送粉式等離子弧增材制造系統設計及工藝試驗

朱錦洪,王 斌,尹丹青,2,李茂昌,張凱歌,陳云峰

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院,河南 洛陽 471023;2. 龍門實驗室,河南 洛陽 471023)

0 引言

增材制造(additive manufacturing, AM)技術是基于離散-堆積原理,通過將材料逐層堆積累加成形的方式制造三維實體零件的技術,相對于傳統加工制造業的減材制造技術,增材制造技術是一種新興的“自下而上”材料累加的先進制造技術[1-3]。然而激光增材制造技術主要因其設備成本高以及電子束增材制造技術必須在真空環境等問題,使得目前電增材制造以其成形效率高、零件受尺寸影響低、設備簡單、生產成本低等諸多優點被廣泛關注[4-6]。在電弧增材制造過程中,相比于基于熔化極氣體保護焊的增材制造技術,基于等離子弧焊的增材制造技術具有成形精度高、無飛濺,電弧穩定等優點;同時,相比于基于鎢極氬弧焊的增材制造技術,等離子弧增材制造效率更高,成形精度高,表面質量好[7]。文獻[8]利用PLC、等離子弧電源、埋弧焊送絲機搭建了一種以可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為控制核心的等離子填絲-注射工藝設備,并驗證了設備的可靠性;文獻[9]利用PLC和運動控制卡搭建了一臺等離子弧絲材增材制造設備,并通過改變成型電流、成型速度、送絲角度等幾個方面對成型工藝進行了研究;文獻[10]提出了基于機器人的3D等離子體金屬沉積系統方法,對打印出Ti6Al4V粉末中添加不同WC含量零件的組織結構、力學性能等的分析,驗證對鈦合金零件、功能梯度材料的使用可能性;文獻[11]對馬氏體沉淀硬化不銹鋼粉末(17-4Ph)進行了等離子弧增材制造,發現在增材制造過程中具有氧化物產生,并提出通過向氬氣中提供5%的氫氣,可以消除氧化物的形成;文獻[12]基于機器人的六軸等離子弧增材制造系統,研究了不同絲材的工藝參數對單道成形的影響,得到了最佳等離子弧增材制工藝參數,并通過對截面模型研究預測,驗證了異種材料單層多道最佳重疊間距為單道熔寬的0.738倍;文獻[13]利用工業機器人搭建了基于CMT的電弧絲材增材制造成形系統,并通過對熱模具鋼零件進行增材制造,驗證了所搭建系統可以進行修復以及再制造時效模具的可行性;文獻[14]基于三臺機器人協同工作,搭建了由五電弧增材單元、減材加工單元、測量單元和總控單元組成的一體化電弧增材制造設備,并通過對艉軸架進行增材制造,以及對零部件的組織和力學性能研究,證明了設備可以實現大型零部件的增材制造;文獻[15]以PLC為控制核心,設計并制作了一臺絲級電弧增材制造設備,通過對不同工藝參數的研究,得到了當焊接電流為100 A,送絲速度為1 881 mm/min,焊接速度為99 mm/min,氬氣氣流量為5 L/min時,成形的單層單道表面品質較好;文獻[16]采用了雙絲等離子弧增材制造技術,制備了高氮鋼單壁墻試件,經過與單絲實驗結果相比,提高了電弧熱量的利用率以及熔覆效率。

綜上所述,以等立弧為熱源的增材制造技術備受歡迎,然而基于機器人的增材制造設備成本較高,國內學者多以PLC為控制核心進行電弧增材制造設備搭建,并且較多采用送絲式等離子弧增材制造技術進行工藝研究。因此本文以PLC為控制核心,等離子弧作為熱源,采用同軸送粉的工藝方法,設計了1套送粉式等離子弧增材制造設備。對設備進行調試后,利用該設備,采用控制變量法,研究了等離子弧增材制造過程中焊接電流、焊接速度和送粉速度對單層單道宏觀形貌尺寸的影響規律以及組織力學性能,為將來的多層試驗提供參考。

