大功率激光立體成形熔道幾何參數量化模型

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(1.浙江工業大學 激光先進制造研究院,浙江 杭州 310014;2.浙江省高端激光制造裝備協同創新中心,浙江 杭州 310014)

激光立體成形(LSF)技術結合自由實體成形與同步送粉激光熔覆的高性能熔覆沉積技術特征,是一種先進的數字化增材制造技術[1],具有熱輸入小、應力和變形小等特點[2],廣泛應用于金屬零件的增材制造和修復等方面。不銹鋼金屬激光立體成形零件大多在2 000 W以下激光條件下成形[3],成形過程中激光掃描速度慢、成形時間長等問題嚴重制約了該技術的推廣及應用;在3 000 W以上大功率的條件下,通過優化工藝參數,提高成形速度,能有效縮短成形時間。激光立體成形零件存在的一個重要問題就是成形件表面質量不穩定,表面凹凸不平,零件邊角處塌陷或者凸起,以致成形件出現大的裂紋和孔隙[4-6]。激光立體成形熔道幾何參數研究是控制熔覆層形狀的基礎,建立工藝參數與結構尺寸的對應關系,為選擇工藝參數、精確控制成形件形狀和提高成形件性能提供重要依據[7-8]。目前為獲取合適的工藝參數,最常用的方法還是通過大量的實驗,積累經驗值,但這種方法既消耗時間,又增加生產成本[9]。欽蘭云等采用多參數組合激光沉積工藝實驗制備單道單層試樣,在分析其表面形貌等基礎上,得到了相對優化的工藝參數[10]。也有許多學者應用BP神經網絡為用戶推薦一組最優或者較優的工藝參數。倪立斌等運用BP神經網絡建立熔覆形貌特征(w,h)與熔覆工藝參數之間的預測模型[9]。但激光立體成形過程中會因送粉系統等設備以及外界環境因素的不穩定而變化,所以適合的工藝參數也會隨之而改變。因此,針對具體的成形條件與工藝目標應確定相應的成形工藝范圍,即工藝窗口。

1Cr13具有良好的耐腐蝕性能,在高溫下仍能保持其優良的物理機械性能,廣泛應用于汽輪機葉片等。為實現大功率激光立體成形1Cr13形狀與質量精度控制,筆者主要研究激光輸出功率4 kW左右條件下,激光立體成形過程中單道熔道形貌特征的影響因素與控制規律:研究激光立體成形工藝參數與熔道寬高比(熔寬/熔高)、深高比(熔深/熔高)的定性與定量關系,并以寬高比、深高比指標作為熔道形貌控制的約束條件,探索獲得合適熔道形貌控制的工藝窗口量化分析方法。為此,先通過設計正交實驗來確定各工藝參數對單道熔覆寬高比、深高比的影響程度,再以補充Box-Behnken(BBD)實驗得到BP神經網絡的訓練樣本,繪制出寬高比、深高比的響應曲面及等高線圖,最后根據約束條件得到工藝窗口，并對工藝窗口的有效性進行實驗驗證。

1 實驗準備

1.1 實驗設備

實驗是在6 kW激光三維金屬增材制造系統上完成的,該系統主要由6 kW半導體激光器、數控機床、同軸送粉噴嘴、雙桶單控式送粉器及相關配套裝置組成,能實現送粉式三維增材制造。

1.2 實驗材料及方法

實驗所選基板為316不銹鋼,幾何尺寸大小為100 mm×60 mm×10 mm。先用角磨機對基板表面進行打磨,除去基板表面的鈍化層,再用無水乙醇除去表面油污,最后進行烘干處理。實驗粉末材料選用100～300目的1Cr13不銹鋼粉末,粉末預先在烘干箱中120 ℃保溫0.5 h。實驗過程中激光光斑為4 mm的圓光斑,采用氬氣作為保護氣,流量為12 L/min。選取表面成形質量好的試樣,利用線切割沿垂直于激光掃描方向截取試樣,對橫截面拋光腐蝕以進行觀察,對試樣件進行多點測量求平均值,獲取較準確的熔道形貌特征參數:熔寬(W)、熔高(H)與熔深(D),并計算出寬高比(W/H)及深高比(D/H)。熔道尺寸的測量取樣規格如圖1(a,b)所示。

