激光熔覆錘擊系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)

張旭方，郭開波

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

中空激光熔覆是一個(gè)局部快速加熱和冷卻的過程，它引起的不均勻溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，使成形件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致成形件發(fā)生開裂和翹曲，嚴(yán)重影響熔覆成形件的質(zhì)量[1]。錘擊是熔覆過程中對(duì)熔覆層的處理，以消除或者減小熔覆層殘余應(yīng)力的一種加工工藝。錘擊帶來的振動(dòng)效果可以抑制熔覆層缺陷的產(chǎn)生，而且可以使熔池凝固的速度加快，結(jié)晶組織被錘碎，經(jīng)過再結(jié)晶形成較細(xì)小的晶粒，組織的塑性韌性提高，力學(xué)性能得到了改善。所以操作方便的錘擊法可以節(jié)約大量的能源和資金，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于錘擊的一系列研究，SIMONEAU[2]等研究了錘擊法消除不銹鋼材料的焊接結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力；SIDHOM[3]針對(duì)不銹鋼研究表明，錘擊處理可顯著提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度；王曉鵬[4]對(duì)激光模具修復(fù)錘擊消除應(yīng)力方法研究，分析了在不同錘擊力和錘擊頻率下，對(duì)焊接中應(yīng)力的影響，但在進(jìn)行錘擊試驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)確控制錘擊參數(shù)是個(gè)難題。為了提高系統(tǒng)參數(shù)的控制精度，實(shí)現(xiàn)錘擊設(shè)備的低成本、高質(zhì)量、高效率的目的，本文采用AT89C52[5]單片機(jī)為核心，從基于單片機(jī)控制系統(tǒng)出發(fā)，設(shè)計(jì)了錘擊力和錘擊頻率的控制電路，完善了錘擊力和錘擊頻率的準(zhǔn)確、獨(dú)立調(diào)節(jié)。

1 ANSYS模擬應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果

為了研究熔覆層的應(yīng)力分布情況，而熔覆層受到的主要拉應(yīng)力是掃描路徑方向，設(shè)為y方向，所以本文只討論y方向上的應(yīng)力。在熔覆層中心所得截面中選取節(jié)點(diǎn)A(x=0mm，z=0mm)、B(x=0mm，z=0.2mm)、C(x=0mm，z=0.4mm)、D(x=0mm，z=0.6mm)，是路徑D到A方向，如圖1所示。

圖1 應(yīng)力測(cè)試的路徑

圖2是應(yīng)力場(chǎng)的仿真云分布圖，圖2(a)是冷卻到40.4167s的等效應(yīng)力Von Mises 的云分布圖，熔覆層的最大應(yīng)力達(dá)到241MPa，這時(shí)應(yīng)力的分布基本上達(dá)到穩(wěn)定。圖2(b)中是x方向的應(yīng)力云分布圖，激光束中心處的拉應(yīng)力值最大，達(dá)到279MPa。圖2(c)是y方向上云分布圖，應(yīng)力的最大值是190MPa，但出現(xiàn)最大應(yīng)力的地方(即圖片中深色的區(qū)域)并不是很多，分布在27MPa～74MPa。z方向上應(yīng)力大小如圖2(d)所示，分布在209MPa～252MPa之間，而且分布比較均勻。

圖2 應(yīng)力場(chǎng)云分布圖

根據(jù)前面的基本熔覆工藝參數(shù)，分別采用0N(未進(jìn)行錘擊處理)、400N、800N、1200N的力，在熔覆開始3s后單次錘擊作用在節(jié)點(diǎn)D上，冷卻到40.4167s后，對(duì)應(yīng)的x方向和y方向的應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同錘擊力下熔覆層的殘余應(yīng)力分布

