李夢(mèng)楠，韓紅彪，李世康，侯玉杰

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,洛陽,471003)

0 序言

電火花沉積(Electric-spark Deposition，ESD)技術(shù)是一種利用高能脈沖放電將電極材料熔化并沉積到工件表面的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于零部件的表面強(qiáng)化與修復(fù)等方面，已經(jīng)成為綠色制造工程領(lǐng)域中重要的表面工程技術(shù)之一[1-3].

目前，對(duì)電火花沉積涂層性能方面的研究較多[4]，主要集中在高熵合金涂層[5-8]和陶瓷涂層方面.Chandrakant 等人[9]采用電火花沉積方法在AISI410不銹鋼表面沉積了AlCoCrFeNi 高熵合金，分析了涂層的組織成分、硬度和耐磨性等.Geambazu 等人[10]在不銹鋼基體表面電火花沉積了CoCrFeNiMo0.85高熵合金，試驗(yàn)結(jié)果表明涂層與基體具有良好的附著力和耐蝕性.Aghajani 等人[11]采用電火花沉積工藝在St52 碳鋼基體上沉積 WC-TiC-Co-Ni 陶瓷層，試樣電化學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了涂層的良好質(zhì)量和較高的靜電放電效率.Yusuf 等人[12]采用WC 電極在AISI1040、AISI4140 和AISI5140 鋼表面進(jìn)行電火花沉積，通過摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沉積WC 的AISI5140 鋼的耐磨性最好.王文權(quán)等人[13]采用電火花沉積技術(shù)在 H13 鋼基體上制備了WCNi 基金屬陶瓷涂層，并分別以Ni 和Mo 作為過渡層制備了復(fù)合涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合涂層具有較好的耐磨性.耿銘章等人[14]在H13 鋼表面沉積了Ni/Ti(C,N) 金屬陶瓷復(fù)合涂層，研究結(jié)果表明采用電火花沉積技術(shù)制備的Ni/Ti(C,N) 金屬陶瓷復(fù)合涂層能提高H13 鋼表面的硬度和耐磨性.

國內(nèi)外研究人員在電火花沉積自動(dòng)化和接觸力控制方面做了一些研究工作.王小榮等人[15]采用一種專用沉積刀柄，構(gòu)建了由電火花沉積電源、數(shù)控銑床和計(jì)算機(jī)組成的電火花自動(dòng)沉積系統(tǒng)，在45 鋼上制備了AlCoCrFeNi 高熵合金涂層.Brochu等人[16]采用電火花沉積堆焊技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑、移動(dòng)速度和電極的接觸力等參數(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)金屬零件的自由成形.Frangini 等人[17]采用彈簧加載實(shí)現(xiàn)接觸力的動(dòng)態(tài)控制，發(fā)現(xiàn)該動(dòng)態(tài)接觸力控制系統(tǒng)可改善電火花沉積涂層的性能.王順等人[18]設(shè)計(jì)一種帶阻尼功能的接觸力控制裝置，進(jìn)行了不同接觸力下的電火花沉積試驗(yàn).高瑩等人[19]設(shè)計(jì)了一種杠桿結(jié)構(gòu)加載的電極力調(diào)節(jié)裝置，在Cr12MoV 模具鋼上電火花沉積YG6 涂層，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)電極力是影響沉積層質(zhì)量與沉積效率的關(guān)鍵參數(shù).Elaiyarasan 等人[20]在鎂合金表面電火花沉積WCCu 涂層，選取壓緊載荷、放電電流、脈沖時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，壓實(shí)荷載是影響材料轉(zhuǎn)移效率和顯微硬度的主要參數(shù).

文中設(shè)計(jì)一種接觸力閉環(huán)自動(dòng)控制裝置，在不同接觸力下進(jìn)行電火花自動(dòng)沉積試驗(yàn)，來探索旋轉(zhuǎn)電極接觸力對(duì)電火花沉積放電過程參數(shù)和材料轉(zhuǎn)移的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

電火花自動(dòng)沉積系統(tǒng)由電火花沉積電源、接觸力自動(dòng)控制裝置、數(shù)控二維工作臺(tái)等組成，其工作原理圖如圖1 所示.

