10，0，2) mm至点D(5，0，-1) mm．10.13245/j.hust.241203.F008图8熔池模拟结果提取路径示意图(mm)提取在纵向磁场辅助电弧搭接熔积中X方向和Y方向(即如图8所示的路径1和路径2)上的电磁力Fg分布如图9所示．相比于自由熔积，外加磁场辅助下，熔池中的电磁力分布为双峰分布．正向磁场辅助下，熔池中的电磁力后端峰值较大，这表明后端的流动更加剧烈，可以改善搭接形貌．反向磁场辅助下，熔池中的电磁力双峰分布较为均匀，这表明熔池的环向流动更加明显．10.13245/j.hust.241203.F009图9电磁力分布图10~12为一个熔滴滴入并冲击熔池周期内不同时刻的熔池温度场及速度矢量分布．随着熔滴射入熔池，熔池中金属向四周及底部冲击，继而回弹反复．模拟结果显示：在电弧增材制造典型的搭接成形环境中，通过改变纵向磁场的方向可以改变熔池后端金属的流动．正向磁场带来的涡旋会侵蚀被搭接焊道，熔池也向被搭接侧扩展，由于电磁力带来的动量和能量，熔池中的最大速度会略大于自由熔积．反向磁场会促使熔池远离被搭接焊道，即熔池向外侧扩展．正向磁场作用下熔池的环向流动促使熔池后端金属靠近被搭接焊道，反向磁场作用下熔池后端金属远离被搭接焊道．10.13245/j.hust.241203.F010图10自由熔积熔池温度场和速度矢量分布10.13245/j.hust.241203.F011图11正向磁场辅助熔池温度场和速度矢量分布10.13245/j.hust.241203.F012图12反向磁场辅助熔池温度场和速度矢量分布如图13所示，当正向纵向磁场熔积时，顺时针的电磁搅拌可以使后端熔池向搭接区域流动，最终抑制流淌的发生，改善搭接质量．而当反向纵向磁场熔积时，逆时针的电磁搅拌会使得后端熔池远离搭接区域，促进流淌的发生，这将对边缘焊道质10.13245/j.hust.241203.F013图13纵向磁场对搭接熔积过程的影响示意图量起到负面作用．2.3　边缘焊道熔池平衡机理边缘焊道作为增材制造成形过程中的一种典型特征，其成形时熔池支撑与在其他部位成形时有很大区别，受重力影响较大，当表面张力不足以约束熔池内液态金属时，极易在无支撑侧形成垮塌．在电弧熔积制造中，焊道成形形貌受到已成形区域即成形母材形貌的影响，成形中熔池受到重力G、电弧冲击力Fd、熔滴冲击力Fa、表面张力∑σ和已成形区域支撑力FN的约束，如图14所示．10.13245/j.hust.241203.F014图14边缘焊道受力分析在电弧熔积成形过程中，重力和冲击力为促进熔池不稳定的力，表面张力和支撑力为抵抗熔池垮塌的力．在固液交界面处熔池表面张力所引起的附加压力pA可以向熔池中心收缩熔池．当已成形区域支撑力与表面张力的合力不足以支撑熔池重力及电弧和熔滴的冲击力时，熔池将向无支撑侧发生流淌，形成局部垮塌．2.4　纵向磁场对边缘焊道流淌的影响根据文献[22]的研究，已知纵向磁场可以通过搅拌熔池达到偏移焊道的效果，在此对纵向磁场在增材制造过程中边缘焊道流淌的抑制效果进行分析，为边缘焊道的良好成形提供可能途径．分析基于纵向磁场对熔池的侧向推动效应的边缘焊道流淌抑制方法，为了展现熔池的流动演变过程，在成形过程中提取某一时间段内的熔池流动过程进行分析，如图15所示．在自由熔积过程中，正常流动状态下熔池形状和尺寸保持稳定，呈现“前小后大”的特点．由于熔池和电弧(质量源和能量源)的相对运动，因此熔池整体表现为向后冲刷的流动．为了模拟实际增材制造过程中的边缘焊道流淌现象，设计四道四层的试块，当第五层边缘焊道(第一道)成形时，设计其单位时间质量输入增大至1.67倍正常成形(即成形速率减慢为60%)，人为实现重力导致的边缘焊道流淌．