基于脈沖等離子弧焊的增材再制造工藝研究

王凱博， 呂耀輝， 劉玉欣， 徐濱士

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072)

基于脈沖等離子弧焊的增材再制造工藝研究

王凱博， 呂耀輝， 劉玉欣， 徐濱士

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072)

為提高基于脈沖等離子弧焊的增材再制造零件的尺寸精度，采用正交試驗法研究了峰值電流、脈沖頻率、占空比、焊接速度、送絲速度對焊道尺寸的影響規(guī)律，并引入線能量密度考察因素的綜合影響情況。結(jié)果表明：焊道的寬高比與峰值電流和占空比呈正相關(guān)，與焊接速度和送絲速度呈負相關(guān)；峰值電流和送絲速度對寬高比的影響最大，焊接速度、占空比次之，脈沖頻率的影響最??；焊道寬高比與線能量密度呈單調(diào)遞增的關(guān)系，增加趨勢由快變慢。最后，建立了薄壁再制造零件層間高度的計算模型，可進一步提高成形零件的尺寸精度。

脈沖等離子弧；增材再制造；正交試驗；焊道尺寸

增材制造技術(shù)是當下流行的先進制造技術(shù)，即“3D打印”[1]，其主要工作原理為：首先,利用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)將零件的三維模型進行分層切片處理；然后，生成路徑規(guī)劃，通過逐層疊加、分層成形的方式制造出最終零件。增材再制造技術(shù)則是將增材制造技術(shù)應(yīng)用到缺損零部件的修復(fù)當中[2]，與增材制造技術(shù)的不同之處在于需要分別掃描出完好零件和缺損零件的三維模型，通過求差生成修復(fù)部分的三維模型，進而生成加工路徑。

目前，常用的金屬增材制造技術(shù)主要分為3類：1)以激光為熱源，如激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)和激光熔融沉積(Laser Fused Deposition Modeling, LFDM)；2)以電子束為熱源，如電子束熔融成形(Electron Beam Machining, EBM)[3]；3)基于焊接的金屬增材制造技術(shù)，如鎢極氬弧焊(Gas Tungsten Arc Weld, GTAW)和脈沖等離子弧焊(Pulsed Plasma Arc Weld, PPAW)。與前2類技術(shù)相比，第3類技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢，且由于焊接過程的參數(shù)可調(diào)性大的優(yōu)點，基于焊接的增材制造技術(shù)已成為熱門的研究方向[4-5]。而PPAW與其他焊接方法相比，等離子弧柱能量密度高、挺度大，脈沖工藝使得熱源可控性進一步提高，因此更適合增材制造[6]。

成形零件的表面平整度、致密度等對力學性能有重要影響。烏日開西·艾一提等[7]通過研究工藝參數(shù)對成形軌跡截面形狀的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)：截面寬高比大的零件性能優(yōu)于截面寬高比小的零件，且表面平整度好。徐富家等[8]建立了增材再制造成形過程中軌跡間搭接模型及層間高度計算模型，利用截面寬高比準確計算出軌跡間距及層間高度，從而大幅提高了成形零件的尺寸精度。李玉龍等[9]通過建立TIG堆焊過程的閉環(huán)反饋系統(tǒng)實時采集電壓、電流數(shù)據(jù)，從而進行工藝參數(shù)的模糊調(diào)控，可獲得成形良好的薄壁結(jié)構(gòu)件。張海鷗等[10]和Song等[11]采用邊堆積-邊切削的加工方式，提高了成形零件的尺寸精度，但降低了加工效率。

基于此，筆者采用基于脈沖等離子弧焊的增材再制造技術(shù)，研究不同工藝參數(shù)對成形軌跡截面寬高比的影響規(guī)律，以期為提高脈沖等離子增材再制造零件尺寸精度提供數(shù)據(jù)支撐，為脈沖等離子增材再制造技術(shù)的應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)備及方法

圖1為基于脈沖等離子弧焊的增材再制造系統(tǒng)，包括奧地利Fronius公司生產(chǎn)的Magic Wave 3000 焊接電源、PlasmaModule10引弧電源、冷送絲機和等離子焊槍，其中焊槍固定在KUKA KR6多軸聯(lián)動機器人上，利用計算機編程控制焊槍的移動。實驗所用焊絲牌號為Inconel 718，成分如表1所示；基板為Q235鋼板，尺寸為200 mm×200 mm×10 mm。實驗開始前，將基板打磨并用丙酮、酒精清洗干凈。

圖1 基于脈沖等離子弧焊的增材再制造系統(tǒng)