1 系統原理及總體方案設計

1.1 送粉式等離子弧增材制造原理

送粉式等離子弧增材制造技術以等離子弧焊機提供的高能等離子束為熱源,熔化金屬基體(表面)和由送粉系統提供的金屬粉末,并由PLC控制的龍門式三軸運動機構按照預先設計的增材制造路徑進行運動軌跡掃描,進而控制等離子弧焊槍在金屬基板上形成可移動的金屬熔池,并通過層層堆積最終形成所需金屬零件。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 送粉式等離子弧增材制造系統工作原理圖

1.2 系統總體方案

送粉式等離子弧增材制造系統框圖如圖2所示,主要包括水循環冷卻系統、控制系統、等離子弧熱源系統、三軸運動系統、送粉系統以及氣路系統。其中水循環冷卻系統用來對等離子弧熱源系統的循環冷卻;控制系統主要用來控制三軸運動系統進行系統三軸運動、控制等離子弧熱源系統中維弧和主弧的自動起弧和熄弧、控制送粉系統中送粉器在增材制造過程中送粉的啟停。等離子弧熱源系統主要向等離子弧焊槍提供高能等離子束熱源;三軸運動系統主要用來控制等離子弧焊槍根據預先設計的路徑進行三維運動;送粉系統主要將金屬粉末輸送給等離子弧焊槍;氣路系統主要是給送粉系統、等離子弧熱源系統提供氬氣。

圖2 送粉式等離子弧增材制造系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 龍門式三軸運動機構設計

等離子弧增材制造設備焊槍對路徑的掃描主要通過三軸運動機構的運動實現。將等離子弧焊槍固定在Z軸滑臺,通過三軸滑臺的運動實現在增材制造過程焊槍路徑的掃描。為了實現等離子弧焊槍在增材制造過程中運動精度的準確性,將精密的滾珠絲桿和步進電機通過聯軸器組成的直線導軌固定在三軸龍門結構式輔助軌上,并最終固定在工作臺平面。

2.2 等離子弧熱源系統

等離子弧熱源機構主要由焊接電源、等離子弧焊槍、送氣系統以及水循環冷卻系統組成。該設計主要采用三力易勝的LHM-500型號等離子焊機作為焊接熱源,以提供增材制造過程中的等離子束。等離子弧焊槍采用具有多孔噴射粉末、雙管冷卻路的焊槍,不僅能夠高熔覆效率,而且能夠增強焊槍的使用壽命。與此同時,采用了循環冷卻水箱以保證在等離子弧增材制造過程中快速有效地消除焊槍噴噴嘴和鎢極的熱量,以保證焊槍不被損壞燒毀。

2.3 送粉系統

送粉機構的性能能夠影響增材制造過程的穩定以及軌跡的質量。只有保證金屬粉末平穩均勻地送給,才能夠得到連續穩定的焊道。設備采用了浮動式刮板送粉技術的送粉器,能夠保證將金屬粉末均勻高效地輸送到等離子束焦點。通過調節送粉控制器正面的粉量調節旋鈕和氬氣進氣流量,定量地使焊槍出粉的焦點落在等離子束焦點上。

2.4 控制系統設計

控制系統包括上位機、人機界面、PLC控制器、以及對以上系統的控制。通過對系統的分析,在考慮輸入輸出點數后,控制核心采用國產矩形科技的N80-M24DT-AC型PLC,同時選擇與該PLC相匹配的RECT7062HL型號觸摸屏作為人機界面。利用該PLC的三路高速脈沖輸出模式[17],通過對步進電機驅動器的控制進而驅動步進電機正常運動,進而實現等離子弧焊槍對三軸路徑的掃描。為了實現對焊機的主弧和維弧的控制以及送粉器的控制,分別將中間繼電器連接到焊機和PLC以及送粉器和PLC的電路中,進而實現對維弧、主弧以及送粉器的啟停控制。

