李璐鵬，張剛，朱珍文，任自友，石玗，樊丁

(蘭州理工大學(xué),省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,730050)

0 序言

與激光、電子束增材制造相比，電弧增材制造具有材料利用率高、成形速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，非常適合于大尺寸結(jié)構(gòu)件的快速近凈成形.然而，以熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊等焊接方法發(fā)展而來的電弧增材制造技術(shù)具有明顯的不足之處，主要體現(xiàn)在：①電弧高熱輸入引起的嚴(yán)重?zé)崂鄯e效應(yīng)；②電弧熱平衡邊界突變；③電弧-熔池?zé)豳|(zhì)傳輸?shù)膹?qiáng)耦合作用.以上綜合作用使增材熔池極易失去熱力平衡導(dǎo)致成形過程穩(wěn)定性變差，成形表面變得粗糙不平以及產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和組織各向異性[3].這將直接影響其在工程中的一次性使用，因此，提高電弧增材成形精度是實(shí)現(xiàn)成形件工程化應(yīng)用的前提.

針對提高電弧增材成形精度，縱觀國內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，主要包括：①從電弧穩(wěn)定性和熱輸入精確可控著手，專家學(xué)者們采用多種改進(jìn)型或新型熱源來減少沉積熱輸入，提高電弧穩(wěn)定性及熔池動態(tài)平衡維持能力，進(jìn)而提高增材成形精度[4-6]；② 在電弧增材成形尺寸在線檢測與閉環(huán)控制方面，采用不同的傳感器獲得成形尺寸信息，建立成形尺寸預(yù)測控制模型，實(shí)現(xiàn)沉積層尺寸控制[7-10].通過建立工藝參數(shù)與沉積層成形質(zhì)量的關(guān)系模型，模擬研究了工藝參數(shù)對增材過程應(yīng)力場、溫度場、流場等影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝嚴(yán)格控制焊接參數(shù)提高成形精度[11-12]；③采用機(jī)加工的增減材復(fù)合制造來保證電弧增材成形精度[13-14].上述研究成果在一定程度上提高了成形件尺寸精度，但始終沒有解決電弧-熔池系統(tǒng)強(qiáng)耦合與成形精度間的矛盾.

為此提出一種步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材制造方法，利用高、低脈沖電流群波形匹配步進(jìn)送絲波形實(shí)現(xiàn)電弧增材過程熱質(zhì)傳輸?shù)慕怦?，提高成形過程穩(wěn)定性和成形精度.在闡述該方法的電弧增材成形原理基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究分析了送絲方式對增材成形過程中焊絲熔化、熔滴過渡、熔池行為和成形尺寸精度的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)原理與系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)原理

圖1 為步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材試驗(yàn)原理.在增材過程中，低脈沖電流群階段內(nèi)送絲機(jī)不送絲，電弧僅熔化母材形成一特定尺寸的熔池；高脈沖電流群階段內(nèi)開始送絲，電弧主要熔化定量焊絲形成熔滴，并使熔滴以更小尺寸、高頻率快速過渡到熔池，完成一個(gè)高低脈沖電流群周期內(nèi)的熱質(zhì)傳輸過程.隨著工件移動，雙脈沖電流群周期性重復(fù)作用于定步長送進(jìn)的焊絲，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的傳質(zhì)傳熱過程，最終形成直壁墻增材件.雙脈沖電流波形與送絲波形的匹配設(shè)計(jì)有效的將常規(guī)熔化極氣體保護(hù)焊或TIG 填絲增材過程中的傳質(zhì)耦合傳輸進(jìn)行了解耦或弱化了熱質(zhì)傳輸?shù)膹?qiáng)耦合作用.為采用電弧熱源實(shí)現(xiàn)增材成形精度的精確控制提供了可能.

圖1 步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材制造試驗(yàn)原理Fig.1 Principle of double-pulsed TIG additive manu facturing with stepped filling wire. (a) double pulsed current waveform; (b) stepper feed waveform;(c) schematic diagram of melt pool formation and drop growth transition

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材制造平臺由焊接系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)組成，如圖2 所示.

