基于尺寸預(yù)測的激光立體成形30CrNi2MoVA工藝參數(shù)研究

張震， 王敏， 范華獻(xiàn)， 劉廣志

(中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000)

0 引言

激光立體成形(LSF)技術(shù)是一種以激光為能量源的送粉式增材制造技術(shù)，能夠兼顧零件的快速、自由、高性能成形[1]。因此，LSF技術(shù)有望成為兵器工業(yè)新型、復(fù)雜零件制造的新途徑，并為提升裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計效能，縮短新裝備研發(fā)周期，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造有利條件。

30CrNi2MoVA鋼是一種中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，因其淬透性好、沖擊韌性高的特點而被大量應(yīng)用于兵器裝備制造業(yè)耐沖擊零件的制造中[2]。伴隨著新型裝備的研制需求，對于零件的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計要求越來越高，也對設(shè)備、工藝、工裝等提出了更高的要求，傳統(tǒng)工藝越來越難以滿足新型零件的制造要求，利用LSF直接制造30CrNi2MoVA鋼零件便有了巨大的應(yīng)用前景。

在LSF過程中，最大的問題在于如何使成形零件的幾何尺寸與力學(xué)性能達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求，而成形過程所選用的工藝參數(shù)決定了最終的零件成形效果，要實現(xiàn)金屬零件的高質(zhì)量成形需要結(jié)合實時監(jiān)測與閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)加工過程中的工藝調(diào)整[3-5]。而厘清工藝參數(shù)與熔覆層宏觀尺寸之間的定量關(guān)系正是實現(xiàn)工藝條件閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。

影響LSF加工過程的主要工藝參數(shù)有：激光功率、掃描速率、送粉率、光斑直徑等。而表征熔覆層宏觀尺寸的參數(shù)主要是熔覆寬度、熔覆高度等[5-8]。為能夠在較短時間內(nèi)利用較少的實驗建立一個較全面且具有較高預(yù)測精度的定量關(guān)系模型以解決工藝參數(shù)優(yōu)化問題，本文采用了正交實驗設(shè)計，并利用統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(SPSS)軟件和數(shù)值分析MATLAB軟件對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。本文結(jié)論為今后采用LSF技術(shù)制造30CrNi2MoVA鋼零件的工藝選擇與工藝過程控制實現(xiàn)提供了實驗依據(jù)與理論參考。

1 實驗設(shè)備、材料與方案

1.1 實驗設(shè)備與材料

本文實驗在自制的送粉式LSF設(shè)備上進(jìn)行，該設(shè)備采用機(jī)器人作為運動機(jī)構(gòu)、配以同軸送粉噴嘴及高精度智能送粉器。激光器采用通快TruDisk4006碟片式光纖激光器，光纖直徑600 μm.

實驗所用粉末材料為氣霧化法制備的30CrNi2MoVA鋼粉末，粉末主要成分如表1所示。粉末粒度范圍在100～200目，如圖1所示。基材采用45號鋼，尺寸為300 mm×200 mm×10 mm，實驗前用細(xì)砂紙打磨基材表面并用丙酮清洗干凈。實驗中采用氬氣作為保護(hù)氣體，氣體流量6～8 L/min，實驗后測量試樣尺寸。

表1 30CrNi2MoVA鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 30CrNi2MoVA (mass fraction) %

圖1 30CrNi2MoVA鋼粉末形貌(放大100倍)Fig.1 Morphology of 30CrNi2MoVA powders (100×)

1.2 實驗方案

根據(jù)正交實驗特點，依據(jù)前期實驗經(jīng)驗，選擇適當(dāng)激光功率P、掃描速率v、送粉率F及光斑直徑D作為輸入量，以熔覆層寬度W、熔覆層首層高度Hf和單層平均高度Ha作為輸出量，設(shè)計4因素5水平實驗,參數(shù)如表2所示。實驗均采用單道成形，按照設(shè)定的實驗參數(shù)沿光斑運動方向熔覆一層，之后沿垂直光斑運動方向移動，同一參數(shù)熔覆5層，各道之間間隔10 mm.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 回歸分析與預(yù)測模型建立

