阻焊式雙工位金屬疊層制造關(guān)鍵工藝研究

程 蓉，伍曉宇，羅偉洪，雷建國

深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，深圳518060

金屬材料直接成形近終端產(chǎn)品成為目前快速成形技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-4］. 所謂近終端產(chǎn)品，即成形件具有近100%的相對密度、冶金結(jié)合組織、較高的尺寸精度及較好的表面粗糙度，無須后處理或僅需簡單后處理(如噴砂、拋光或回火等)即可投入使用［5-6］. 2009 年本課題組提出一種新型金屬零件快速成形疊層實(shí)體制造(laminated object manufacturing，LOM)方法［7-8］，即阻焊式雙工位疊層實(shí)體制造 (resistance welding double-staged LOM，DLOM)，該技術(shù)克服現(xiàn)有LOM 技術(shù)金屬板料層黏結(jié)困難、廢料難以剔除的問題，是低成本直接快速制造金屬零件的有效方法.

DLOM 系統(tǒng)主要由激光切割、電阻點(diǎn)焊以及帶料運(yùn)動控制組成. 由于金屬材料的熔點(diǎn)高、熱傳導(dǎo)性好，該技術(shù)要求能直接成形高致密性、冶金結(jié)合且有較高尺寸精度及較好表面粗糙度的金屬零件，因此對各部分設(shè)計都有特殊要求. 為此，本文就上述3 個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，以厚度為0.1 mm的302 不銹鋼薄板為造型材料，進(jìn)行金屬零件的分層快速制造，驗證設(shè)計的正確性.

1 DLOM 成形方法及系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 為阻焊式雙工位疊層金屬零件直接成形流程，其結(jié)構(gòu)如圖2. 系統(tǒng)流程為:將3 維模型切片離散，計算機(jī)逐層調(diào)入切片輪廓信息，根據(jù)排樣計算公式，激光器在第1 工位實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割多層內(nèi)腔，完成后鋼板帶料移動至第2 工位. 阻焊焊接和激光對外框切割在第2 工位交替進(jìn)行，直到在第1工位所切割的多層薄板都完成焊接和外框切割，激光器回到第1 工位進(jìn)行下次循環(huán)，如此反復(fù)直到最后形成金屬實(shí)體.

圖1 阻焊式雙工位疊層金屬零件制造系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of DLOM process

圖2 阻焊式雙工位疊層金屬零件制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustration of DLOM equipment

本系統(tǒng)采用雙工位工藝流程，與現(xiàn)有LOM 工藝中采用切割和黏接交替進(jìn)行的方式不同，工件的余料在第1 工位就已經(jīng)脫落，從而節(jié)省激光對余料進(jìn)行網(wǎng)格化切割的時間和能量，同時減去工件加工完成后剝離余料的工序. DLOM 成形工藝具有步驟多、工序緊湊和效率高的特點(diǎn).

2 激光切割工藝

本系統(tǒng)中激光器主要用于切割制件的內(nèi)外輪廓. 考慮到激光模式、激光功率和切割速度共同決定激光切割質(zhì)量［9］，采用波長為1 064 nm 的100 W半導(dǎo)體側(cè)面泵浦Nd∶YAG 激光器. 其特點(diǎn)在于:①多運(yùn)行模式，可以在連續(xù)、脈沖、調(diào)Q 及鎖模的狀態(tài)下運(yùn)行;②固體工作物質(zhì)多達(dá)百種，拓寬激光應(yīng)用的波長范圍;③結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用，價格適宜;④導(dǎo)光系統(tǒng)簡單.

對特定工件，激光的輸出功率P 為

其中，q 為激光能量密度;D 為光斑直徑;v 為光斑移動速度.

由式(1)可見，激光器輸出功率與切割速度相關(guān). 當(dāng)激光功率較大而移動速度相對較慢時，由于氧的燃燒速度高于激光束的移動速度，單位時間內(nèi)輸入工件的能量高于正常切割的能量，熱影響區(qū)較大，會造成切縫寬度增加，切口質(zhì)量不好. 當(dāng)激光速度過快而功率相對不足時，則不能有效地切斷薄鋼板，余料不能脫離. 通過實(shí)驗對厚度為0.2 mm的304 不銹鋼進(jìn)行激光切割工藝優(yōu)化，實(shí)驗結(jié)果如表1.

