倪程， 朱科宇， 范霽康， 楊東青， 彭勇， 王克鴻

(南京理工大學(xué),受控電弧智能增材技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

0 前言

鎂合金是密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有高比強(qiáng)度、高比剛度及優(yōu)良的阻尼性能和生物相容性，在輕量化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。電弧增材制造技術(shù)是一種以絲材為填充材料，電弧為熱源的增材制造技術(shù)，它的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低和材料適用性廣[4-5]，目前已經(jīng)成功應(yīng)用在鋼鐵、鋁合金和鎳基合金增材制造[6-8]。鎂合金電弧增材能夠滿足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)低能耗、高效率的追求，但其增材過(guò)程中的成形控制一直是有待解決的難題。

天津大學(xué)的張恒[9]對(duì)鎂合金冷金屬過(guò)渡電弧堆焊進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)疊加脈沖電流的CMT模式更適合用于鎂合金電弧增材，可以獲得較大潤(rùn)濕角的熔敷層，采用直流CMT模式增材，熔敷層金屬很難鋪展開(kāi)。Hisataka等人[10]采用等離子弧為熱源，AZ91D鎂合金為絲材，制備了多層多道構(gòu)件，并對(duì)試樣的耐蝕性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示比鑄態(tài)AZ91D鎂合金相比，耐蝕性有一定的提升。Guo等人[11]對(duì)AZ31鎂合金TIG電弧增材脈沖頻率對(duì)組織性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率對(duì)增材構(gòu)件的宏觀組織、微觀組織及力學(xué)性能有顯著影響。倪加明等人[12]對(duì)鎂合金CMT電弧增材單道沉積層表面形貌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電流為120～160 A、沉積速度為10～12 mm/s 時(shí)，沉積層寬度均勻一致，寬高比和接觸角也較大。綜上所述，已有文獻(xiàn)針對(duì)鎂合金電弧增材成形質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，但都是采用的固定工藝參數(shù)增材，研究也主要集中在焊接參數(shù)優(yōu)化方面，而未考慮到不同高度的熱量積累帶來(lái)的影響。

為了解決鎂合金由于熱量積累而在電弧增材中出現(xiàn)的成形不良問(wèn)題，文中對(duì)AZ91鎂合金TIG電弧增材成形尺寸進(jìn)行建模，得到了電流、送絲速度、增材速度等工藝參數(shù)對(duì)增材層寬的影響模型，并基于模型優(yōu)化單道多層結(jié)構(gòu)件電弧增材工藝，提高了AZ91鎂合金TIG電弧增材成形精度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用的TIG電弧機(jī)器人增材制造系統(tǒng)如圖1所示，主要由機(jī)器人、焊接電源、焊槍、工作臺(tái)等組成。機(jī)器人及控制系統(tǒng)采用的是南京埃斯頓公司生產(chǎn)的ER12-1510小負(fù)載機(jī)器人，該機(jī)器人有6個(gè)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)軸，重復(fù)精度誤差在0.05 mm，滿足電弧增材要求。焊接電源為丹麥米加尼克PI350-500-AC型號(hào)TIG電源，該款電源適用于直流和交流TIG焊接。送絲機(jī)型號(hào)是CWF，是米加尼克公司開(kāi)發(fā)的與焊接電源配套的送絲機(jī)。

圖1 電弧增材試驗(yàn)裝備

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的是河南維可托鎂合金科技有限公司生產(chǎn)的AZ91鎂合金焊絲，直徑為φ1.2 mm，基板是AZ91鎂合金基板，尺寸為450 mm×150 mm × 10 mm，絲材和基板的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)前需要使用角磨機(jī)去除鎂合金基板表面的氧化膜，然后用酒精進(jìn)行清洗吹干。

表1 AZ91的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 建模方法

根據(jù)前期基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)，得到AZ91鎂合金TIG電弧增材工藝參數(shù)(增材電流、送絲速度、增材速度)范圍見(jiàn)表2。然后采用響應(yīng)曲面法將工藝參數(shù)設(shè)計(jì)為3因素、5水平，用Design-Expert軟件的Box-Behnken Design模塊分析不同工藝參數(shù)水平和增材層寬之間的數(shù)學(xué)模型和影響程度大小，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將3個(gè)因素的編碼水平分別設(shè)置為-1.682，-1，0，+1，+1.682，得到工藝參數(shù)編碼值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表3，其中±1.682水平代表工藝參數(shù)水平的最大最小值；0水平代表工藝參數(shù)整體的平均值；±1水平代表工藝參數(shù)位于最大最小值和平均值之間的水平。