圖2 步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of double-pulsed TIG additive manufacturing with stepped filling wire

焊接系統(tǒng)由TIG 焊機(jī)和雙脈沖波形控制系統(tǒng)組成.采用LabView 軟件平臺設(shè)計(jì)了雙脈沖電流波形并通過硬件連接實(shí)時(shí)發(fā)送到焊機(jī)中進(jìn)行控制.TIG 焊機(jī)采用唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司的TSP300 晶閘管型焊機(jī)，送絲機(jī)采用唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司的YI-18TH 型高效數(shù)字填絲裝置.視頻采集系統(tǒng)由Phantom VEO 340L 型高速攝像機(jī)、DIAS 短波紅外成像儀以及鏡頭、濾光片等配件組成.運(yùn)動控制系統(tǒng)由單軸滑臺配合UR-5 型機(jī)器人手臂組成，利用機(jī)器人手臂固定TIG 焊槍，單軸滑臺控制焊接方向.試驗(yàn)用基板為100 mm × 60 mm ×12 mm 的316L 奧氏體不銹鋼板，焊絲采用直徑為1.0 mm 的ER308 不銹鋼焊絲.保護(hù)氣體采用99.999%的高純氬氣，氣體流量為15 L/min.在圖2 所示的試驗(yàn)平臺上采用表1 參數(shù)進(jìn)行多層單道直壁墻電弧增材制造試驗(yàn)，送絲方式采用前送絲和后送絲，鎢針垂直于基板.紅外熱成像儀采樣率為60 幀/s，高速攝像采樣率為2 000 幀/s.

表1 沉積工藝參數(shù)Table 1 Deposition process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 送絲方式對成形精度的影響

采用表1 中沉積工藝參數(shù)在316L 不銹鋼平板試件上進(jìn)行了直壁墻電弧增材制造試驗(yàn).在沉積工藝參數(shù)不變的情況下，僅改變送絲方式獲得的增材成形件形貌如圖3 所示.

圖3 不同送絲模式下成形件形貌Fig.3 Formation shape with different wire feed pattern.(a) rear wire feeding mode;(b) lead wire feeding mode

為了定量對比成形件在高度方向上的尺寸變化，采用圖像處理的方法測量了圖3 中6 條線所示的成形件沉積層的層高，并計(jì)算了每一層的層高平均值，測量結(jié)果如圖4 所示.

圖4 沉積層高度Fig.4 Vertical height of deposited layers

從圖3 的沉積層宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，前送絲方式下沉積層成形精度比較低，橫縱向幾何尺寸波動很大，熔池頻繁出現(xiàn)失穩(wěn)塌陷，出現(xiàn)階梯狀，上一沉積層對下一沉積層熔化量多，沉積件層高變化范圍為0.74～ 1.17 mm；后送絲方式下沉積件階梯狀形貌明顯改變，整體整形良好，且層高變化范圍為0.87～1.06 mm，高度方向變化較平緩，前9 層層高基本維持在0.90 mm 附近，由此推斷每一沉積過程中熔池穩(wěn)定性得到良好控制、幾何尺寸偏差較小.圖4也顯示出前送絲沉積層層高從下到上呈鋸齒狀突變，表明沉積過程熔池不穩(wěn)定，出現(xiàn)熔池塌陷等缺陷.通過測量成形精度良好段(2～ 4 號線)的沉積層寬度變化值發(fā)現(xiàn)，前送絲方式下寬度變化值在4～8 mm 范圍內(nèi)，后送絲方式下寬度變化值在5～ 6 mm范圍.為揭示不同送絲方式下沉積件成形精度的變化原因和優(yōu)化控制工藝獲得良好成形的直壁墻增材件，重點(diǎn)從熔滴過渡、熔池動態(tài)行為變化進(jìn)行了深入分析.

2.2 送絲方式對焊絲熔化效率的影響

利用高速攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集了兩種送絲方式下不同沉積層熔滴過渡到熔池的臨界典型圖像，如圖5 所示.從圖5 可知，后送絲時(shí)一個(gè)熔滴過渡到熔池中需一個(gè)高脈沖周期；前送絲時(shí)一個(gè)熔滴完成過渡需兩個(gè)高脈沖周期.

圖5 不同沉積層一個(gè)脈沖周期內(nèi)的臨界熔滴過渡圖像Fig.5 Droplet shape in one pulsed cycle with different deposited layer.(a) rear wire feeding mode;(b) lead wire feeding mode

利用球體模型近似熔滴，計(jì)算了熔滴質(zhì)量如圖6 所示.由圖6 可知，在一個(gè)高脈沖周期內(nèi)，后送絲熔滴質(zhì)量約為0.011 7～ 0.012 1 g，前送絲熔滴質(zhì)量約為0.009 93～ 0.010 9 g.因?yàn)楹笏徒z時(shí)焊絲不僅被電弧加熱，而且受到熔池輻射加熱.同時(shí)，采用步進(jìn)填絲方式時(shí)，前送絲和后送絲焊絲送進(jìn)量和電弧熱輸入均是相同的，但總熱輸入后送絲高于前送絲.因此，后送絲方式下所熔化的焊絲質(zhì)量大于前送絲的即單位時(shí)間內(nèi)熔化的焊絲質(zhì)量增加，熔化效率增加，且后送絲方式下焊絲尖端距離熔池表面較近，熔滴更容易接觸熔池，進(jìn)而熔滴變得更小，過渡頻率更高.