根據(jù)測量結(jié)果，在顯著性概率為95%的前提下采用SPSS統(tǒng)計軟件建立了激光功率、掃描速率、送粉率和光斑直徑4個工藝參數(shù)對熔覆寬度和熔覆高度之間的函數(shù)關(guān)系。利用曲線估計方法對各類模型擬合效果進(jìn)行估計，發(fā)現(xiàn)指數(shù)型模型效果較好，而該模型由Oliveira等[9]最先用于熔池寬度預(yù)測，因此采用指數(shù)型模型作為分析模型。基于指數(shù)模型建立如下回歸方程：

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

注:送粉率1 r/min≈10 g/min.

E(y)=K(PαvβFγDδ)+c，

(1)

式中：E(y)為回歸模型輸出值；K、α、β、γ、δ為回歸系數(shù)；c為回歸常數(shù)。

結(jié)合正交實驗測量結(jié)果數(shù)據(jù)和(1)式，借助SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行回歸分析得到各回歸系數(shù)，建立預(yù)測模型如下：

W=0.053×(P0.463v-0.4F0.182D0.825)+0.565，

(2)

Hf=2.126×(P0.127v-1.085F0.887D0.11)-0.033，

(3)

Ha=2.224×(P0.018v-0.924F1.139D0.196)+0.061.

(4)

根據(jù)回歸分析結(jié)果，熔覆寬度預(yù)測模型方程如(2)式所示，其擬合優(yōu)度判定系數(shù)為0.841，綜合各參數(shù)對應(yīng)回歸系數(shù)可知，激光功率、掃描速率和光斑直徑對熔覆寬度的影響最為顯著(光斑直徑>激光功率>掃描速率)，隨著激光功率、光斑直徑的增加，掃描速率減小，熔覆寬度增加；從回歸系數(shù)F0.182≈1可以看出，送粉率對熔覆寬度的影響幾乎可以忽略不計。

單道首層熔覆層高度預(yù)測模型(3)式的擬合優(yōu)度判定系數(shù)為0.94. 針對熔覆層高度，掃描速率和送粉率的影響顯著性最高(送粉率>掃描速率)，而激光功率與光斑直徑基本不影響熔覆層高度，且隨著送粉率增加，掃描速率減小，熔覆層高度增加；單道5層平均單層高度模型(4)式具有同(3)式類似的影響規(guī)律，其擬合優(yōu)度判定系數(shù)達(dá)到0.956.

忽略熔池對流、氣流對熔池沖擊等影響因素，假設(shè)熔覆層的輪廓為拋物線，且材料熱物理性質(zhì)不隨溫度改變，由質(zhì)量守衡和能量守衡能夠得到如下平衡關(guān)系：

(5)

(6)

式中：k為粉末有效利用系數(shù)；t為激光作用時間；ρ為材料密度；αP為激光吸收率；η為遮光率；β為基材吸熱利用率；ΔT為溫度變化；ΔHm為基材熔化潛熱。由(5)式、(6)式可以看出，掃描速率與熔覆層寬度、高度呈反比，送粉率與熔覆層高度呈正比，激光功率與熔覆層寬度呈正比。此規(guī)律與預(yù)測模型得到的規(guī)律相同。

分析其產(chǎn)生原因：激光功率增大，激光束的能量密度增大導(dǎo)致粉末束邊緣處的熔化量增加，從而增加熔覆層寬度；掃描速率增大，單位時間內(nèi)的激光輻照能量減少，熔覆層寬度和高度均減小；送粉率增大，單位時間內(nèi)熔化的粉末量增加，熔覆層高度增加；光斑直徑增大，激光輻照區(qū)增大，熔覆層寬度增加。

圖2 宏觀尺寸的實際測量結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果對比Fig.2 Comparison of measured and predicted results of macro-sizes

