基于逆向建模的鋁合金薄壁件電弧增材再修復(fù)成形研究

焦坤，趙磊，杜行，董小媛，趙文忠

摘要：基于結(jié)構(gòu)光三維掃描尺寸采集技術(shù)、Geomagic軟件數(shù)據(jù)處理與逆向重構(gòu)技術(shù)、AMSlicerPro軟件模型剖分切片與路徑規(guī)劃技術(shù)等，對(duì)鋁合金ZL114A薄壁件的待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行逆向建模，通過(guò)焊絲ER4043電弧增材再修復(fù)試驗(yàn)完成薄壁樣件的修復(fù)，利用無(wú)損探傷、顯微硬度計(jì)、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及掃描電子顯微鏡等分析測(cè)試手段，對(duì)電弧增材再修復(fù)樣件熔敷區(qū)域的性能與組織進(jìn)行表征。結(jié)果表明：成形樣件表面無(wú)開(kāi)口缺陷，內(nèi)部組織致密、無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷;修復(fù)區(qū)域頂部的顯微硬度略高于底部，中間區(qū)域顯微硬度穩(wěn)定;平行于熔敷方向的試樣力學(xué)性能均優(yōu)于垂直于熔敷方向的試樣，成形樣件力學(xué)性能呈現(xiàn)一定的各向異性;修復(fù)區(qū)域組織Al-Si共晶呈細(xì)小條狀分布于α固溶體中，并從底部指向頂部延伸，頂部Al-Si共晶分布更加彌散，對(duì)α基體的切割效應(yīng)小，使得其性能比底部更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;電弧增材;修復(fù);逆向建模

中圖分類號(hào)：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0061-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.11

0  ? 前言

金屬增材制造修復(fù)可做到零部件的立即修復(fù)、立即使用等優(yōu)點(diǎn)，在軍工和民用市場(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景。目前金屬增材制造修復(fù)技術(shù)面向工程化應(yīng)用的一個(gè)突出問(wèn)題在于缺乏適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境以及快速響應(yīng)的能力，主要節(jié)省從型材制造到修復(fù)成型這段傳統(tǒng)加工周期，優(yōu)勢(shì)更多的體現(xiàn)在修復(fù)再制造成本低于重新生產(chǎn)的零件上。

鋁合金以其低質(zhì)高強(qiáng)、強(qiáng)耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)載電子、船舶等領(lǐng)域[1]。鋁合金零部件呈現(xiàn)出輕量、薄壁、異形等復(fù)雜結(jié)構(gòu)性的發(fā)展趨勢(shì)[2]，其加工制造需滿足快速響應(yīng)、靈活修正及降本增效等要求[3-4]。電弧增材及修復(fù)制造技術(shù)是以電弧為熱源，以氬氣等惰性氣體作保護(hù)，通過(guò)填充焊絲逐層沉積堆敷，從而達(dá)到近凈成形，可完成金屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)件經(jīng)濟(jì)快速成形或修復(fù)[5-8]。電弧增材及修復(fù)技術(shù)應(yīng)用到鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件上，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無(wú)法加工的復(fù)雜設(shè)計(jì)，大幅提升原材料利用率，縮短零部件制造或再修復(fù)的周期[9-12]。

文中采用可現(xiàn)場(chǎng)采集外形尺寸的便攜式可移動(dòng)金屬增材修復(fù)設(shè)備，在鋁合金ZL114A薄壁樣件上進(jìn)行基于逆向建模的電弧增材再修復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)ABB六軸機(jī)器臂與CMT焊機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率、穩(wěn)定的電弧增材與修復(fù)成形，研究成形件熔敷區(qū)域的力學(xué)性能與顯微組織等，以期為鋁合金電弧增材再修復(fù)在工程中的應(yīng)用提供工藝參考與理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

待修復(fù)樣件材料為ZL114A T6態(tài)，采用焊絲ER4043，直徑φ1.2 mm，化學(xué)成分如表1所示。

待修復(fù)樣件與目標(biāo)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)目標(biāo)體結(jié)構(gòu)分析，需在薄壁件中間位置增材成形一個(gè)220 mm×110 mm×4 mm的薄壁筋條。

