薄壁結構冷金屬過渡增材制造工藝優化

趙昀,盧振洋,陳樹君,李方

(1.北京工業大學機械工程及應用電子技術學院,100124,北京; 2.北京工業大學汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心,100124,北京)

電弧熔絲增材制造方法是將焊絲熔化層層累積而成目標零件,得益于其工藝特征,該制造方法適用于薄壁結構件的直接制造。與傳統制造方法相比,電弧熔絲增材制造方法極大地降低了銑削量和加工周期,且成形零件力學性能優良、組織均一、精度高。國內外學者采用多種弧焊工藝和材料對該技術中的工藝參數與成形形貌對應關系進行了廣泛深入的研究,其中冷金屬過渡工藝(CMT)具有低熱輸入的特點,被認為是最適合用于增材制造的電弧熔絲增材制造工藝之一[1-2]。英國Cranfield大學學者系統研究了鋁合金、碳鋼、鈦合金等材料的增材制造工藝,研究了焊接速度、送絲速度和焊絲直徑等變量對零件成形形貌和成形質量的影響規律。采用CMT工藝以送絲速度與行走速度的比值作為歸一化變量,通過該比值調整焊速及送絲速度,使得在研究工藝與成形形貌的相互關系時,工藝參數的變化水平具有可表征性[3-4]。Ayarkwa發現影響成形形貌的主要因素是送絲速度與行走速度的比值,該比值的提高能夠增加熔敷層寬度和高度[5]。Pan等針對電弧熔絲增材制造(WAAM)過程提出了一種工藝參數規劃策略,為了實現高的成形精度和最優的成形路徑,建立熔敷層模型并研究了行走速度、送絲速度和層間高度等變量,最后進行優化,以典型零件制造流程驗證工藝參數規劃策略[6]。此外,近幾年西北工業大學耿海濱等對TIG絲材電弧快速成形過程中的預熱溫度和電流對成形形貌的影響規律進行了研究,建立了工藝規范帶判據以保證良好成形[7];南京理工大學溫斌和采用等離子弧工藝對薄壁構件的成形特征和尺寸控制進行研究,采用Matlab軟件建立了熔敷層模型,發現工藝對熔敷層高度的影響作用順序為熔敷速度、熔敷電流、層間等待時間,發現等離子電弧工藝精度約為0.2 mm[8];尹凡研究了等離子弧快速成形中工藝參數匹配范圍及尺寸精度控制,設計正交實驗建立模型,分別得到熔敷層寬度和高度的擬合模型,通過調節參數進而控制熔敷層尺寸[9];福州大學劉志森等基于CMT的電弧增材技術,采用正交實驗方法建立熔敷工藝參數與熔敷層尺寸的回歸模型,深入研究了各個參數對熔敷層尺寸的影響權重[10]。此外,還有眾多學者研究成形路徑規劃、成形過程中缺陷分析及對策、熔滴過渡過程控制、熔敷層組織及性能等方面[11-13]。

綜上所述,許多學者研究了工藝參數如焊槍行走速度、送絲速度、電流等工藝參數對成形形貌的影響規律。然而,目前尚缺乏弧長修正和焊槍行走角與薄壁結構件成形形貌間的關系研究,無論采用哪種電弧焊接工藝,這兩個參數都存在并顯著影響制造過程及零件最終的成形形貌和性能。本文采用CMT工藝,以直壁墻零件為實驗對象,建立送絲速度WFS、單位長度焊縫的金屬熔敷量RWT與熔敷層寬度W和寬高比RWH的3D響應面模型,在滿足尺寸要求的條件下,分別分析弧長修正值和焊槍行走角對熔敷層成形形貌的影響作用,以提高成形精度;最后,針對同一典型薄壁件不同位置的制造需求,考慮多種影響因素對工藝參數進行優化。本文工藝優化方法能夠在滿足制造精度要求的同時提高制造效率,并使零件得到輕量化。

1 實驗準備

本實驗中的增材制造系統由KUKA機器人、CMT焊機、變位機3部分組成,如圖1所示。機器人末端夾持CMT焊槍,按預定的編程軌跡連續運動,電弧熔化焊絲,金屬液體凝固后形成熔敷層,通過熔敷層的層層堆積,實現目標鋁合金結構件零件制造成形。采用1.2 mm直徑的ER4043鋁硅焊絲與5A06鋁板為實驗材料,基板尺寸為260 mm×60 mm×5 mm,焊絲與基板的化學成分見表1,保護氣體采用99.99%高純氬氣,氣流量為15 L/min。