圖1 電火花自動(dòng)沉積系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Principle of ESD automatic system

接觸力自動(dòng)控制裝置主要由焊槍進(jìn)給機(jī)構(gòu)、彈性浮動(dòng)滑臺(tái)、夾槍機(jī)構(gòu)、接觸力自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成.該裝置采用非接觸位移傳感器檢測(cè)浮動(dòng)滑臺(tái)的位移，將電極與工件之間的接觸力轉(zhuǎn)變?yōu)楦?dòng)滑臺(tái)的位移進(jìn)行測(cè)量，由接觸力自動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)焊槍進(jìn)給電機(jī)和滑臺(tái)控制焊槍沿其軸線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了接觸力的閉環(huán)自動(dòng)控制和電極的自動(dòng)進(jìn)給.該裝置的詳細(xì)工作原理可參考文獻(xiàn)[21].

在電火花自動(dòng)沉積過程中，輸出脈沖規(guī)范參數(shù)由沉積電源控制，數(shù)控二維工作臺(tái)控制沉積電源輸出脈沖的啟停和焊槍的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)控制工件相對(duì)于電極按照設(shè)定的軌跡作平面運(yùn)動(dòng)；接觸力自動(dòng)控制裝置可控制電極自動(dòng)進(jìn)給，同時(shí)自動(dòng)控制電極與工件之間的接觸力一直保持為設(shè)定值.

1.2 試驗(yàn)材料

電極選用直徑3.2 mm、長50 mm 的45 鋼，端部錐角為45°，工件選用15 mm × 15 mm × 3 mm的45 鋼板.

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

在其它規(guī)范參數(shù)保持不變的情況下，進(jìn)行接觸力分別為0.5，1，1.5，2，3，4 N 和5 N下的電火花自動(dòng)沉積試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分別做5 次.電極與工件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2 所示，電極與工件的夾角為45°，接觸位置由A 點(diǎn)按軌跡移動(dòng)到B 點(diǎn)，再由B 點(diǎn)按軌跡移動(dòng)返回到A 點(diǎn)，如此循環(huán)往復(fù)共沉積36 層.電極與工件的相對(duì)移動(dòng)速度v=5 mm/s，焊道寬度為1 mm，沉積面積為10 mm ×10 mm.沉積試驗(yàn)均在室溫條件進(jìn)行，其它規(guī)范參數(shù)為：脈沖電壓U=32 V，脈沖頻率f=50 Hz，脈沖寬度tp=138 μs，電極轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，沉積時(shí)間t=15 min，保護(hù)氣體氬氣流量Q=10 L/min.

圖2 電極與工件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Relative position and relative motion track of electrode and workpiece

1.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，分別對(duì)電極和工件表面進(jìn)行打磨與清洗.試驗(yàn)中，觀察電火花自動(dòng)沉積過程中的放電現(xiàn)象，并用 Tektronix MSO 4032 型示波器采集沉積過程中的放電電壓和電流波形.用Metter Toledo AL104 型精密電子天平分別稱重沉積試驗(yàn)前后電極和工件的質(zhì)量，然后計(jì)算出電極消耗量m1、工件增加量m2、沉積效率η=m2/t和轉(zhuǎn)移效率K=m1/m2的平均值.試驗(yàn)后，用LJ-X8000A 型激光掃描儀測(cè)量沉積層的平均厚度h和表面粗糙度，采用SRL-7 045 型顯微鏡觀察沉積層表面形貌和截面形貌.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沉積過程中的放電波形

對(duì)每一個(gè)接觸力的5 次沉積試驗(yàn)過程，用示波器分別采集了5 組數(shù)據(jù)，每組約19～ 20 個(gè)放電脈沖波形.對(duì)不同接觸力下沉積試驗(yàn)采集到的放電電壓和電流波形進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)電極電火花自動(dòng)沉積過程中的放電類型主要分為4 種，分別是接觸放電、短路放電、間隙放電和空載，其中接觸放電由短路放電階段和間隙放電階段組成，空載是具有開路電壓波形而電流波形一直為零，說明電極與工件之間未接觸，也未發(fā)生放電現(xiàn)象，屬于無效放電類型.這些放電電壓和電流波形與文獻(xiàn)[2]、[22]和[23]中的研究結(jié)果一致.

經(jīng)分析和分類統(tǒng)計(jì)，不同接觸力下各種放電波形的數(shù)量如表1 所示.由表1 可知，在旋轉(zhuǎn)電極電火花自動(dòng)沉積過程中，短路放電和接觸放電的波形數(shù)量之和占主要部分.在接觸力較小(如0.5 N)時(shí)，電極與工件接觸不穩(wěn)定，所以出現(xiàn)較多數(shù)量的空載波形.隨著接觸力的繼續(xù)增大，接觸放電數(shù)量下降，而短路放電數(shù)量呈上升趨勢(shì).