表1 焊絲化學成分

元素NiCrMoNbAlTiCMnSiPSFeω/%52．917．42．985．00．450．840．060．040．090．0010．002Bal．

實驗主要工藝參數(shù)為脈沖峰值電流、脈沖頻率、占空比、焊接速度和送絲速度。脈沖電流波形如圖2所示，圖中：Ip為峰值電流；Ib為基值電流，實驗中Ib=50%Ip; 占空比γ=tp/(tp+tb)，其中tp為峰值電流時間;tb為基值電流時間。為研究不同工藝參數(shù)對成形軌跡截面寬高比的影響規(guī)律，根據(jù)標準正交表L16(54)，設(shè)計16組試驗，其因素水平表如表2所示。為了盡可能減小實驗誤差，實驗結(jié)束后在每條焊道的兩端和中部切樣，分別測量熔寬B、焊道高度H和熔深h，并求取三者的平均值，如圖3所示。

圖2 脈沖電流波形

表2 正交試驗因素水平表

水平Ip/Af/Hzγ/%V1/(m·min-1)V2/(m·min-1)140020400．151．0235040500．201．5330060600．252．0425080700．302．5

注：f為脈沖頻率；V1為焊接速度；V2為送絲速度。

圖3 焊道尺寸示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 因素直觀分析

六是中央環(huán)境保護督察制度真抓環(huán)境保護，但是這種制度兩年才輪回一次，地方如作假應(yīng)付，一些問題還是暴露不出來?！渡鷳B(tài)文明建設(shè)目標考核辦法》確立的綠色發(fā)展指數(shù)和五年一度的考核，側(cè)重于總體層面，對于發(fā)現(xiàn)具體的環(huán)境問題，還是有不足。

圖4為不同考核指標與因素水平關(guān)系圖，可以得到以下結(jié)論：

1)隨著峰值電流的增加，焊道寬度B明顯增大，焊道高度H減小，焊道熔深h增加，焊道寬高比B/H增大。這是因為：一方面，峰值電流的增加使得等離子弧的功率增大，熱量增加，在基板上產(chǎn)生的熔池寬度B增大，相同體積的填充金屬在更寬的熔池中凝固成形高度下降；另一方面，等離子弧的壓力與電流的平方成正比，電流的增加使得等離子弧壓力增大，因此能夠獲得更大的熔深h。

2)隨著脈沖頻率的增加，焊道寬度B略微減小，焊道高度H增加，焊道寬高比B/H減小，熔深h幾乎不變。這是因為：脈沖頻率的增加使得電流波形周期縮短，即在一個周期內(nèi)，峰值電流和基值電流的作用時間縮短，而兩者的交替變化增加，這使得成形過程中焊道的受熱減少，冷卻時間增加。

3)占空比的增大使得焊道寬度B增大，焊道高度H呈下降趨勢，焊道熔深h增加。這是因為：占空比的增大使得峰值電流在一個周期內(nèi)的作用時間延長，而基值電流的作用時間縮短，因此焊道的受熱量增大，使得焊道寬度B和熔深h增加。

4)隨著焊接速度的增大，焊道寬度B和高度H下降，熔深h幾乎不變。這是因為：焊接速度的增加使得焊道單位長度上的受熱下降，而焊接速度對等離子弧本身并沒有影響，因此熔深h幾乎不變。

5)送絲速度的增大使焊道高度H增加，焊道熔寬B和焊道熔深h下降，焊道寬高比B/h減小。其原因為：隨著送絲速度的增大，熔池單位時間內(nèi)填充金屬量增加，吸收熱量增多，基板受熱相對地減少，因此導(dǎo)致焊道熔寬B和焊道熔深h下降，焊道高度H增加。

圖4 不同考核指標與因素水平的關(guān)系圖

采用極差分析法研究不同工藝參數(shù)對焊道尺寸的影響程度，分別以焊道寬度B、焊道高度H、焊道熔深H和焊道寬高比B/H為考核指標，計算每個因素相同水平下考核指標數(shù)值之和Kij，則有

Rj=Kijmax-Kijmin，

(1)

式中：Rj為因素j的極差；Kijmax、Kijmin分別為考核指標數(shù)值之和的最大值和最小值，其中i代表水平數(shù)。

圖5為根據(jù)計算結(jié)果繪制的不同考核指標下各因素的極差?？梢钥闯觯簩τ诤傅缹挾菳，各因素的影響效果為峰值電流>焊接速度>占空比>送絲速度>脈沖頻率；對于焊道高度H，則各因素的影響效果為送絲速度>峰值電流>占空比>焊接速度>脈沖頻率；對于焊道熔深h，峰值電流和占空比影響較為顯著，其他因素幾乎沒有影響；對于焊道寬高比B/H，則峰值電流和送絲速度為主要影響因素。綜上所述，對于焊道寬度B，熱輸入量與焊接速度的影響最為顯著；對于焊道高度H，熱輸入量與單位時間