圖1 增材制造系統示意圖

2 實驗方法

圖2給出了CMT焊槍焊接姿態示意圖,機器人手臂夾持焊槍以不同姿態進行單道多層直壁墻增材制造,層間溫度控制為80 ℃。本實驗中直壁墻零件的熔敷工藝參數見表2。在獲取直壁墻零件后,截取橫截面測量熔敷層的有效寬度和高度。測量方法如圖3所示,B和C為待加工區域,A為直壁墻有效部分,前4層由于受底板溫度影響,數值變化較為劇烈,因此不納入計算范圍,有效熔敷層寬度與層間高度的比值即為熔敷層寬高比。

表1 焊絲和基板的化學成分

表2 直壁墻零件的熔敷工藝參數

圖2 CMT焊槍焊接姿態示意圖

圖3 直壁墻截面測量方法示意圖

3 工藝參數影響作用分析與討論

3.1 熔敷層寬高比

(a)WFS=3 m/min

(b)WFS=4 m/min

根據零件的性能要求不同,可以改變工藝參數以實現不同寬度的薄壁結構件制造。如圖4所示,在行走速度為8 mm/s、堆積層數均為40層的條件下,改變WFS進行熔敷。從圖4可以看出,隨著WFS的增加,直壁墻整體高度降低,而單位長度上的金屬熔敷量實際上是逐漸增加的,意味著熔敷層寬度增加,即熔敷層寬高比增加,同時,墻體側壁的表面波紋度減小。對于零件上需要承受外力較大的部位,應采用WFS=5 m/min的工藝參數,以提高零件整體的強度和剛度,然而,零件重量也將隨之增加,制造效率降低。對于只受靜載荷作用的非受力位置,應降低熔敷層寬高比,即采用圖4a的規范參數。一方面這樣能夠提高零件在制造方向上的制造速度,另一方面能夠制造更小尺寸、更高精度的零件。

(c)WFS=5 m/min圖4 不同WFS作用下相同層數的薄壁墻外貌

為了建立工藝參數與熔敷層尺寸的關系模型,中心旋轉組合設計方法被應用于建立回歸模型。以WFS和RWT為輸入變量、熔敷層寬度W和寬高比RWH為響應量,影響因子編碼及水平見表3,實驗設計及響應結果見表4。根據第2節中的測量方法計算樣本零件的熔敷層寬度和高度值,采用Design-expert軟件計算得到回歸方程后,對不顯著項進行剔除,經簡化后得到

W=6.3-0.85WFS-0.88RWT+

(1)

采用同樣的方法,可得到熔敷層寬高比的回歸方程

RWH=24.82-6.34WFS-3.18RWT+

表4 實驗設計及響應結果

圖5和圖6分別給出了熔敷層寬度和寬高比的3D響應面模型。從圖5、6可以看出,隨著WFS和RWT的增加,熔敷層寬度和寬高比顯著提高。由響應面中的曲面斜率可以看出,WFS對熔敷層尺寸的影響大于RWT。值得注意的是,隨著WFS的增加,熔敷層的寬度先是緩慢增加,隨后快速增加。這是由于對于ER4043鋁合金材料,當WFS超過4.5 m/min時,過渡方式由單一的短路過渡轉變為短路過渡加射滴過渡,進一步提高了熱輸入。

圖5 熔敷層寬度3D響應面模型

圖6 熔敷層寬高比3D響應面模型

對于增材制造工藝而言,零件成形形貌可以被表征為單一熔敷層的橫截面尺寸特征。一方面,橫截面積由單位長度焊縫上的填充金屬量決定;另一方面,該橫截面的尺寸特征由熱輸入量決定。一般情況下,焊接熱輸入為

(3)

式中:η是熱效率系數;P為焊接功率;T為焊接速度。對于增材制造中的常用材料,例如鋼、鋁、鈦等,隨著焊接功率的增加和焊接速度的降低,焊接熱輸入都會增加,對應著焊接中熔池溫度增加。隨著溫度增加,一方面,液態金屬的黏度降低,流淌動力提高;另一方面,凝固到固態金屬所需要的時間更長,這意味著熔敷層凝固后的橫截面寬高比增加。對于不同種類金屬材料,導熱系數和黏度是影響液態金屬凝固過程的重要參數,導熱系數越大、黏度越低,得到的熔敷層寬高比就越小,形成的墻壁高而窄。因此,本文的工藝研究對于一般金屬材料具有普適性,各種材料的成形規律基本一致。