從圖3(a)可以看出，熔覆層中x方向上的殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，隨錘擊力的增大，從節(jié)點(diǎn)D到A在熔覆層的殘余應(yīng)力逐漸增大，在熔覆層下0.2mm～0.3mm處殘余應(yīng)力發(fā)生大的跳變。從圖3(b)可以看出，隨著錘擊力的增加，節(jié)點(diǎn)D到A各個(gè)位置都是呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，殘余應(yīng)力不斷減?。辉诓煌N擊力的作用下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力降低的趨勢(shì)是一致的，都是在熔覆層下0.3mm處應(yīng)力達(dá)到最大值。產(chǎn)生這樣情況的原因是，在x方向上表現(xiàn)出來的壓應(yīng)力，在y方向上表現(xiàn)出來的拉應(yīng)力；在錘擊力的作用下，使熔覆層金屬質(zhì)點(diǎn)沿徑向流動(dòng)，產(chǎn)生兩維伸長(zhǎng)，這種徑向延伸抵消了殘余拉伸應(yīng)變，使y方向上的殘余應(yīng)力降低了。

2 錘擊系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

錘擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是通過控制電流大小來控制錘擊力的大小，改變電磁錘的通電時(shí)間來調(diào)節(jié)脈沖頻率，控制電路的電源來控制電磁裝置的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)框圖如圖4所示，單片機(jī)AT89C52發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過PWM恒頻脈寬調(diào)制[6]電路，進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)，并且通過驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，來控制電磁裝置的控制開關(guān)。

圖4 錘擊控制系統(tǒng)框圖

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 控制電路電源的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行裝置采用不同的驅(qū)動(dòng)電壓，所以在整個(gè)控制電路中要對(duì)220V的交流電源進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。提供適合執(zhí)行裝置的穩(wěn)壓電源，控制電路的電源設(shè)計(jì)如圖5所示，在220V交流電通過變壓器降壓和整流電路的處理，使其產(chǎn)生+16V和-16V的電壓，圖中a和b的接線點(diǎn)的電壓分別是+16V和-16V，用變壓器中心抽頭為地的±12V電源電路、7812正電壓三端穩(wěn)壓集成塊和7912負(fù)電壓三端穩(wěn)壓集成塊,再在±12V后接7805(正電壓三端穩(wěn)壓集成塊)和7905(負(fù)電壓三端穩(wěn)壓集成塊)就產(chǎn)生±5V的電源。

圖5 電源設(shè)計(jì)的電路圖

3.2 錘擊力的控制電路

通過調(diào)節(jié)電流大小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)錘擊力控制。錘擊力的控制電路如圖6所示，單片機(jī)輸出合適的電流，通過DAC0832轉(zhuǎn)換器，送到比較器與采樣得到的電流大小進(jìn)行比較，后經(jīng)PWM進(jìn)行調(diào)節(jié)得到穩(wěn)定的電流值，以輸出的電流實(shí)現(xiàn)錘擊力大小的控制。該電路由單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832、運(yùn)算放大器和電流的采樣電路組成。

圖6 錘擊力的控制電路圖

3.3 錘擊頻率的控制電路

頻率控制的準(zhǔn)確度，直接影響著熔覆層錘擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因此頻率的控制電路需要按要求的精度進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7所示，當(dāng)電磁錘通電，單片機(jī)AT89C52輸出仿真頻率相當(dāng)?shù)挠|發(fā)脈沖，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)頻率的控制。頻率的控制電路由功率驅(qū)動(dòng)電路TLP250[7]、后接觸發(fā)器4013和與非門4081組成，該控制電路可以完成調(diào)節(jié)頻率，控制電路成為功率場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路。