圖1 熔道截面形貌圖Fig.1 Morphology view of the molten section

2 正交實驗

2.1 正交實驗參數及過程

激光立體成形中主要的兩個形狀參量是單道熔覆寬度和高度。熔道形貌受眾多激光加工工藝參數的影響,其中主要有激光功率(P)、掃描速度(V)和送粉量(S)這3個工藝參數。為了考察這3個工藝參數對熔道寬高比(W/H)和深高比(D/H)的影響,采用正交實驗法進行實驗設計,確定激光功率(P)、掃描速度(V)和送粉量(S)3個因素的3個水平[11]。

2.2 正交實驗結果及分析

基于L9(34)規則的正交實驗方案和結果如表1所示。實驗評價指標為熔道的寬高比和深高比。為了分析不同工藝參數對熔道寬高比、深高比的影響,對表1中數據進行處理,得到正交實驗結果的直觀分析表,如表2,3所示。

表1 正交實驗方案與實驗結果Table 1 Schedule and results of orthogonal experiment

表2 工藝參數對W/H的影響1)Table 2 Parameters’ influence on W/H

注:1) 主次順序為V>S>P。

表3 工藝參數對D/H的影響1)Table 3 Parameters’ influence on D/H

注:1) 主次順序為S>P>V。

正交實驗的直觀分析法簡單實用,本次采用的是極差分析法。Kij表示與指標i相關的水平j的3次實驗結果的平均值,如表2中參數Ki2為功率P=4 000 W的所有實驗(1,2,3號實驗)寬高比結果的平均值,即Ki2=(3.52+4.05+6.87)/3=4.81;R為極差即同一列中K的極大值減極小值之差。

從表2可以看出：激光功率對熔道的寬高比影響最小,送粉量對熔道寬高比影響處于中間位置,掃描速度對熔道寬高比影響最大。從表3可以看出：掃描速度對熔道深高比影響最小,激光功率對熔道深高比影響處于中間位置,送粉量對熔道深高比影響最大。

3 BP神經網絡模型的建立

采用正交實驗得到了各工藝參數對熔道幾何參數影響的定性規則,但仍無法對熔道幾何參數進行定量的分析與計算,為此,擬進一步細化實驗方案,增添分析樣本,并建立工藝參數與熔道幾何參數的定量計算神經網絡模型。

3.1 BBD實驗樣本數據

前期正交實驗9組樣本數據量過少,不能滿足BP神經網絡模型樣本訓練,需要再補充實驗。后續實驗采用Box-Behnken設計(BBD),選取對熔道形貌影響較為顯著的3個因素:激光功率(P)、掃描速度(V)和送粉量(S)。實驗方案和結果如表4所示。

表4 Box-Behnken實驗方案與實驗結果Table 4 Schedule and results of Box-Behnken experiment

續表4

3.2 神經網絡結構及相關設置

BP神經網絡按誤差反向傳播算法訓練,是目前使用最廣泛、最為成熟的一種神經網絡[12],其中首尾兩層分別稱為輸入層和輸出層,中間各層為隱含層。選取激光功率(P)、掃描速度(V)和送粉量(S)作為網絡的輸入參數,選取熔道熔寬(W)、熔高(H)、熔深(D)、寬高比(W/H)以及深高比(D/H)作為輸出參數。綜合考慮到計算能力、速度和精度,經過調試,選擇隱含層節點數為8。整個BP神經網絡結構為3×8×5三層結構,如圖2所示。

選取前期實驗中19組訓練樣本工藝參數與對應的熔道形貌尺寸作為輸入、輸出量加載到構建好的BP神經網絡模型中進行訓練,通過系統的自主學習及記憶能力得到網絡的閥值和各節點之間的權值,當系統訓練達到設定的精度0.000 25時停止。

3.3 模型驗證

為了檢驗BP神經網絡模型對熔道形貌預測的效果,補充了6組工藝實驗進行驗證,結果如表5所示。從表5中可以看出:神經網絡模型預測值和實驗值誤差較小,相對誤差均在5%以內,驗證了該神經網絡模型的可行性和有效性。誤差主要由測量誤差造成,這會造成網絡訓練準確性下降;BP神經網絡僅僅是對非線性函數的近似逼近,不能完全反應工藝參數和熔道形貌之間的關系。