激光功率從50 W 開始，設(shè)上限為85 W，實(shí)驗以變化輸入熱量為目的，同時觀察熱量的利用率.結(jié)果表明，當(dāng)激光器功率為85 W，切割速度為190 mm/min 時，切割的表面質(zhì)量較為理想.

表1 不同激光功率與切割速度對應(yīng)的切割質(zhì)量Table 1 Quality of cutting with different laser power and laser speed

3 電阻點(diǎn)焊工藝

焊接主要參數(shù)包括:焊接電流I，焊接時間t 和電極力F，其中，焊接電流對焊接質(zhì)量的影響最為顯著［10-11］. 在其他焊接參數(shù)不變的情況下，焊接電流密度應(yīng)該有一個合理的上下限. 當(dāng)焊接電流小于下限時，產(chǎn)生的熱量過小，不能形成熔核;當(dāng)焊接電流高于上限時，電流密度過大，加熱速度過快，產(chǎn)生飛濺，反而降低焊接質(zhì)量.

為考察焊接電流對焊點(diǎn)質(zhì)量的影響，以0.1 mm 厚的5 層304 不銹鋼板單點(diǎn)焊接為研究對象(每1 層焊接1 次，共5 次焊接)，在其他焊接參數(shù)不變的情況下，只改變焊接電流大小，從較小的焊接電流開始，直至焊點(diǎn)發(fā)生噴濺結(jié)束. 焊接的其他參數(shù)如下:電極直徑為3 mm;電極材料為彌散氧化鋁;焊接時間為6 cyc (1 cyc =0.03 s);焊機(jī)氣壓為1.4 kfg/cm2;預(yù)壓時間為25 cyc;維持時間為3 cyc;休止時間為10 cyc. 焊接完成后，用線切割把焊點(diǎn)從中間破開，然后鑲嵌、制樣、打磨和拋光，最后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液腐蝕，在低倍電鏡下測量焊點(diǎn)的熔核直徑和焊透率. 用尖頭千分尺測量試樣的壓痕深度，同時在金相顯微鏡下觀察組織變化.

3.1 焊接電流對點(diǎn)焊接頭焊接特性的影響

分別測量不同焊接電流時，點(diǎn)焊接頭的壓痕深度、熔核直徑和焊透率，并對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，進(jìn)而得出焊接特性隨焊接電流變化的規(guī)律曲線，如圖3. 可見，熔核直徑、焊透率和壓痕深度都隨著焊接電流的增加而增加. 當(dāng)焊接電流在2 300 ～2 900 A 變化，對熔核尺寸和壓痕深度的影響比較明顯，但對焊透率的影響不大.

圖3 焊點(diǎn)熔核直徑、焊透率及壓痕深度隨焊接電流變化Fig.3 The nugget diameter，weld penetration and depth under different welding current

3.1.1 焊接電流對熔核尺寸的影響

其總體趨勢為熔核尺寸隨電流的增加而增大，見圖3(a). 當(dāng)焊接電流為1 570 A 時，所產(chǎn)生的熱量不足以在不銹鋼薄板上形成熔核，僅在基板上出現(xiàn)小部分月牙形熔核，從不銹鋼薄板的焊接情況看，第1、2 層之間能夠形成有效連接，出現(xiàn)晶粒吞并現(xiàn)象，但晶粒尺寸比較粗大，平均達(dá)到66 μm，如圖4(a). 當(dāng)焊接電流為1 700 A 時，出現(xiàn)熔核形貌. 焊接電流從1 900 A 開始，熔核尺寸隨焊接電流的增大而增大，通過焊接區(qū)的電流密度漸增，析出熱量也不斷增大，熔核尺寸逐漸變大. 當(dāng)焊接電流為3 100 A 時出現(xiàn)環(huán)形熔核，如圖4(b).焊接電流為3 300 A 時出現(xiàn)噴濺，因電流密度過大，塑性環(huán)來不及形成，熔核迅速增大，在電極力的作用下，熔核被擠出，同時帶走大量熱量，焊件的抗拉剪強(qiáng)度和表面質(zhì)量明顯降低，形貌如圖4(c).