圖5 不同考核指標下因素的極差

內(nèi)填充金屬量為主要影響因素;而焊道熔深h的大小則主要取決于熱輸入量。

2.3 參數(shù)綜合影響

由上述分析可知：焊道寬高比B/H的大小主要取決于熱輸入量、焊接速度和送絲速度。為了綜合考察不同工藝參數(shù)對焊道寬高比的影響，引入線能量密度η，單位為J/m。

(2)

則線能量密度可表示為

η=P/V1=UI/V1，

(3)

式中：P為脈沖等離子功率；U為等離子弧柱電壓。

在送絲速度相同的條件下，繪制焊道寬高比B/H與線能量密度η之間的關(guān)系，如圖6所示?？梢钥闯觯築/H與線能量密度η呈單調(diào)遞增關(guān)系，且B/H增大趨勢隨著線能量密度η的不斷增大而變緩。這是因為：在單位時間內(nèi)填充金屬量相同的情況下，線能量密度η決定了熔池寬度B，隨著線能量密度η的增大，熔池寬度B增大，高度H減小，因此初期階段的寬高比B/H快速增大；然而由于受表面張力的作用，熔融金屬不能在基板表面無限鋪展，寬高比B/H的增加趨勢在后期逐漸變緩。

圖6 焊道寬高比B/H與線能量密度η之間的關(guān)系

2.4 薄壁再制造零件的成形

影響薄壁再制造零件成形精度的主要因素為層間高度，即堆積前一層完成后，堆積后一層需要抬升的高度。層間高度過大，熔滴過渡到熔池的距離增大，熔滴過渡的穩(wěn)定性降低，進而使成形質(zhì)量下降；層間高度過小，則會由于弧柱較短而導(dǎo)致等離子弧能量密度過于集中，從而造成熔池塌陷。值得注意的是：層間高度并不簡單地等于焊道的高度。圖7為層間高度的計算模型[8]，結(jié)果表明：焊道的尺寸將決定層間高度Hc。Hc表達式為

圖7 層間高度計算模型

(4)

式中：R=(4H2+B2)/8，為理想圓弧的半徑。

在實際薄壁零件的再制造成形過程中，首先通過試驗選取合適的工藝參數(shù)，記錄相應(yīng)工況下的焊道尺寸;再利用式(4)計算出相應(yīng)的層間高度，進行堆積成形，從而可有效提高成形零件的尺寸精度。

3 結(jié)論

合理地選擇工藝參數(shù)對提高增材再制造成形零件的尺寸精度具有重要意義，筆者通過設(shè)計正交試驗考察了工藝參數(shù)對焊道成形的影響，主要得出以下結(jié)論：

1)焊道的寬高比與峰值電流和占空比呈正相關(guān)，與焊接速度和送絲速度呈負相關(guān)，脈沖頻率對其影響較??；

2)峰值電流與送絲速度是影響焊道寬高比大小的主要因素，其次是焊接速度、占空比；

3)焊道寬高比與線能量密度呈單調(diào)遞增的關(guān)系，增大趨勢隨著線能量密度的增加而變緩。

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(責任編輯:尚菲菲)

A Study of the Process of Additive Remanufacturing Based on Pulsed Plasma Arc Welding

WANG Kai-bo, Lü Yao-hui, LIU Yu-xin, XU Bin-shi

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To improve the accuracy of the components remanufactured by pulsed plasma arc welding, impact of different process parameters on the bead geometry is investigated. Orthogonal test is adopted to analyze the effects of peak current, pulse frequency, duty cycle, welding speed and welding wire feeding speed on the bead geometry. Meanwhile, the linear energy density is introduced to evaluate the synthetic action of factors. The results show that the ratio of width to height increases with the increase of the peak current and duty cycle, however, it will decrease with the increase of welding speed and welding wire feeding speed. For the ratio of width to height, the most important influence factors are peak current and welding wire feeding speed, welding speed and duty cycle are less important. The ratio of width to height is monotonically increasing with the increment of linear energy density and the increment trend become slowly. The mathematical model for calculating inter laminar height is established, which can enhance the shaping accuracy of thin wall part.

pulsed plasma arc; additive remanufacturing; Orthogonal test; bead geometry

1672-1497(2016)05-0086-05

2016-06-01

國防科技重點實驗室基金資助項目(9140C850205120C8501)

王凱博(1991-)，男，碩士研究生。

TG456.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.018