圖7 錘擊頻率的控制電路圖

3.4 步進(jìn)電機(jī)的控制電路

錘擊系統(tǒng)中為了準(zhǔn)確調(diào)節(jié)錘擊頭的位置，采用步進(jìn)電機(jī)更改錘擊頭的位置。錘擊裝置的步進(jìn)電機(jī)采用86BYG450A作為執(zhí)行裝置，控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用MS-2H090M。步進(jìn)電機(jī)的控制電路如圖8所示，單片機(jī)AT89C52的P2.5和P2.6引腳輸出信號(hào)連接在驅(qū)動(dòng)器MS-2H090M的CP和DIR引腳，驅(qū)動(dòng)器再和步進(jìn)電機(jī)86BYG450A連接。DIR信號(hào)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，單片機(jī)發(fā)出的CP脈沖的個(gè)數(shù)，使步進(jìn)電機(jī)完成定位。

圖8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制電路圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上面設(shè)計(jì)的錘擊裝置，在中空激光熔覆時(shí)，對(duì)熔覆層進(jìn)行錘擊試驗(yàn)。為了解錘擊前后熔覆層拉應(yīng)力(沿路徑D到A)的分布情況，對(duì)熔覆層采用X-350A型X射線衍射儀測(cè)定應(yīng)力，測(cè)量時(shí)采用側(cè)傾固定ψ交互關(guān)法定峰,傾斜角ψ依次選擇0°、24.2°、35.3°、45°，掃描起始角為132°，結(jié)束時(shí)為125°，2θ掃描步距為0.1°，計(jì)數(shù)時(shí)間1.0s，準(zhǔn)直管直徑2mm。采用1∶1 的高氯酸與甲醇混合溶液，對(duì)錘擊的熔覆層進(jìn)行逐層剝離電解拋光，沿路徑上的應(yīng)力如圖9所示。

圖9 應(yīng)力圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得熔覆層應(yīng)力和仿真時(shí)的趨勢(shì)一致；從圖9(a)可知，當(dāng)錘擊頻率一定時(shí)，隨著錘擊力的增加，熔覆層沿D到A路徑上應(yīng)力降低的效果越明顯；從圖9(b)可知，當(dāng)錘擊頻率一定時(shí)，隨著錘擊頻率的增加，熔覆層沿D到A路徑上應(yīng)力消除越來越明顯。

沿著節(jié)點(diǎn)的路徑將熔覆層切開，通過鑲樣、磨樣和腐蝕處理，用德國(guó)某公司生產(chǎn)的光學(xué)顯微鏡LaicaDM4000M[8]觀察熔覆層的顯微組織。熔覆層放大1000倍的金相圖如圖10所示。

圖10 錘擊頻率4 Hz熔覆層金相組織圖

圖10(a)中的金相組織圖顯示的是沒有進(jìn)行錘擊的熔覆層金相組織圖，圖10(b)-圖10(d)分別是頻率為4Hz時(shí)錘擊力為400N、800N、1200N時(shí)的金相組織圖，隨著錘擊力的增加，晶界被打破，晶粒進(jìn)一步變小，組織的塑性韌性提高，其力學(xué)性能得到了改善。對(duì)比分析：可以看出錘擊使熔覆層組織改善的原因是：1) 錘擊使熔池凝固的速度加快，結(jié)晶組織被錘碎，經(jīng)過再結(jié)晶形成較細(xì)小的晶粒；2) 熔池凝固的速度加快，析出強(qiáng)化相，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化，提高了接頭組織的致密度，減少了表面缺陷。

5 結(jié)語

1) 通過電流的大小來控制錘擊力的大小，通過與非門4081的2號(hào)引腳的頻率輸出來控制錘擊裝置的頻率；

2) 設(shè)計(jì)出來的錘擊系統(tǒng)，具有工作穩(wěn)定，控制簡(jiǎn)單，可以快速地進(jìn)行啟動(dòng)和停止，方便調(diào)節(jié)和控制，錘擊的頻率符合精度要求；

3) 在中空激光熔覆時(shí)，對(duì)熔覆層進(jìn)行錘擊處理，試驗(yàn)的結(jié)果表明，晶界被打破，晶粒進(jìn)一步變小，組織的塑性、韌性提高，其力學(xué)性能得到了改善。