3 系統軟件設計

本設計利用PLC梯形圖語言按照增材制造過程中時序要求進行編程設計,主要完成對三軸運動系統的控制以及等離子弧熱源系統時序控制。同時利用MCGS組態軟件進行人機界面設計。圖3為等離子弧增材制造系統部分人機界面,主要包括X軸運動控制界面、單層多道運動界面、單道多層運動界面以及四邊形運動界面。通過軟件編程,利用人機界面可以控制三軸運動機構以及等離子弧熱源系統按照增材制造成形工藝的時序協調工作。

(a) X軸運動控制畫面 (b) 單層多道運動控制畫面

(c) 單道多層運動控制畫面 (d) 四邊形運動控制畫面

4 試驗與結果分析

4.1 單層單道試驗

4.1.1 試驗材料與方法

試驗所選取的金屬粉末為鐵基合金球形粉末,其粒徑為53～150 μm,其粉末化學組成成分如表1所示,粉末顯微形貌SEM圖如圖4所示。基板尺寸為300 mm×200 mm×10 mm(長×寬×高)的42CrMo鋼。試驗采用氬氣充當送粉氣、離子氣以及保護氣。在進行試驗前首先使用噴砂機對基板進行噴砂處理,去除基板上雜質,然后使用酒精擦拭表面。同時將粉末在120 ℃真空干燥箱中進行干燥處理。利用搭建的設備進行單層單道試驗驗研究。主要研究焊接電流、焊接速度以及送粉速度在不同工藝參數下對單層單道熔覆層宏觀形貌的影響規律以及組織力學性能。其具體工藝參數如表2所示,其余固定參數為:離子氣流量2 L/min,保護氣流量10 L/min,送粉氣流量4 L/min,焊槍高度7 mm。試驗結束后進行制樣,并用砂紙打磨和拋光達到鏡面效果,用王水腐蝕制得金相試樣,并使用光學金相顯微鏡觀察和分析熔覆層的組織形貌。使用HVS-1 000A型顯微硬度計進行顯微硬度測試。

圖4 鐵基合金粉末SEM圖

表1 鐵基合金球形粉末化學成分

表2 電弧增材制造工藝參數

4.1.2 宏觀形貌及尺寸的分析

圖5為不同工藝參數下單層單道試驗熔覆層表面宏觀形貌,其參數對應的具體數值如表2所示。如圖5a所示,在1號熔覆層中焊接電流較小為170 A時,熔覆層表面具有少量未完全熔化的黑色粉末;在5號熔覆層中當焊接電流過大為210 A時,熔覆層表現為扁平狀形貌。由圖5b可以看出:伴隨著焊接速度的增加,熔覆層寬度逐漸變窄。這是由于隨著焊接速度的提高,熱輸入逐漸減少,線能量降低[18],最終致使熔覆層單位長度上金屬粉末熔覆量少,寬度降低。此外,由6號熔覆層和9號熔覆層可以看出,6號熔覆層焊接速度較小為180 mm/min時,熔覆層具有光滑的表面,較為美觀;當9號試樣在焊接速度較大為210 mm/min時,熔覆層表面成形不美觀,且與基板具有較差的成形質量。通過圖5c可知:14號熔覆層送粉速度為24 g/min較大時,造成整體熔覆層美觀性不足;在焊接電流為190 A,焊接速度為180 mm/min,送粉速度為21 g/min時,熱輸入與金屬粉末進給量完美匹配時,金屬粉末鋪展性好,單層單道熔覆層具有良好的形貌,并且其平整度高。即在13號參數下單層單道熔覆層仍然表面光滑且無缺陷;當送粉速度大于21 g/min時,熔覆層表面成形質量較差。