圖6 熔滴質(zhì)量Fig.6 Mass of droplet

2.3 送絲方式對熔滴過渡行為的影響

選取前、后送絲方式下焊絲熔化、熔滴并過渡到熔池中的連續(xù)圖像進(jìn)行熔滴過渡行為分析，如圖7和圖8 所示.從圖7 可以看出，前、后送絲方式下熔滴均以搭橋形式過渡，但熔滴過渡尺寸明顯不同；前送絲的焊絲熔化位置位于熔池前端，豎直方向距熔池表面較遠(yuǎn)，定長送進(jìn)的焊絲被電弧熔化后，形成的熔滴尺寸若不足以與熔池表面接觸，難以依賴于自身的重力和電弧等離子流力而過渡到熔池中或者幾個(gè)高脈沖周期作用形成大尺寸熔滴，與熔池接觸發(fā)生過渡.因此，增材沉積過程中質(zhì)量傳輸不穩(wěn)定，同時(shí)大尺寸熔滴過渡到熔池時(shí)，熔池表面波動大，熔池穩(wěn)定性變差，進(jìn)而影響沉積層成形精度.而采用后送絲方式時(shí)，焊絲熔化位置位于熔池正上方，在豎直方向距熔池表面很近，熔滴可以以較小尺寸過渡到熔池中，對熔池表面沖擊力減小，沉積傳質(zhì)過程變得穩(wěn)定，因此，從傳質(zhì)角度保證了成形過程的穩(wěn)定與均勻.

圖7 熔滴過渡行為Fig.7 Droplet transfer behavior.(a) rear wire feeding mode;(b) lead wire feeding mode

圖8 熔滴過渡受力分析Fig.8 Force analysis of droplet transition.(a) lead wire feeding mode;(b) rear wire feeding mode

圖9 為采用圖像處理的方法測量計(jì)算獲得的熔滴尺寸變化.前送絲熔滴半徑變化范圍是0.883～0.911 mm，后送絲熔滴半徑變化范圍為0.703～0.730 mm.由此可知，熔滴過渡的不穩(wěn)定性及傳質(zhì)過程的不穩(wěn)定是造成沉積層成形尺寸在高度和寬度方向不一致的關(guān)鍵因素之一.

圖9 不同送絲方式下的熔滴半徑Fig.9 Droplet radius of different transfer mode

2.4 送絲方式對熔池行為的影響

熔滴過渡模式及尺寸對熔池瞬態(tài)熱力平衡引起波動，造成成形精度變化.因此，提取熔池表面波動數(shù)據(jù)來表征熔池的穩(wěn)定性及預(yù)測沉積層成形精度.采用熔滴熔入到熔池中引起表面高度最大變化值ΔH來進(jìn)行表征，如圖10 所示.連續(xù)提取從第1～ 5 層給定一低脈沖群內(nèi)的熔池表面波動數(shù)據(jù)，前、后送絲的波動情況分別如圖11 所示.

圖10 熔池高度提取示意圖Fig.10 Schematic diagram of weld pool height.(a) rear wire feeding mode;(b) lead wire feeding mode

圖11 熔池表面高度變化Fig.11 Variation of weld pool height. (a) rear wire feeding mode;(b) lead wire feeding mode

結(jié)合圖10 和圖11 可知，不同送絲方式下每一沉積層熔池表面均動態(tài)變化；后送絲方式下第1 至第5 層沉積熔池表面高度在0.76～ 1.74 mm 間變化，前送絲下高度在0.27～ 2.07 mm 之間浮動.整體呈現(xiàn)出前送絲熔池波動較劇烈，后送絲曲線波動比較平緩；且表面高度變化小的沉積層最終成形較好，與圖3 所示的沉積件形貌一致.因此，利用增材沉積熔池表面高度變化來預(yù)測沉積層形貌及成形精度是可行的，為檢測控制成形精度提供了新的測量方法.