根據(jù)上述各模型擬合優(yōu)度判定系數(shù)，并對比實際測量結(jié)果與預(yù)測結(jié)果，如圖2所示，初步表明本文所建立的預(yù)測模型能夠較好地吻合不同工藝參數(shù)條件下熔覆層的宏觀尺寸。另外，對比圖2(b)、圖2(c)所示的熔覆高度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔覆5層后，熔覆層的平均高度會明顯低于首層熔覆高度，這是由于隨著熔覆層數(shù)的增加，已成形部分的熱累積增加導(dǎo)致熔覆高度會有一定程度的降低，而根據(jù)文獻(xiàn)[10]描述，通常認(rèn)為5層以后熔池溫度趨于穩(wěn)定，因此在今后的工藝參數(shù)選擇中應(yīng)綜合考慮熔覆層的首層高度值與平均高度值。

2.2 預(yù)測模型驗證

為進(jìn)一步驗證工藝參數(shù)對熔覆層尺寸的影響顯著性及它們之間的定量關(guān)系，同時驗證利用回歸分析結(jié)果預(yù)測熔覆層宏觀尺寸方面的有效性，本文采用單因素變量法，分別針對激光功率、掃描速率和送粉率3個主要因素設(shè)置3水平單道成形實驗，實驗參數(shù)設(shè)置如表3所示，所得實驗結(jié)果以圖3形式展示。

表3 驗證實驗參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting for verification experiment

圖3 不同工藝參數(shù)下的熔覆層尺寸Fig.3 Deposed layer sizes under different process parameters

表4是對實驗結(jié)果的分析。通過觀察熔覆層尺寸隨某一參數(shù)的變化而變化的幅度來判斷該工藝參數(shù)對相應(yīng)熔覆層尺寸的影響顯著性。實驗結(jié)果顯示各參數(shù)對熔覆層形貌的影響顯著性與所建立的模型預(yù)測結(jié)果吻合性較高，驗證了回歸分析結(jié)果的有效性。

將所獲得的熔覆層幾何尺寸信息與利用指數(shù)回歸模型定量關(guān)系(2)式、(3)式和(4)式計算的熔覆層幾何尺寸信息進(jìn)行比較。圖4展示了功率變化時熔覆層宏觀尺寸計算值與實測值之間的差距。由圖4可知，計算所得熔覆層尺寸參數(shù)基本落在實際熔覆尺寸的10%誤差內(nèi)(圖中虛線為±10%誤差線標(biāo)示)。在考慮測量方法和數(shù)值讀取帶來的誤差基礎(chǔ)上，達(dá)到此預(yù)測精確度已能說明該預(yù)測模型的準(zhǔn)確性較好。

實驗過程中利用同軸電荷耦合元件(CCD)相機(jī)實時觀測并記錄了各參數(shù)在成形過程中對應(yīng)的熔池形貌，主要表現(xiàn)了熔池的寬度特征。表5所示為驗證實驗9組參數(shù)下成形單道單層試樣中間位置的熔池圖像，從圖像中也可以看出，熔池寬度的變化規(guī)律同模型預(yù)測結(jié)果相同。盡管由于等離子體發(fā)光的影響，相機(jī)采集的熔池寬度與熔覆層寬度并不能定量的對應(yīng)，但熔覆層寬度的變化規(guī)律能夠反映到熔池寬度上，CCD相機(jī)所采集的圖片經(jīng)特定算法處理后能夠作為輸入量用于今后的反饋控制系統(tǒng)中。

2.3 工藝參數(shù)范圍確定

在設(shè)備允許的范圍內(nèi)，工藝參數(shù)的選擇范圍很大，且各參數(shù)值之間還可以相互組合，但通過正交實驗可以發(fā)現(xiàn)，并不是每一種參數(shù)組合得到的成形效果都比較好，需要通過篩選確定一個工藝參數(shù)選擇范圍。在這4個關(guān)鍵工藝參數(shù)中，光斑直徑雖然對熔覆層尺寸的影響顯著，但通常選定某一直徑后不會通過改變光斑直徑來調(diào)節(jié)熔覆層尺寸，因此主要需要確定的是激光功率、掃描速率和送粉率的工藝參數(shù)范圍，故給定光斑直徑3.5 mm，利用前文求得的(2)式和(3)式得到如圖5所示結(jié)果。