(a) 不同焊接電流宏觀形貌 (b) 不同焊接速度宏觀形貌 (c) 不同送粉速度宏觀形貌

圖6為不同工藝參數下熔覆層寬度和高度變化。由圖6a可知:隨著焊接電流的增大,熔覆層寬度由7.0 mm逐漸增大到8.6 mm,高度逐漸由1.9 mm降低到1.7 mm。這是由于隨著焊接電流的增大,等離子弧能量增加,對基板的受熱區域增加,進而導致單位時間內加入熔池的合金量增加,熔覆層的寬度增加。此外焊接電流的增大導致單層單道熔覆過程中熱輸入提高,促使熔池的流動性提高,進而導致單層單道熔覆層高度降低。圖6b為不同焊接速度與熔覆層寬度和高度的關系,伴隨著焊接速度的增加,熔覆層寬度由10.0 mm逐漸降低到7.4 mm,高度由2.3 mm降低到1.5 mm。這是因為隨著焊接速度的提高,單層單道熔覆層熱輸入降低,基體受熱熔化區域面積減小;同時,焊接速度的提高導致單位時間內熔池的送粉量降低,熔池獲得的金屬粉末減少。因此,單層單道熔覆層的寬度與焊接速度成負相關關系,這也是導致隨著焊接速度的增大,熔覆層高度降低的原因。由圖6c可知:隨著送粉速度的增大,熔覆層寬度先達到最大值11.2 mm,后逐漸減小。這是因在較低的送粉速度下,電弧熱量相對較大,熱輸入與金屬粉末進給量可以匹配,當送粉速度增加時,單位時間內進入熔池的金屬量增加,熱輸入不變,熔池凝固速度增大,促使熔覆層寬度以及高度隨著送粉速度的增加呈現正相關關系;當材料送粉速度過大時,大部分電弧熱量用來熔化金屬粉末,造成基體受熱熔化區域面積減小,熔覆層寬度逐漸減小,而高度繼續增大。

(a) 不同焊接電流 (b) 不同焊接速度 (c) 不同送粉速度

4.1.3 組織分析

圖7～圖9為不同工藝不同參數下熔覆層中部微觀組織圖。圖7～圖9中,明亮部分為奧氏體,暗黑色部分為馬氏體[19],可以明顯看出熔覆層組織的尺寸大小、形態分布等呈現出較大的差異。說明等離子弧增材制造工藝參數對組織具有較大的影響。圖7為不同焊接電流下熔覆層中部的顯微組織。由圖7可知:在焊接電流比較小時,熔覆層組織相對較小,且分布不均勻;隨著焊接電流的增大,熔覆層的組織也逐漸增大,變為粗大形態,且分布較為集中。這是由于當其他工藝參數不變的條件下,焊接電流增大,等離子弧熱源提供的熱輸入增大,促進熔池溫度以及增材制造過程中熱積累的增大,導致熔池冷卻需要更多時間,進而使得晶粒可以有更多的時間長大,因此晶粒變得比較粗大。

(a) 170 A (b) 190 A (c) 210 A

圖8為不同焊接速度下熔覆層中部的顯微組織。由圖8可知:隨著焊接速度的增大,熔覆層的組織逐漸減小。這是由于當焊接速度小時,熔池加熱時間比較長,結晶時具有充足的時間來形核長大,形成較大的組織;當焊接速度過快時,熱輸入相對較小,散熱速度快,熔池加熱時間短,組織較小。

(a) 180 mm/min (b) 200 mm/min (c) 220 mm/min

圖9為電弧增材制造過程中不同送粉速度下熔覆層中部的顯微組織。由圖9可知:當焊接電流與焊接速度不變時,系統整體熱輸入量保持一定。當在較低的送粉速度下,熱輸入量一部分用來融化金屬粉末,另一部分將能量輸入到基板,此時熔覆層中的晶粒具有較長時間進行生長,組織較大;隨著送粉速度的提高,熱輸入量大部分用來融化金屬粉末,導致熔覆層與基板整體溫度梯度開始變小,熔池的冷卻速度隨著送粉量的增加逐漸變快,導致熔覆層的組織逐漸減小[20]。