3.1.2 焊接電流對焊透率的影響

圖4 焊接熔核金相組織形貌隨焊接電流變化圖Fig.4 The nugget microstructure morphology

隨焊接電流的升高，焊透率增加，并最終趨于穩(wěn)定，見圖3(b). 這是由于隨著焊接電流的升高，焊接的熱輸入量漸增，焊件接觸面金屬熔化的效率更高，使熔核直徑增加，試樣在厚度方向的焊透率也增大.

3.1.3 焊接電流對壓痕深度的影響

壓痕深度隨焊接電流的增大呈近似線性增大趨勢. 因為隨焊接電流的增加，焊點(diǎn)中熔融金屬的范圍漸增，熔核周圍軟化區(qū)的范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，使得在壓力作用下電極壓入更加容易，尤其是隨著電流過大產(chǎn)生飛濺，一部分熔融金屬被擠出熔核，焊點(diǎn)的壓痕深度增大更為顯著.

3.2 焊接電流對焊接接頭金相組織的影響

焊件的金相組織決定其機(jī)械性能，微觀觀察材料的組織變化，分析焊件金相，為提高焊接質(zhì)量提供反饋信息. 304 不銹鋼薄板的平均奧氏體晶粒尺寸為18 μm. 這種奧氏體不銹鋼的組織較為穩(wěn)定，從高溫自然冷卻時不會發(fā)生馬氏體相變，它的馬氏體相變點(diǎn)Ms 約為-50 ℃.

當(dāng)焊接電流為1 700 A，熔核剛開始形成時，由于其中心溫度大概在1 100 ℃左右，還沒有達(dá)到不銹鋼薄板的熔點(diǎn)(1 440 ℃)，仍屬于固態(tài)相變轉(zhuǎn)變過程，大晶粒吞并小晶粒. 熔核的組織由粗大的奧氏體為基體，晶界有珠光體析出，如圖4(a).這種組織的力學(xué)性能不夠理想，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度低.

隨著焊接電流的增大，析熱不斷增強(qiáng)，溫度逐漸提高，熔核的組織有較明顯的變化，熱影響區(qū)的組織變化不大. 當(dāng)焊接電流為1 900 A 時，熔核溫度在1 200 ℃左右，仍未達(dá)到熔點(diǎn)，在粗大的奧氏體晶界上析出大量的鐵素體，成網(wǎng)狀分布，并向晶界內(nèi)生長，出現(xiàn)過熱的魏氏組織，如圖5(a). 當(dāng)焊接電流為2 100 A 時，熔核上出現(xiàn)的組織為羽毛狀貝氏體，如圖5(b). 以上兩種組織的機(jī)械性能都不好，韌性嚴(yán)重降低，容易發(fā)生脆性斷裂. 當(dāng)焊接電流為2 500 A 時，中心溫度已超過熔點(diǎn)溫度1 400 ℃，熔核形成柱狀樹枝晶. 雖然奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率低，但薄板厚度只有0.2 mm，加之電極上有水冷裝置，因此焊件的整體散熱能力強(qiáng)，獲得高的冷卻速度，所以熔核從液相向固相轉(zhuǎn)變時可以獲得致密的組織. 當(dāng)電流為2 700 A 時，組織更加致密，如圖5(c).

圖5 焊接電流1 700 A 時焊點(diǎn)金相組織Fig.5 The nugget microstructure under welding current 1 700 A

通過觀察不同焊接電流條件下，熔核和熱影響區(qū)的組織情況，并結(jié)合熔核尺寸的大小，發(fā)現(xiàn)焊接電流為2 700 A 時，能獲得組織致密的熔核，且熔核尺寸比較理想.