10.13245/j.hust.241203.F015图15自由熔积时边缘焊道熔池正常流动过程示意图由图16(a)可知：当在1.67倍单位时间质量输入时，边缘焊道出现明显流淌，其流淌瘤周期性出现，这是由于在自由熔积下，除了重力没有其他力来破坏熔池内液态金属的表面张力约束下的流动，其将周期性地流淌-正常成形-流淌．加入消极纵向磁场后，熔池的外溢流淌更加严重，且无周期性．图16(b)显示：消极的正向纵向磁场将破坏自由熔积的正常成形阶段的熔池流动，促使熔池向悬空侧流动，致使其流淌不存在周期性凸出，而是呈现持续外溢的情形．图16(c)显示：当熔池中为积极反向纵向磁场时，由于辅助磁场对熔池的向内推动，因此熔池在凝固前远离悬空侧，这种积极的熔池推动可以控制熔池的外溢流淌，从而形成悬空焊道的较好形貌．10.13245/j.hust.241203.F016图16磁场辅助流淌抑制效果示意图进一步地，为了验证纵向磁场偏移效果对边缘焊道流淌的抑制作用，有必要对纵向磁场对熔池流动的影响过程进行观察和分析．因此在成形过程中使用红外热像仪检测熔池流动．由图17可见边缘焊道熔池流淌的循环过程为：a．熔池流淌，熔池内短暂出现无液态金属空白阶段；b．原有熔池区域内继续输入质量，出现新熔池，并持续长大；10.13245/j.hust.241203.F017图17当自由熔积时边缘焊道熔池流淌过程示意图c．熔池向后流动，形成新的饱满熔池；d．熔池内质量超出表面张力所能约束的最大体积，熔池出现流淌．基于流体力学与导致边缘焊道出现流淌的原因如下：当熔池中的液态金属超过表面张力所能约束的最大体积时，将突破边缘焊道外侧(无支撑侧)的支撑薄弱点，形成流淌，且其流淌主要呈现向后冲刷的流动特点．为了更加清晰地区分纵向磁场的方向对边缘焊道熔池流动的影响，将最终成形形貌较好的情况定义为积极搅拌，将形貌变差的情况定义为消极搅拌；即在电磁搅拌方向促进边缘焊道熔池流动向外侧时，其搅拌对边缘焊道的成形是消极的，更容易使边缘焊道向外侧流淌(如图18所示)，可以发现电磁消极搅拌造成的熔池外溢流淌和自由沉积时的流淌是不同的．首先，由于外加磁场造成的熔池侧向力的影响，因此在表面张力薄弱处更早形成突破，即熔池流淌突出部更大更圆润，具体可见图16所示的实验结果．其次，由于纵向磁场形成的这一侧向搅拌力，会致使其新的熔池不会收缩再发育扩大，而是持续向后冲刷，这导致在纵向磁场的“刺激”下，熔池外溢的突出部更加密集且整体呈现连接起来的现象．10.13245/j.hust.241203.F018图18当电磁消极搅拌时边缘焊道熔池流淌过程示意图由图19可知：当在电磁搅拌方向促进边缘焊道熔池流动向内侧时，其搅拌对于焊道成形是积极的，可以促使待凝固区域的熔池在凝固前向内侧流动，进而抵制重力影响，抑制由于表面张力不足造成的流淌．10.13245/j.hust.241203.F019图19当电磁积极搅拌时边缘焊道熔池流动示意图综上所述，在自由熔积成形中，熔池主要呈现向后冲刷的流动，当质量输入超过熔池承载时，将在表面张力薄弱处发生外溢流淌．电磁消极搅拌会加重边缘焊道的熔池外溢流淌，而电磁积极搅拌可以抑制这种外溢流淌，改善边缘焊道成形形貌．因此，在电弧增材制造成形中的边缘焊道、少支撑等极端成形条件下，纵向磁场可以抑制熔池流淌，控制成形形貌．3 结语纵向磁场可以显著改变熔池的流动模式，使熔池发生强烈环向流动，但由于熔池温度的不均匀分布，因此其电磁力亦呈现不对称不均匀分布．与自由熔积相比，纵向磁场带来的不均匀电磁搅拌力导致焊道偏移效应，致使焊道形态不对称分布，这种焊道偏移效应可应用于边缘焊道的控制成形．通过推动焊道远离悬空侧，方向正确的纵向磁场可以抑制边缘焊道流淌现象，调控成形形貌，慢速熔积成形实验结果验证了该结论．