采用Y.Cougar SMT型X射線檢測(cè)儀和滲透檢測(cè)對(duì)成形樣件進(jìn)行無(wú)損探傷分析;采用HVS-1000Z顯微硬度計(jì)測(cè)量成形樣件不同區(qū)域的顯微硬度值，采用RGM4100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)成形樣件進(jìn)行力學(xué)性能分析;采用JCM-7000掃描電子顯微鏡對(duì)成形樣件進(jìn)行顯微組織分析。

2 逆向建模

樣件增材再修復(fù)逆向建模包括尺寸采集、數(shù)據(jù)處理、逆向重構(gòu)與增材分形4個(gè)步驟，具體的建模條件如表2所示。

基于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)對(duì)待修復(fù)樣件進(jìn)行原始尺寸點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。由于采集的是樣件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需進(jìn)行多次多視角掃描，能夠協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換完成自動(dòng)拼接。數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一項(xiàng)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，處理質(zhì)量直接影響到后續(xù)曲面重建過(guò)程，其主要內(nèi)容包括噪點(diǎn)去除、孔洞修補(bǔ)及數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等，如圖2所示。

逆向重構(gòu)原理基于NURBS曲線曲面構(gòu)造法。逆向重構(gòu)過(guò)程包括對(duì)數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合建立領(lǐng)域、提取STL模型的擬合面片精度，以及布爾求差運(yùn)算出待修復(fù)模型，如圖3所示。

將逆向重構(gòu)的STL格式實(shí)體模型導(dǎo)入軟件AMSlicerPro進(jìn)行電弧增材的模型剖分切片、路徑規(guī)劃及后處理等操作。增加工具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、運(yùn)動(dòng)速度、焊接參數(shù)及層間等待時(shí)間等參數(shù)信息，將運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可識(shí)別的RAPID程序，加載至ABB機(jī)械臂控制器中即可進(jìn)行增材再修復(fù)試驗(yàn)。

3 電弧增材再修復(fù)試驗(yàn)

鋁合金電弧增材再修復(fù)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)非均勻熔化-凝固過(guò)程[13-14]。由于電弧熱輸入較高，已沉積成形部分將反復(fù)受到后續(xù)沉積時(shí)電弧熱源的熱作用，使得成形過(guò)程中的熱積累顯著，不同工藝參數(shù)將直接影響成形樣件的組織、性能及尺寸精度等。CMT焊機(jī)使用一元化參數(shù)設(shè)置，在增材再修復(fù)過(guò)程中，送絲速度作為主要的控制變量[15-16]。此外，由于電弧的熱輸入、散熱效率以及熔敷精度差等因素影響，須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整送絲速度、層間等待時(shí)間以及熔覆層高度補(bǔ)償量等變量來(lái)保證增材再修復(fù)成形。樣件電弧增材再修復(fù)工藝參數(shù)設(shè)置如表3所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 無(wú)損探傷

對(duì)修復(fù)樣件進(jìn)行X射線探傷與滲透探傷分析。修復(fù)樣件熔敷區(qū)域內(nèi)部組織致密，無(wú)肉眼可見(jiàn)的氣孔、縮孔、疏松等缺陷（黑點(diǎn)為噪點(diǎn)），如圖4a所示;樣件表面無(wú)開(kāi)口性缺陷，如圖4b所示。在表3的工藝參數(shù)控制下，電弧增材再修復(fù)過(guò)程中熔敷層與熔敷層間能夠很好地熔合形成致密組織，但層與層之間存在明顯的分層痕跡，造成外觀表面粗糙度差，還需進(jìn)一步的精加工來(lái)保證尺寸精度。成形薄壁的兩端存在明顯的熔敷堆積過(guò)量，端部高于中心部位，這是由于熔敷層每次起弧與熄弧時(shí)熱輸入差異導(dǎo)致熔敷量累積造成的。

4.2 力學(xué)性能

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中標(biāo)準(zhǔn)試樣的規(guī)定設(shè)計(jì)力學(xué)拉伸試樣尺寸。如圖5所示，從成形樣件修復(fù)區(qū)域分別取垂直于焊縫方向的縱向試樣3組（V1、V2、V3），平行于焊縫方向的橫向試樣4組（H1、H2、H3、H4）。沿垂直于焊縫方向剖切，從熔敷層底部至頂部依次測(cè)量8個(gè)區(qū)域的顯微硬度平均值，加載載荷F=1.962 N，加載時(shí)間15 s。