3.2 弧長修正值的影響

在電弧增材制造工藝中,電弧長度是影響成形質量的重要因素。在CMT工藝中,電弧長度通過弧長修正值調節,焊機通過焊接中數字信號的反饋,機械式控制焊絲的進給和電弧引燃時刻,從而改變燃弧時期的焊絲端部與板材之間的距離。圖7給出了一個CTM焊接周期的熔滴形成及短路過渡過程形貌。對于相同的送絲速度和行走速度條件,電弧的能量相同,弧長的改變意味著能量密度發生變化,當弧長修正值為正值時,燃弧時期的焊絲端部與基板之間的距離變大,燃弧與熔滴形成階段中的電弧的鐘罩發散,導致熱源作用分散,熔滴短路時焊絲送進的距離更長,需要的時間增加,導致熔滴過渡頻率降低,降低了熔深,一般多用于超薄板焊接。針對增材制造的成形需要,理論上應該優先采用正值,拉伸電弧長度,降低熔深,從而減弱熔敷層對上一層的重熔作用,以實現在增材方向上的最大制造效率。然而,在實際制造過程中,采用高弧長時,側壁會出現嚴重的駝峰缺陷。

(b)熔滴形成階段

(a)燃弧階段

(d)熔滴過渡后重新燃弧階段

(c)熔滴與基板短路過渡階段

圖8 不同弧長修正值對直壁墻形貌的影響

首先設定WFS為4 m/min;在焊接程序的參數限定范圍內,采用5種弧長修正值進行實驗。如圖8所示,當弧長修正值為+20%時,此時電弧高度過高,電弧鐘罩形態發散,此時熔滴過渡會偏離前一熔敷層中心線,誤差會持續累積,當偏離距離接近焊縫寬度一半時,此時熔池形成于上一熔敷層側邊,熔敷層反向進行“修復”,層層累積,使得成形形貌呈現出規律性側邊駝峰的特征,該缺陷嚴重影響成形精度,并降低了直壁墻的有效面積。隨著弧長修正值降低,這種缺陷逐漸改善,當弧長修正值被設定為-20%時,電弧高度低,電弧鐘罩形態收縮,熔池能夠形成在上一熔敷層中心線上,直壁墻零件的垂直度高,成形形貌能夠得到良好的控制。

然而,弧長修正值對成形形貌的影響作用會隨著WFS的增加而逐漸減弱。如圖9所示,在其他參數相同的條件下,當繼續增加WFS到5 m/min時,比較兩組弧長修正值下制造的零件,并沒有顯著差異,成形形貌都比較均勻。一方面,電流的增加會使熔化的金屬量增加,而CMT工藝特殊的波形能夠將熔滴尺寸控制在一定范圍內,熔滴在重力的作用下形狀被拉得窄而長,且熔滴過渡頻率增加,在發生短路過渡時接觸面積更窄,使得熔滴更準確地過渡到中心線位置[14];另一方面,由于熱輸入增加,熔池尺寸擴大到足夠覆蓋整條熔敷層,液態金屬凝固速度降低,熔化的液態金屬能夠得到充分的流淌鋪展,使成形形貌更加均勻。

圖9 送絲速度為5 m/min時不同弧長修正值下的直壁墻形貌

3.3 焊槍行走角的影響

在增材制造過程中,焊槍可以根據需要傾斜一定角度形成拉角或者推角進行熔敷制造,在焊槍行走角發生變化時,改變的是CMT工藝中熔滴短路過渡時的受力方向,不同焊槍推拉角下熔滴受力情況如圖10所示,本節研究焊槍行走角對直壁墻成形形貌的影響作用。

當采用拉角進行熔敷時,一方面,電弧偏向后方已凝固成形的熔敷層,對前方基板的預熱作用較小,熔池受到的電弧熱作用時間最短;另一方面,熔滴在短路過渡時受到熔池與已凝固的金屬共同的表面張力作用,促進了熔滴過渡,因此整個過渡過程中無飛濺和爆破現象,過渡過程平穩。采用不同熔敷姿態得到的熔敷層上表面成形形貌如圖11所示(WFS=3 m/min,RWT=8)。如圖11a給出了采用拉角熔敷后得到的光滑上表面,得到的熔敷層上表面光滑平整,效果最好。

當焊槍保持垂直姿態熔敷時,由于電弧垂直作用于熔池,對熔池挖掘能力最強,熔深最大,薄壁墻整體成形良好,表面成形具有波紋特征,圖11b給出了垂直瓷態下的熔敷層上表面成形形貌。