表2 工藝參數(shù)區(qū)間

表3 工藝參數(shù)編碼表

2 工藝參數(shù)對(duì)單道成形的影響規(guī)律

2.1 熔寬與工藝參數(shù)的關(guān)系模型

根據(jù)表3所示的工藝參數(shù)編碼表進(jìn)行工藝試驗(yàn)并測(cè)量焊縫尺寸，得到具體結(jié)果見(jiàn)表4。然后使用Design-Expert軟件進(jìn)行了二次回歸響應(yīng)分析建模，得到層寬W與各工藝參數(shù)間的關(guān)系式如下：

W=7.08+0.57A+0.031B-0.51C+0.04AB+0.015AC+

0.085BC-0.099A2-0.1B2+0.17C2

(1)

式中：A為增材電流編碼值；B為送絲速度編碼值；C為增材速度編碼值。

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

在利用響應(yīng)曲面結(jié)果優(yōu)化工藝參數(shù)前，對(duì)模型和系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，表5為二次回歸方程中各個(gè)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的F值及P值。F檢驗(yàn)，又稱方差齊性檢驗(yàn)的值，P值代表指標(biāo)顯著性。當(dāng)P值小于0.05時(shí)，即認(rèn)為該指標(biāo)顯著；當(dāng)P值小于0.01時(shí)，即為高度顯著。將P值大于0.05不顯著項(xiàng)從表達(dá)式中剔除后，得到層寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

W=7.08+0.57A-0.51C

(2)

W=2.624 1+0.063 91I-2.318 2Vf

(3)

轉(zhuǎn)換為實(shí)際工藝參數(shù)值后的回歸方程為：

表5 二次回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)增材構(gòu)件層寬的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制，需要分析不同工藝參數(shù)及其交互項(xiàng)對(duì)尺寸大小的影響。通過(guò)Design-Expect軟件將3個(gè)工藝參數(shù)中的1個(gè)參數(shù)設(shè)置為0，就能得到另外2個(gè)工藝參數(shù)及其交互項(xiàng)對(duì)層寬尺寸的影響程度和響應(yīng)曲面。

將增材電流的編碼值置于0水平，增材速度與送絲速度對(duì)層寬的響應(yīng)曲面如圖2所示。從圖中可以看出，響應(yīng)面變化平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的曲面特征，等高線呈線性分布。相比送絲速度，增材速度對(duì)層寬的影響更大。將增材速度的編碼值置于0水平，可以得到如圖3所示的送絲速度與增材電流對(duì)層寬的響應(yīng)曲面圖。從圖中可以看出，響應(yīng)面變化平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的曲面特征，等高線呈線性分布。相比送絲速度，增材電流大小對(duì)于層寬的影響更大。將送絲速度的編碼值置于0水平，可以得到如圖4所示的增材電流與增材速度對(duì)層寬的響應(yīng)曲面圖。從圖中可以看出，響應(yīng)面變化平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的曲面特征，等高線呈線性分布。相比增材速度，電流大小對(duì)于層寬的影響更大。

圖2 送絲速度與增材速度對(duì)層寬的影響

圖3 增材電流與送絲速度對(duì)層寬的影響

圖4 增材電流與增材速度對(duì)層寬的影響

由此可知，對(duì)層寬影響最大的是增材電流，其次是增材速度，影響最小的是送絲速度。

2.2 熔寬與工藝參數(shù)的關(guān)系模型驗(yàn)證

進(jìn)一步驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)精度，選取的試驗(yàn)工藝參數(shù)及對(duì)應(yīng)的層寬尺寸數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)值和誤差率見(jiàn)表6。層寬預(yù)測(cè)誤差率最大為9.15%，最小為1.24%，平均誤差為5.35%，誤差在可以接受的范圍，工藝參數(shù)與層寬的數(shù)學(xué)模型精度符合試驗(yàn)需求。

表6 試驗(yàn)工藝參數(shù)及結(jié)果

3 基于層寬分層控制的成形工藝優(yōu)化

3.1 固定工藝參數(shù)下的電弧增材成形

為了獲得固定工藝參數(shù)下的電弧增材成形誤差信息，首先采用表7所示的工藝參數(shù)進(jìn)行單道多層增材，然后基于層寬成形誤差模擬計(jì)算工藝參數(shù)修正值。

表7 固定工藝單道增材工藝參數(shù)