圖2 BP神經網絡結構Fig.2 Structure of BP neural network

表5 實驗值與網絡預測值的對比Table 5 Comparison between experimental values and network prediction values

4 工藝窗口的建立及分析

4.1 工藝窗口的建立

激光立體成形過程中,關鍵是要選取合適的成形工藝參數,而不良的工藝參數無法獲得性能良好的金屬成形件,甚至成形精度也較低。工藝窗口是可成形的工藝參數的組合區域,是設置與優化激光立體成形工藝參數的重要依據。

工藝窗口約束條件:1) 為保證多道加工時搭接良好,同時有利于成形件的生長,根據研究表明熔道橫截面寬高比(W/H)4～6比較合適[13];2) 深高比(D/H)是衡量激光能量密度是否合理的重要判據,如果深高比過大表明激光熔深過大,可能導致零件變形甚至塌陷,反之如果深高比過小,則又可能會因能量過低而使沉積層之間不能充分熔融結合,從而對零件的機械性能產生不利影響[14]。根據前期實驗經驗,熔道橫截面深高比(D/H)為0.7～1比較合適。

為了滿足寬高比(W/H)、深高比(D/H)的約束條件,找出合理的工藝參數區間。將激光功率固定為4 000 W,通過神經網絡繪制出掃描速度、送粉量對熔道寬高比的相應曲面圖(圖3a)和等高線圖(圖4a),來考察掃描速度、送粉量及其交互作用對熔道寬高比的影響。同樣將激光功率固定為4 000 W,通過神經網絡繪制出掃描速度、送粉量對熔覆層深高比的相應曲面圖(圖3b)和等高線圖(圖4b),考察掃描速度、送粉量及其交互作用對熔道深高比的影響。

圖3 W/H和D/H的響應曲面Fig.3 Response surface of W/H and D/H

圖4 參數優化區域Fig.4 optimized parameter zone

圖4(a)的陰影區間表示滿足約束條件1)的工藝參數區間,圖4(b)的陰影區間表示滿足約束條件2)的工藝參數區間。利用重疊等高線圖,即同時對熔道寬高比、深高比進行約束,可以獲得不同熔道形貌下的工藝窗口。將激光功率固定為4 000 W時,將熔覆層寬高比等高線圖(圖4a)、深高比的等高線圖(圖4b)進行疊加,得到圖4(c),圖4(c)中陰影區間部分給出了P=4 000 W時滿足4≤W/H≤6,0.7≤D/H≤1的工藝窗口,選用該窗口內的掃描速度和送粉量可以滿足約束條件的寬高比、深高比。

4.2 工藝窗口有效性驗證

為了驗證得到的工藝窗口是否合理,選取前期的4組工藝實驗作為驗證。因為前面得到的工藝窗口是激光功率在4 000 W條件下的工藝參數區間,選取前期實驗中的23～26號實驗作為驗證,分別如圖4(c)中A,B,C,D點所示,量取熔道橫截面的寬度、高度及深度,計算得到熔道寬高比、深高比。實驗結果如表6所示,當P=4 000 W,V=16 mm/s,S=20 g/min時,如圖4(c)中D點所示,寬高比、深高比均滿足約束條件。從表6可以看出:所述方法求得的工藝窗口具有較高的可信度。

表6 工藝窗口有效性驗證Table 6 The valid verification of processing windows

5 結 論

基于正交實驗所進行的加工工藝參數對熔道形貌特征影響的定性研究表明:掃描速度對寬高比的影響最大,送粉量次之,激光功率最小;送粉量對深高比的影響最大,激光功率次之,掃描速度最小。然后采用Box-Behnken實驗設計方案補充訓練樣本,建立工藝參數與熔道寬高比、深高比之間的神經網絡模型,該模型計算值與實驗驗證值的偏差在5%以內,從而實現了一種確定工藝參數與熔道形貌之間的非線性關系的高效率、高準確率數值分析工具。最后基于上述計算工具,以寬高比4～6,深高比0.7～1為約束條件,利用重疊等高線圖法對不同工藝窗口區間進行劃分,實驗驗證表明:采用該方法可以獲得穩健的工藝窗口區間,得到的工藝窗口具有較高可信度,能夠預測不同工藝參數組合下的熔道形貌特征,有助于提高激光立體成形件的成形精度。