表1 不同接觸力下各種放電波形的數(shù)量Table 1 Quantity of various discharge waveforms under different contact forces

2.2 轉(zhuǎn)移效率和沉積效率

自動(dòng)沉積試驗(yàn)的轉(zhuǎn)移效率和沉積效率隨接觸力的變化曲線如圖3 所示.在接觸力為0.5～ 2 N時(shí)，轉(zhuǎn)移效率的下降趨勢(shì)較緩慢，當(dāng)接觸力大于2 N后，轉(zhuǎn)移效率隨著接觸力的增大迅速下降.接觸力為0.5 N 時(shí)的沉積效率較小，接觸力為1～ 2 N 時(shí)的沉積效率較高，然后隨著接觸力的增大迅速下降.這說明接觸力控制在1～ 2 N 時(shí)可獲得較好的轉(zhuǎn)移效率和沉積效率.

圖3 轉(zhuǎn)移效率和沉積效率隨接觸力的變化曲線Fig.3 Variation curves of transfer efficiency and deposition efficiency with contact force

2.3 沉積層表面形貌和截面形貌

由于接觸力為1 N、1.5 N、2 N 和3 N 時(shí)的沉積層表面形貌類似，接觸力為4 N 和5 N 時(shí)的沉積層表面形貌類似，所以選擇了接觸力為0.5 N、2 N 和5 N 時(shí)的沉積層表面形貌和截面形貌如圖4 所示.在圖4a 和4b 中，沉積層表面主要是由大小不一的濺射坑逐個(gè)逐層疊加而成；從截面形貌看，沉積層內(nèi)部連續(xù)致密無缺陷，厚度基本均勻，表面有些小凸起，接觸力為2 N 時(shí)的沉積層較厚.在圖4c 中，沉積層表面的濺射坑較少，有涂覆粘接和摩擦痕跡；從截面形貌看，沉積層厚度較薄且不夠均勻.

圖4 不同接觸力時(shí)沉積層的表面形貌和截面形貌Fig.4 Surface and cross-sectional morphology of deposited layer under different contact forces.(a) surface morphology of F = 0.5 N;(b)surface morphology of F = 2 N;(c)surface morphology of F = 5 N;(d)crosssectional morphology of F = 0.5 N;(e)cross-sectional morphology of F = 2 N;(f)cross-sectional morphology of F = 5 N

2.4 沉積層的平均厚度和表面粗糙度

沉積層的平均厚度和表面粗糙度隨接觸力的變化曲線如圖5 所示.隨著接觸力的增大，沉積層平均厚度的變化規(guī)律與沉積效率的變化規(guī)律相類似；接觸力為0.5 N 時(shí)的厚度較小，接觸力為1～2 N 時(shí)的厚度較高，在50～ 60 μm 之間；隨著接觸力的增大，在接觸力為 5 N 時(shí)逐漸下降到11 μm.表面粗糙度變化沒有明顯的規(guī)律，在接觸力為5 N 時(shí)達(dá)到最小值12 μm，在接觸力為1 N 時(shí)達(dá)到最大值18 μm.所以，接觸力對(duì)沉積層表面粗糙度的影響不明顯.

圖5 沉積層的平均厚度和表面粗糙度隨接觸力的變化曲線Fig.5 Variation curves of average thickness and surface roughness of deposited layer with contact force

3 分析與討論

3.1 接觸力對(duì)放電過程電參數(shù)的影響

將不同接觸力下所有放電脈沖的電參數(shù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，獲得放電脈沖平均電壓和平均電流隨接觸力的變化趨勢(shì)如圖6 所示，放電脈沖平均功率隨接觸力的變化趨勢(shì)如圖7 所示.隨著電極與工件之間接觸力的增加，放電脈沖的平均電壓和平均功率逐漸下降，平均電流逐漸上升，而且基本上呈有規(guī)律的線性變化趨勢(shì).由此可推斷出，接觸力與放電脈沖的平均電壓和平均電流有一定比例關(guān)系，對(duì)接觸力的自動(dòng)控制可以采用對(duì)放電脈沖的平均電壓和平均電流的自動(dòng)控制.

圖6 放電脈沖平均電壓和平均電流隨接觸力的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of average voltage and current of discharge pulse with contact force

圖7 放電脈沖平均功率隨接觸力的變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of discharge pulse average power with contact force

除了空載以外，旋轉(zhuǎn)電極電火花沉積過程中的各種放電波形都是由短路放電和間隙放電這兩種基本放電階段組成.而接觸力變化對(duì)短路放電階段和間隙放電階段的平均電流和平均電壓影響不明顯，短路放電階段是低電壓(8.5 V 左右)和大電流(6.0 kA 左右)，而間隙放電階段是高電壓(18 V 左右)和小電流(3.4 kA 左右).從表1 可知，隨著接觸力的增加，接觸放電比例逐漸減少而短路放電比例逐漸增加，引起間隙放電時(shí)間比例減少和短路放電時(shí)間比例增加，從而導(dǎo)致了放電脈沖的平均電壓逐漸下降和平均電流逐漸上升.