增材沉積過程中熔池寬度變化直接反映著沉積層側(cè)面成形幾何尺寸精度，因此，為研究不同送絲方式下熔池寬度的動態(tài)變化規(guī)律，從采集的熔池視頻圖像中提取了不同沉積層多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的正面熔池寬度特征數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖12 所示.同時(shí)，采用紅外熱成像儀采集了每一層沉積結(jié)束熄弧瞬間熔池表面的溫度變化圖像，獲得了熔池表面的最高溫度，結(jié)果如圖13 所示.

圖12 熔池寬度Fig.12 Weld pool width

圖13 不同沉積層熄弧瞬間熔池最高溫度Fig.13 Molten pool maximum temperature of different deposition layers

由圖12 和圖13 可見，第1～ 10 層沉積過程中，前送絲的熔池寬度變化范圍為6.1～ 8.3 mm，熔池表面最高溫度在1 490～ 1 752 ℃之間變化；后送絲的熔池寬度變化范圍為6.3～ 7.3 mm，熔池表面最高溫度在1 366～ 1 637 ℃之間變化.分析認(rèn)為，在前送絲方式下，焊絲尖端在熔池正前端且豎直方向距離熔池表面較高.因此，焊絲熔化所形成的熔滴不能以小尺寸快速過渡到熔池，而形成較大體積尺寸熔滴并與熔池表面接觸過渡.在此過程中高脈沖電流群作用焊絲時(shí)間增長，同時(shí)對熔池的熱輸入也不斷增加，導(dǎo)致對上一沉積層的稀釋率增加，熔池自身體積變大；另外，較大熔滴過渡到熔池中，熔池質(zhì)量進(jìn)一步增加，產(chǎn)生較大的表面沖擊，在此雙重?zé)豳|(zhì)作用下熔池極易發(fā)生失穩(wěn)，形成階梯狀沉積層.熄弧瞬間較高的熔池表面溫度使表面張力對液態(tài)金屬的約束能力減弱，加劇了熔池狀態(tài)的失穩(wěn).反之，后送絲模式下，焊絲熔化質(zhì)量基本相同，但熔滴過渡頻率增加，尺寸減小，且高脈沖電流群加熱焊絲時(shí)間變短，熔池?zé)彷斎霚p小，導(dǎo)致前一沉積層稀釋率下降，熔池自身體積略微增加，且熄弧熔池表面溫度明顯低于前送絲的，因此，熔池的熱力平衡狀態(tài)更穩(wěn)定，發(fā)生失穩(wěn)液態(tài)金屬側(cè)流淌形成階梯狀形貌的能力減弱.由此說明，熔池表面張力對維持熔池動態(tài)穩(wěn)定具有重要的作用.

從圖12 可知，前、后送絲方式下，隨沉積層數(shù)的增多，熔池寬度都有增加，沉積層成形寬度也增加.主要因?yàn)閺南孪蛏显霾纳釛l件變差，熱積累增強(qiáng)，致使高層沉積過程中熔池溫度升高，表面張力減小，稀釋率增加，熔池約束力減小，易向兩側(cè)流淌，出現(xiàn)側(cè)階梯狀形貌.基于以上試驗(yàn)結(jié)果，采用熔池表面寬度和表面溫度信息也可以表征沉積層尺寸變化情況，預(yù)測增材成形精度.

3 結(jié)論

(1) 步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材制造方法能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的電弧增材沉積過程，獲得成形精度較高的直壁墻成形件.

(2) 步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材熔滴以液橋模式過渡為最佳，后送絲方式下沉積層高變化約為0.98 mm，橫向?qū)挾茸兓s為1.0 mm；前送絲沉積層高變化約為1.80 mm，橫向?qū)挾茸兓s為2.2 mm，呈現(xiàn)出側(cè)面階梯狀形貌，成形精度較低.

(3) 采用熔池表面波動幅值、熔寬及熄弧表面最高溫度信息表征步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材制造過程穩(wěn)定性及預(yù)測成形精度是可行的，為增材過程檢測與控制提供了一種新方法.

(4) 前、后送絲方式下造成步進(jìn)填絲雙脈沖TIG 電弧增材成形精度不同的主要原因是：焊絲熔化效率改變、熔滴過渡尺寸不同造成的傳質(zhì)過程不穩(wěn)定和熔池自身體積變化及熱輸入變化打破熔池受力平衡態(tài)雙重作用的熔池失穩(wěn)，最終導(dǎo)致成形精度下降.