(a)光滑平整表面特征

(b)波紋特征圖11 分別采用拉角熔敷和垂直姿態時的熔敷層上表面成形形貌

當采用推角進行熔敷時,電弧偏向前方基板,能夠對前方基板起到預熱作用,整個熔池從形成至凝固經歷時間最長,熔池能夠得到充分鋪展。然而,在CMT周期中,焊絲始終保持向焊接方向移動,在燃弧時期,熔滴還未完全形成就與前方較低溫度的基板發生短路,導致熔滴不能沿焊絲軸線方向順利過渡,而被迫在前方低溫基板提前進行短路過渡,在焊接過程中不斷地產生爆破和飛濺,阻礙熔滴向熔池過渡,并且這種不穩定的過渡方式使焊接過程極易產生表面駝峰和側邊駝峰缺陷,如圖12和圖13所示(WFS=3 m/min,RWT=8),因此,推角不適用于薄壁件增材制造。

圖12 直壁墻上表面駝峰缺陷

圖13 直壁墻側表面駝峰缺陷

從采用拉角制造的直壁墻橫截面中截取試樣,如圖14所示,將試樣用科勒試液腐蝕后,可以觀察到清晰的分層線,采用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡對宏觀形貌進行測距標定后,發現相比于其他兩種焊槍姿態,此時形成的熔敷層熔深最淺,僅為1.286 mm,形狀窄而高,這有利于提高增材方向的制造效率。

圖14 對直壁墻橫截面形貌中的層間高度進行標定

3.4 典型薄壁零件制造

對于變截面薄壁殼體零件,要求壁厚控制在5 mm以內,典型成形零件如圖15所示。采用平行分層模式,由于零件中間過渡區由圓形轉為方形,如采用相同工藝熔敷和分層高度,會導致制造過程中焊絲干伸長變化,影響電弧長度及穩定性,熔敷層高度不均勻,繼續該過程甚至會發生撞槍等事故。因此,制造薄壁結構首先考慮采用低熱輸入參數組以降低熔敷層寬高比,為在保證焊槍可達性的同時改善表面質量,采用焊槍行走角為10°進行熔敷,設計零件壁厚為4.8 mm,整體零件可分割規劃為上部直壁和下部傾斜壁兩個部分。為保證在低WFS工藝下薄壁墻成形質量,設定弧長修正值為-15%,層間高度為2.01 mm。下部傾斜壁中的單熔敷層高度可以由三維軟件UG計算得到,根據模型傾角計算后得到的熔敷層高度為1.72 mm,在此結構下,將弧長修正值提高到-8%,可以提升電弧高度,避免熔池在強電弧力下沿側壁流淌,同時提高了WFS以增加寬高比,更易于層間搭接,并改善表面波紋度。

圖15 典型成形零件

熔敷過程中的工藝參數見表5。采用本文的直壁墻截面測量方法對成形零件的尺寸特征進行測量,發現成形尺寸與預測模型計算結果的誤差小于5%,精度較高。由于采用低送絲速度,使得熔敷過程中熱輸入低,沒有產生液態金屬向下流淌的現象,且低的弧長修正值避免了側壁駝峰缺陷的產生,因此保證了表面的成形質量。采用本文的工藝參數優化方法制造的零件整體高度、壁厚一致,側壁表面波紋度均勻,達到了控形的工藝要求,且成形質量較為理想,薄壁結構使得零件重量大大降低。

表5 熔敷工藝參數

4 結 論

本文采用CMT技術直接成形薄壁結構件,研究了工藝參數對成形形貌的影響作用及影響機理,并以典型薄壁零件為實例,優化參數實現高效高質量制造,并使零件得到輕量化。

(1)建立了WFS和RWT與熔敷層寬度和寬高比的3D響應面模型,實現熔敷層幾何特征的高精度預測,得到工藝參數與幾何特征的影響規律。送絲速度對熔敷層尺寸的影響作用最為顯著,熔敷層寬高比最高可達14.4。

(2)通過高速攝像機拍攝熔滴過渡,分析了電弧高度對燃弧時期的熔滴過渡特征的影響,發現采用-15%的弧長修正值能夠改善成形形貌,避免了側邊駝峰缺陷的產生;隨著送絲速度值增加,弧長修正值的影響作用減弱。

(3)通過熔滴過渡時的受力分析,揭示了焊槍行走角對成形形貌的影響機理及影響規律。當焊槍行走角達到10°時,能夠明顯改善單壁墻上表面和側壁成形精度,而推角熔敷極易產生駝峰缺陷,因此不適用于增材制造。