表4 實驗結(jié)果分析Tab.4 Analysis of the experimental results

注:“-”號僅代表相關(guān)性。

圖4 預(yù)測模型定量關(guān)系驗證Fig.4 Validation of quantitative relation of prediction model

表5 驗證實驗熔池圖像

Tab.5 Images of verification experimental molten bath

光斑直徑一定時若熔覆層寬度過小會導(dǎo)致粉末利用率低，甚至導(dǎo)致融合不良的產(chǎn)生，熔覆層質(zhì)量較差，而熔覆層寬度過大則會使得熔覆層出現(xiàn)厚度不均勻現(xiàn)象。在3.5 mm光斑條件下，熔覆層寬度應(yīng)處在3～4 mm之間，結(jié)合圖5(a)可知激光功率應(yīng)在1 300～3 000 W之間。基于尺寸預(yù)測，將熔覆層寬高比作為判斷指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)研究[11-12]可知，僅考慮成形尺寸因素的情況下，假設(shè)熔覆層橫截面輪廓為拋物線，當(dāng)寬高比在4～6的范圍內(nèi)時，熔覆層具有潤濕性良好的接觸角，能保證多道多層成形時的良好搭接，得到較好的成形效果。同時，根據(jù)實驗驗證，LSF形成的30CrNi2MoVA鋼在寬高比3.5～4.5范圍內(nèi)成形效果最好，結(jié)合熔覆層寬度范圍可知，單層熔覆層高度應(yīng)在0.7～1.2 mm范圍內(nèi)選擇，因此送粉率應(yīng)在0.7～2.5 r/min之間，掃描速率應(yīng)處于5～12 mm/s之間。

綜上所述，在3.5 mm光斑下滿足寬高比3.5～4.5約束的工藝參數(shù)區(qū)間位于圖5所示虛線框選區(qū)域中，并可根據(jù)實際制造時對效率和表面精度的需求選擇合適的參數(shù)組合。當(dāng)光斑直徑發(fā)生改變時，可通過預(yù)測模型用相同方法提前找尋合適工藝參數(shù)范圍，圖6所示為4 mm光斑直徑時，利用預(yù)測模型以寬高比4為約束設(shè)定工藝參數(shù)成形得到的試樣。

圖5 工藝參數(shù)范圍Fig.5 Value range of process parameters

圖6 成形試樣展示Fig.6 Formed sample

3 結(jié)論

1) 獲得了工藝參數(shù)對30CrNi2MoVA鋼熔覆層寬度和熔覆層高度的影響顯著性規(guī)律：激光功率、掃描速率和光斑直徑顯著影響熔覆層寬度，而掃描速率和送粉率顯著影響熔覆層高度。

2) 通過回歸分析，利用指數(shù)回歸模型建立了關(guān)于熔覆層寬度和熔覆層高度的預(yù)測模型：W=0.053×(P0.463v-0.4F0.182D0.825)+0.565，Hf=2.126×(P0.127v-1.085F0.887D0.11)-0.033，Ha=2.224×(P0.018v-0.924F1.139D0.196)+0.061. 對比單因素變化實驗測量結(jié)果與CCD相機(jī)實時監(jiān)測圖像信息，驗證了預(yù)測模型的有效性。

3) 以寬高比為約束條件，通過預(yù)測模型所得成形尺寸計算值確定了3.5 mm光斑直徑下LSF形成的30CrNi2MoVA鋼工藝參數(shù)窗口：激光功率在1 300～3 000 W之間，送粉率在0.7～2.5 r/min之間，掃描速率在5～12 mm/s之間。為獲得較高可信度的工藝參數(shù)區(qū)間提供了方法。