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摘 要：针对铝合金熔体沉积增材制造中铝合金液流断续随机性变化、断续形貌等参数难以控制和预测的现存问题，采用理论分析与试验研究相结合的方法，对铝合金液流断续过程中的断续形貌及其影响因素脉冲压力、脉冲频率等进行了研究，揭示了断续形貌长度分布规律。结果表明：通过调节脉冲气压和脉冲频率，可以提高铝合金液流断裂的形态精度和尺寸精度，可为后续制造过程提供稳定的均匀微滴流。
关键词：铝合金熔体；断续沉积；脉冲压力；脉冲频率；沉积形貌
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.035
铝合金熔体沉积3D打印技术是上世纪90年代初兴起的一种新型铝合金零件快速成型技术，该技术基于离散/堆积原理，通过控制铝合金熔体沉积轨迹，进行逐点、逐层沉积，直至成形出复杂零件[1]。
目前，对该技术的研究主要通过试验与数值模拟两种方法对进行。一方面，采用试验研究的方法探索均匀液滴喷射的机理。国内北京有色铝合金研究总院为了探索新型无铅焊料在电子封装上的应用[2]，采用连续式均匀液滴喷射技术，研究毛细波动对铝合金射流断裂的影响[3]，测量了铝合金锡熔体在不同喷嘴直径下的压力-速度曲线，并研究了表面波波长和激振频率的关系，制备了均匀焊料颗粒（Sn-4.0Ag-0.5Cu）。目前国内外已有研究多注重铝合金喷射与熔滴形态变化的分析，并未结合铝合金液流和熔滴速度与脉冲变化进行系统研究。通过研究铝合金熔体沉积速度和脉冲压力等物理场的变化，选择合适的沉积参数，提高熔滴的精度仍然是均匀熔滴沉积技术需要解决的重要问题。
本文采用理論与试验相结合的研究方法，建立了铝合金熔体断续沉积简化解析模型，分析了在脉冲压力作用下铝合金熔体沉积的影响因素和动态变化规律。
1 铝合金液流断续特性数值分析
1.1 模型建立及工艺参数分析
假设铝合金熔体液流为不可压缩的流体，且液流过程无热损失。密度为ρ，表面张力为σ，喷嘴内孔为圆形，半径为D0。以液流轴线为对称轴建立坐标系，液流方向为z正方向。当对液流施加轴向方波脉冲压力时，铝合金液流仍会保持轴对称状态，但内部会产生压力波动。在压力波动与铝合金表面张力的作用下，铝合金液流会产生劲缩、断续形态，逐渐形成直径为D的圆球，如图1所示。
1.2 铝合金液流熔滴断续分析
图2为典型的铝合金熔体液流沉积形态演变过程。由图可知，整个过程可分为铝合金液流挤出、颈部收缩、熔滴成形及沉积铺展四个阶段。在铝合金液流挤出阶段，对熔融铝合金施加正向压力，使得坩埚内部压强迅速上升，熔融铝合金向下运动，坩埚底部的腔体区域压强最大，熔融铝合金通过喷嘴挤出，如图2（b）所示。在颈部收缩阶段，脉冲压力停止加压，坩埚内部整体压力减小，喷嘴处熔体压力的陡然减小导致铝合金液流产生局部颈缩。而喷嘴外部的熔体柱则继续下落，铝合金熔体形状初步形成，如图2（c）所示。第三阶段为熔滴成形阶段，随着铝合金熔体下落及腔体内熔体的回流，喷嘴内铝合金熔体回流速度逐渐增大。最终，铝合金熔体脱离空腔内液体，形成独立铝合金熔体，断续过程2（d）所示。铝合金熔体断续之后，由于自身表面张力作用，逐渐形成圆球形，如图2（e-g）。第四阶段为铝合金熔体沉积成形阶段，随着下落进行，在铝合金粘性的表面张力作用下，铝合金熔体头部速度逐渐增大，尾部速度逐渐减小。在整个下落过程中，铝合金熔体头部和尾部的速度差逐渐地减小，最终铝合金熔体达到较为稳定的状态，成为一个近似圆形的球体，具体如图2（h）所示。
2 不同工艺参数对熔滴成形实验验证
2.1 脉冲压力P对熔滴成形的影响
铝合金液流断续沉积过程中脉冲压力的选择与喷嘴直径、铝合金熔体与喷嘴材料的润湿性及熔体加热温度等因素有关。当脉冲压力小时，铝合金熔体不会从喷嘴挤出，此时必须加大脉冲压力从而使坩埚内压力增大，能够使铝合金熔体克服表面张力从喷嘴挤出形成熔滴；当脉冲压力过大时，铝合金熔体的表面张力不足以克服重力，熔体会直接从喷嘴流出，此时需要施加负压，即：坩埚中的压力要小于外界（手套箱）的压力，才能够保证铝合金液流能够稳定的流出并断续形成熔滴；熔体温度对其粘度有较大的影响，如果铝合金熔体过热，其粘度就会降低，在较小的脉冲压力下，铝合金熔体就会从喷嘴处流出；坩埚、喷嘴材料与铝合金的润湿性也是决定熔滴能发成形的关键因素之一。实验条件：脉冲频率30Hz，喷嘴直径0.4mm，熔体温度550K，脉冲压力对熔滴成形的影响如图3所示。
从图3可以看出，脉冲压力对铝合金熔体成形有较大的影响。随着脉冲压力增大，熔滴直径显著增加。这主要是由于随着脉冲压力的增加，坩埚内压力也在增大，从喷嘴处流出的熔体体积增大，熔体的流速增加。
2.2 脉冲频率f 对熔滴成形的影响
脉冲频率对制件的成形效率有一定的影响，保持其他实验条件不变：脉冲压力0.4MPa，喷嘴直径0.6mm，熔体温度550K，不同脉冲频率对熔滴成形的影响如图4所示。从图中可以看出，脉冲频率对熔滴成形的尺寸没有明显的影响。但是过高的脉冲频率不容易控制，给成形过程提出更高的要求。
3 结论
（1）分析了铝合金液流受脉冲气压断续为均匀熔滴的行为机理，建立了铝合金液流控制方程，研究了在微小杂质的干扰下，铝合金液流易产生偏斜，增大脉冲气压减小了铝合金液流的偏斜角，但仅依靠增大气压无法完全消除局部杂质的干扰。通过净化装置，原材料去杂，有效防止了杂质对液流偏斜的影响。
（2）铝合金熔体成形过程主要受喷嘴直径、脉冲压力和脉冲频率的影响，通过改变以上实验参数可以获得不同尺寸熔滴，得出：熔滴直径是喷嘴直径的1-2倍，增大脉冲气压，铝合金熔体尺寸明显增大，而脉冲频率对熔滴成形的尺寸没有明显的影响。
参考文献：
[1]左寒松，李贺军，齐乐华等.Sn63-Pb37合金微熔滴沉积成形过程中缺陷形成机理研究.稀有铝合金材料与工程，2013（42）：1596-1600.
[2]徐林峰.均匀液滴液流微制造技术基础研究[D].西北工业大学， 硕士学位论文，2005：13-16.
[3]杨观，齐乐华，罗俊，曾祥辉，杨方.均匀液滴液流成形中微熔滴关键参数在线检测系统[J].仪器仪表学报，2009，30（03）：590-595.
项目来源：陕西国防工业职业技术学院院级课题（编号：Gfy17-02）
作者简介：刘伟（1982-），男，湖北麻城人，硕士，副教授，陕西国防工业职业技术学院机械研究所所长，主要从事机械专业相关领域的教学和科研工作。endprint