圖6 不同電流的熔核內(nèi)部組織Fig.6 The nugget microstructure under different welding current

4 帶料運(yùn)動控制

金屬薄板在送料過程容易出現(xiàn)彎曲和變形，這會直接影響激光切割和電阻點(diǎn)焊焊接，因此要求送料機(jī)構(gòu)有很好的平直輸送能力，圖7 為送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.

圖7 送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of feeding system

步進(jìn)電機(jī)帶動卷料筒轉(zhuǎn)動，帶料向前移動. 停止時由于慣性作用，帶料仍會向前移動，摩擦裝置對這一現(xiàn)象有很好的抑制. 摩擦裝置的摩擦力大小可以調(diào)節(jié)，通常調(diào)節(jié)到帶料始終處于平直和繃緊狀態(tài). 6 根光軸起導(dǎo)向作用，同時支撐夾緊裝置.

送料機(jī)構(gòu)中帶料在傳送過程是否能保持直線運(yùn)動，主要取決于兩個滾筒間的平行度. 在實(shí)際加工和裝配中很難使兩個滾筒達(dá)到絕對平行，兩者間會有一個錯位角θ，如圖8(a). 這個誤差會隨卷數(shù)的增加而不斷累積. 為消除這種誤差，使兩個滾筒能很好的配合，在卷料筒上增加一對調(diào)節(jié)螺釘，如圖8(b). 這使卷料筒在軸向有調(diào)節(jié)空間，裝配時通過調(diào)節(jié)螺釘，同時讓卷料筒運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)圈，觀察其偏移情況，直到不發(fā)生偏移為止.

圖8 滾筒平行度偏差及調(diào)節(jié)螺釘設(shè)置Fig.8 Parallelism error of rollers and adjusting screw

由于層與層之間的定位靠接近開關(guān)保證，所以帶料的移動速度須有一個合理的范圍，帶料移動速度過快則接近開關(guān)來不及反應(yīng)，速度過慢則影響加工效率. 經(jīng)過多次實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，帶料傳送速度為80 mm/min 時，傳動平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯偏移.

圖9 是采用上述工藝研究結(jié)果，利用DLOM 技術(shù)加工出的金屬零件，零件與設(shè)計的幾何形狀一致，x 和y 方向的尺寸誤差在0.5 mm 以下，零件表面粗糙度均勻，結(jié)合面強(qiáng)度超過600 MPa.

為驗證本實(shí)驗制造零件的硬度和精度，將該零件作為模芯，以ABS 為注塑材料進(jìn)行注塑，得到的注塑零件如圖10. 注塑件尺寸精度和表面粗糙度均滿足要求. 以上實(shí)驗結(jié)果表明，在金屬零件及復(fù)雜模具制造領(lǐng)域，DLOM 可發(fā)揮重要作用.

圖9 DLOM 制造的金屬零件原型Fig.9 The metallic part prototype made by DLOM

圖10 注塑零件Fig.10 The injection part

結(jié) 語

本研究結(jié)果表明:①采用100 W 脈沖Nd∶YAG激光器切割0.2 mm 厚的304 不銹鋼，當(dāng)激光器功率為85 W，切割速度為190 mm/min 時，鋼板能完全割斷，熱影響區(qū)僅為1.6 mm，切口寬度僅為0.43 mm，切割質(zhì)量較好;②熔核尺寸隨著焊接電流的增大而增大，但是超過一定值會出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象;隨著焊接電流的增大，焊透率增加，并最終趨于一個穩(wěn)定值，且壓痕深度呈現(xiàn)出近似線性增加的趨勢. 通過觀察不同焊接電流條件下，熔核和熱影響區(qū)的組織情況，并結(jié)合熔核尺寸的大小發(fā)現(xiàn)，焊接電流在2 700 A 時，能獲得組織致密的熔核，且熔核尺寸比較理想;③帶料平穩(wěn)、準(zhǔn)確移動是控制成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制帶料的移動速度來保證.

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