7組試樣的力學(xué)性能如表4所示，對(duì)比試樣V1、V2、V3的力學(xué)性能可知，三者性能較為接近，說(shuō)明成形樣件修復(fù)區(qū)域在平行于熔敷方向的力學(xué)性能較為穩(wěn)定，靠近端部的力學(xué)性能未發(fā)生顯著變化。對(duì)比試樣H1、H2、H3、H4的力學(xué)性能可知，修復(fù)區(qū)域靠近頂部高位的力學(xué)性能優(yōu)于靠近母體的部位，試樣H1的抗拉強(qiáng)度比H4高8.9%，延伸率及端面收縮率也更高;顯微硬度也是頂部高于底部區(qū)域，這是由于底部區(qū)域經(jīng)歷多次的電弧往復(fù)加熱，相當(dāng)于進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的退火，因此其力學(xué)性能略低于頂部。整體來(lái)看，電弧增材再修復(fù)成形樣件力學(xué)性能呈現(xiàn)一定的各向異性，平行于熔敷方向H系列試樣的抗拉強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率均優(yōu)于垂直于熔敷方向的V系列試樣。

4.3 顯微組織

成形樣件修復(fù)區(qū)域頂部與底部的SEM背散射線成像照片如圖6所示。鋁合金4043為Al-Si二元合金，內(nèi)部組織通常為α固溶體+Al-Si共晶組織，如圖6a所示。由于鋁硅合金很軟，圖中深黑色點(diǎn)為金剛石拋光劑殘留顆粒。

電弧增材再修復(fù)成形后修復(fù)區(qū)域鋁合金4043內(nèi)部較為致密，未觀察到微裂紋或者氣孔等顯著冶金缺陷，Al-Si共晶呈細(xì)小條狀分布于α固溶體中，未發(fā)現(xiàn)粗大片狀或塊狀共晶組織。對(duì)比頂部與底部成像情況發(fā)現(xiàn)，修復(fù)區(qū)域鋁合金4043內(nèi)部Al-Si共晶呈現(xiàn)一定的方向性，大多數(shù)共晶沿著增材方向，即從底部指向頂部延伸;靠近頂部的部位內(nèi)部Al-Si共晶分布相對(duì)于底部更加彌散，共晶間的黏連更少，對(duì)α基體的切割效應(yīng)小，受力時(shí)發(fā)生應(yīng)力集中的概率更小，力學(xué)性能更加優(yōu)良。

5 結(jié)論

對(duì)ZL114A薄壁鋁合金件進(jìn)行修復(fù)區(qū)域的逆向建模，增材再修復(fù)試驗(yàn)摸索，并對(duì)成形樣件修復(fù)區(qū)域進(jìn)行力學(xué)性能、化學(xué)成分以及顯微組織等分析，得出結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)待修復(fù)模型進(jìn)行尺寸采集、數(shù)據(jù)處理、逆向重構(gòu)與增材分形等四個(gè)步驟，即可實(shí)現(xiàn)增材再修復(fù)的逆向建模。

（2）成形樣件經(jīng)X射線探傷與滲透探傷，內(nèi)部組織致密且表面無(wú)開(kāi)口性缺陷。力學(xué)性能結(jié)果也表明，成形樣件修復(fù)區(qū)域靠近頂部的部位較靠近母體的部位的性能更優(yōu)，平行于熔敷方向的試樣力學(xué)性能均優(yōu)于垂直于熔敷方向試樣，電弧增材再修復(fù)成形樣件力學(xué)性能呈現(xiàn)一定的各向異性。

（3）熔敷區(qū)域組織Al-Si共晶呈細(xì)小條狀分布于α固溶體中，Al-Si共晶呈現(xiàn)一定的方向性，即從底部指向頂部延伸;頂部Al-Si共晶分布相更彌散，共晶間的黏連更少，對(duì)α基體的切割效應(yīng)小，使其性能優(yōu)于底部。

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