由于轉(zhuǎn)移效率與放電脈沖的功率密切相關(guān)，放電脈沖的平均功率隨接觸力的增大而減小，也導(dǎo)致了轉(zhuǎn)移效率的逐漸減小.

3.2 接觸力對(duì)材料轉(zhuǎn)移的影響

電火花沉積過程中的不同放電類型對(duì)應(yīng)于不同的材料轉(zhuǎn)移形式，在沉積層上形成不同的表面形貌.接觸放電會(huì)產(chǎn)生較大的濺射坑，材料轉(zhuǎn)移主要是大熔滴濺射轉(zhuǎn)移機(jī)制；間隙放電產(chǎn)生較小的濺射坑，材料轉(zhuǎn)移主要是微小熔滴濺射+金屬蒸汽和離子轉(zhuǎn)移機(jī)制；短路放電未產(chǎn)生電火花和濺射坑，將電極與工件接觸點(diǎn)的熔化材料通過機(jī)械擠壓粘接轉(zhuǎn)移到工件表面.

在接觸力為1 N、1.5 N 和2 N 時(shí)，由于接觸放電數(shù)量占主要部分，沉積層表面主要是接觸放電所產(chǎn)生的材料轉(zhuǎn)移形貌，主要由濺射坑疊加而成(如圖4b 所示)，其沉積層的厚度也較厚(如圖5 所示)，這說明接觸放電所產(chǎn)生的材料轉(zhuǎn)移量相對(duì)較多，電極轉(zhuǎn)移到工件上的材料主要是由接觸放電實(shí)現(xiàn)的.當(dāng)接觸力為4 N 和5 N 時(shí)，短路放電數(shù)量占主要部分，沉積層表面主要是細(xì)小的機(jī)械磨痕和涂覆粘接的長條狀和點(diǎn)狀凸起(如圖4c 所示)，其沉積層的厚度也較薄，這說明短路放電所產(chǎn)生的材料轉(zhuǎn)移量相對(duì)較少.

為了進(jìn)一步分析接觸放電在材料轉(zhuǎn)移中的作用，根據(jù)表1 中接觸力為1～ 5 N 的數(shù)據(jù)，以不同接觸力下的接觸放電比例S(接觸放電數(shù)量/合計(jì)放電數(shù)量)作為橫坐標(biāo)，以所對(duì)應(yīng)工件增加量為縱坐標(biāo)，得到工件增加量隨接觸放電比例的變化趨勢(shì)如圖8 所示.在接觸力為0.5 N 時(shí)，電極與工件接觸不良，產(chǎn)生許多空載波形，所以將該異常點(diǎn)數(shù)據(jù)去除.由圖8 可以看出，工件增加量與接觸放電比例基本呈線性關(guān)系，這也說明電火花沉積過程中工件質(zhì)量的增加主要依靠接觸放電時(shí)的材料轉(zhuǎn)移，即對(duì)材料轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)最大的是接觸放電.

圖8 工件增加量隨接觸放電比例的變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of workpiece increment with contact discharge ratio

4 結(jié)論

(1) 接觸力的變化影響了旋轉(zhuǎn)電極電火花自動(dòng)沉積過程中各種放電類型的數(shù)量和比例.隨著接觸力的增大，接觸放電比例逐漸減少而短路放電比例逐漸增加，放電脈沖的平均電壓和平均功率逐漸下降而平均電流逐漸上升.

(2) 接觸力對(duì)電火花沉積的轉(zhuǎn)移效率和沉積效率影響較大，對(duì)表面粗糙度影響不大.接觸力為1～ 2 N 時(shí)，自動(dòng)沉積過程中的接觸放電比例較高，轉(zhuǎn)移效率和沉積效率也較高；隨著接觸力的繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)移效率和沉積效率逐漸下降.

(3) 在旋轉(zhuǎn)電極電火花自動(dòng)沉積過程，接觸放電引起的材料轉(zhuǎn)移量明顯高于短路放電引起的材料轉(zhuǎn)移量.通過改變接觸力以控制接觸放電的比例，可控制電火花沉積的轉(zhuǎn)移效率和沉積效率.