(a) 15 g/min (b) 21 g/min (c) 27 g/min

4.1.4 硬度分析

對單層單道熔覆層不同工藝參數進行顯微硬度測試,設備運用HVS-1 000A型顯微硬度計進行顯微硬度測試,加載載荷為500 g,加載時間為10 s,沿截面厚度方向每隔0.5 mm測量1個點,最終硬度值如圖10所示。由圖10可以看出:在所有的工藝參數下,熔覆層的顯微硬度值都高于熱影響區以及基體的硬度,隨著不同工藝參數的變化,熔覆層的顯微硬度呈現鋸齒狀上下波動,導致這種結果存在的主要原因是熔覆層的硬度變化由晶粒細化、硬質相的分布不均勻、不規則導致[21-22]。圖10a為單層單道熔覆層在不同焊接電流工藝參數下的顯微硬度,單層單道熔覆層的顯微硬度隨著電流的增加而逐漸升高。當焊接電流大時,金屬粉末被完全均勻地融化,使得熔覆層含有大量的硬質相;而當焊接電流較小時,熔覆層中硬質相較少,導致硬度較低。圖11為5號試樣在3 000倍下微觀組織,表3為5號試樣熔覆層中不同區域組織的的主要成分。由表3可知:熔覆層中具有以Fe-Cr-C形成的化合物,是導致熔覆層硬度增大的原因。圖10b為熔覆層在不同焊接速度下的顯微硬度值。由圖10b可知:熔覆層的顯微硬度隨著焊接速度的增加,顯微硬度先升高后降低。分析認為,當焊接速度為220 mm/min時,組織細化,導致熔覆層硬度提高;然而當速度為200 mm/min時,熔覆層組織析出的硬質相較多,導致硬度比焊接速度為220 mm/min時高。圖10c為不同送粉速度下熔覆層的顯微硬度。隨著送粉速度增大,熔覆層的硬度先升高再降低。當送粉速度為21 g/min時,熔覆層顯微硬度最高,平均顯微硬度為864HV。這是由于當送粉速度為21 g/min時,熔覆層組織相對較小,具有硬質相析出,硬度較高,而當送粉速度過大時,硬度相析出較少,導致硬度降低。

(a) 不同焊接電流與硬度關系 (b) 不同焊接速度與硬度關系 (c) 不同送粉速與硬度關系

圖11 5號試樣熔覆層微觀組織

表3 5號試樣不同區域組織主要成分 %

5 結論

(1)設計了1套以PLC作為控制核心的送粉式等離子弧增材制造設備,并采用觸摸屏實現整體人機交換。在焊接電流為170～210 A、焊接速度180～220 mm/min和送粉速度為15～27 g/min的工藝窗口內,當焊接電流為190 A,焊接速度為180 mm/min,送粉速度為21 g/min時,可以得到表面光滑、無缺陷的熔覆層,此時熔覆層平均硬度為864HV。

(2)利用自搭建的送粉式等離子弧增材制造設備通過控制變量法對等離子弧增材制造工藝進行試驗研究,分析了焊接電流、焊接速度、送粉速度不同工藝參數對其宏觀形貌及尺寸的影響。隨著焊接電流的增大,單層單道熔覆層的寬度隨著電流的增大由7.0 mm增大到8.6 mm,高度隨著焊接電流的增大由1.9 mm降低到1.7 mm;對于焊接速度的增大,單層單道熔覆層的寬度和高度都隨著速度的增大而減小,寬度由10.0 mm降低到7.4 mm,高度由2.3 mm降低到1.5 mm;而隨著送粉速度的增大,單層單道熔覆層的寬度先達到最大值11.2 mm,然后開始減小,高度隨著送粉量的增加而增大。

(3)隨著焊接電流的增大,單層單道熔覆層中部的組織隨著電流的增大逐漸增大,硬度逐漸升高。隨著焊接速度和送粉速度的增大,熔覆層的組織都逐漸細化,硬度都先增大后降低。