采用表7所示的固定工藝進(jìn)行了鎂合金單道多層構(gòu)件的增材，共計(jì)進(jìn)行了40層往復(fù)式增材，增材構(gòu)件的宏觀成形形貌和截面如圖5所示。從圖中可以看出沿著增材堆積方向，鎂合金直壁構(gòu)件的層寬呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在增材若干層后層寬將趨于穩(wěn)定。原因是鎂合金導(dǎo)熱率大，散熱性能好，在進(jìn)行底層增材時(shí)，因?yàn)榭拷澹瑹崃客ㄟ^(guò)基板向四周迅速散熱，因此在前3層熔池的流動(dòng)性較差且凝固速度快，熔敷層的層寬較小。3層后隨著增材層數(shù)的增加，增材時(shí)熱源距離基板的越來(lái)越遠(yuǎn)，且基板的熱累積也越來(lái)越大，鎂合金構(gòu)件向基板傳熱散熱的速率減慢，散失的熱量變少，熔池的流動(dòng)性也改善，故層寬越來(lái)越寬。當(dāng)增材到一定層數(shù)后，基體的熱累積速度與散熱速度一致，增材構(gòu)件的層寬不再大幅變化。

圖5 固定工藝參數(shù)下的增材成形形貌

3.2 基于層寬分層控制的電弧增材成形

當(dāng)增材電流從第1層到第40層為135 A不變時(shí)，統(tǒng)計(jì)得到鎂合金增材構(gòu)件每層層寬見(jiàn)表8，可以發(fā)現(xiàn)從第3層開(kāi)始層寬迅速增大，到第8層以后層寬不再發(fā)生明顯變化。按照單道層寬預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，當(dāng)增材電流為135 A，不考慮熱量積累時(shí)，層寬的預(yù)測(cè)值為7.08 mm，前3層平均誤差為2.6%，可以認(rèn)為前3層數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型相符。但由于熱量積累等因素影響，3層以后層寬明顯增加。因?yàn)楹附庸に噮?shù)中對(duì)鎂合金層寬影響最大的是增材電流，所以該文通過(guò)改變?cè)霾碾娏髦祦?lái)對(duì)上層增材層寬進(jìn)行修正。

表8 增材電流計(jì)算值與實(shí)際設(shè)定值

根據(jù)固定參數(shù)(增材電流135 A)下增材樣件實(shí)際層寬通過(guò)式(4)計(jì)算得到第N層在沒(méi)有熱量積累條件下的理論焊接電流INT；然后，為了保證在熱量積累條件下上下層保持一致，通過(guò)式(4)對(duì)第N層實(shí)際設(shè)定電流INA進(jìn)行修正計(jì)算，每層的實(shí)際設(shè)定電流大小見(jiàn)表8。

(4)

式中:I1為第1層焊接時(shí)的電流。

式(4)的實(shí)質(zhì)是在不考慮散熱條件下，為了保證熔寬一致，對(duì)實(shí)際增材電流進(jìn)行了等比例計(jì)算，使上層因熱量積累增加的熔寬通過(guò)減小電流實(shí)現(xiàn)控制。由表8可知，當(dāng)直壁體層寬穩(wěn)定后，增材電流不再變化，最終的工藝參數(shù)為增材電流90 A，增材速度3 mm/s，送絲速度1.8 m/min。

基于層寬分層控制的鎂合金增材構(gòu)件宏觀成形形貌和截面如圖6所示，沿著增材方向，除了在靠近基板處由于散熱過(guò)快，熔池迅速凝固，層寬存在輕微波動(dòng)，隨著增材層數(shù)增加，層寬趨于平穩(wěn)。增材構(gòu)件的每層層寬變化如圖7所示，最大寬度為7.85 mm，與第1層寬度值6.90 mm相比，偏差值為0.95 mm，有效的減少了直壁構(gòu)件層寬的變化。

圖6 基于層寬控制的增材成形形貌

圖7 單道多層增材寬度變化

4 結(jié)論

(1)利用Design-Expert軟件研究了AZ91鎂合金TIG電弧增材的電流、送絲速度、增材速度這3個(gè)主要工藝參數(shù)和熔敷層層寬的關(guān)系，并建立了它們之間的數(shù)學(xué)模型。

(2)通過(guò)響應(yīng)面得到了各工藝參數(shù)對(duì)于層寬的影響程度，對(duì)層寬影響最大的是增材電流，其次是增材速度，影響最小的是送絲速度。

(3)利用模型優(yōu)化了增材電流，通過(guò)改變電流來(lái)控制直壁構(gòu)件層寬，增材制備的單道多層構(gòu)件自上至下的層寬波動(dòng)起伏小，層寬偏差值由4.54 mm減小到0.94 mm，提高了增材成形質(zhì)量。