電子束熔絲增材隨行退火系統(tǒng)及均勻面熱源掃描*

蔣布輝，張 偉，陳 曉，栗琪凱，孔令其

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院軍需工程技術(shù)研究所，北京 100082）

電子束熔絲增材制造技術(shù)[1-6]具有能量密度高、成形速度快、材料利用率高和成形質(zhì)量好等優(yōu)點，適用于制造高性能大型復(fù)雜金屬構(gòu)件，可有效縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本，在航空航天領(lǐng)域得到迅速推廣和應(yīng)用。然而，由于電子束輸入功率高、加熱速度快，而且成形零件尺寸大，在成形過程中往往存在較大溫度梯度，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和變形，嚴(yán)重影響零件的成形精度[7]。

黃志濤等[8]采用分塊填充成形以及熱處理工藝方法來解決TC18 鈦合金電子束熔絲成形過程中的變形問題，減小了平板的翹曲量，但需要專門的熱處理設(shè)備及工藝，降低了生產(chǎn)效率。王宏澤等[9]設(shè)計了電子束熔絲成形隨行退火系統(tǒng)，利用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描對成形零件進(jìn)行加熱，以減小應(yīng)力和變形，該研究只進(jìn)行了溫度場掃描仿真，沒有開展掃描試驗研究。電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)指的是通過電磁透鏡控制電子束高速偏轉(zhuǎn)在工件表面進(jìn)行掃描，通過控制掃描位置、掃描速度和停留時間等參數(shù)，對掃描區(qū)域進(jìn)行均勻或非均勻加熱，實時調(diào)節(jié)電子束熔絲增材過程中每層沉積層的熱輸入及溫度場分布，從而實現(xiàn)成形過程中應(yīng)力和變形控制。電子束偏轉(zhuǎn)掃描隨行退火無需單獨的熱處理設(shè)備，具有操作簡單、實時和高效的優(yōu)點，對于減小電子束熔絲增材制造中的變形和應(yīng)力具有重要意義。

采用工控機(jī)、波形發(fā)生卡和掃描線圈高速驅(qū)動電路搭建了電子束高速掃描系統(tǒng)，開發(fā)了基于LabVIEW 軟件的電子束熔絲增材隨行退火掃描控制程序，提出了像素點陣定位掃描控制方法，實現(xiàn)了電子束偏轉(zhuǎn)掃描精確控制。重點研究了100mm×100mm 均勻面熱源掃描，通過掃描路徑優(yōu)化提高了掃描溫度場分布的均勻性，為電子束熔絲增材制造隨行退火溫度場控制提供了技術(shù)參考。

1 電子束高速掃描系統(tǒng)

電子束高速掃描系統(tǒng)主要由控制工控機(jī)、任意波形發(fā)生卡、掃描線圈電流驅(qū)動電路及高速掃描線圈、動態(tài)聚焦線圈電流驅(qū)動電路及動態(tài)聚焦線圈組成；其中，掃描線圈電流驅(qū)動電路包括X方向掃描線圈電流驅(qū)動電路和Y方向掃描線圈電流驅(qū)動電路，高速掃描線圈有X方向掃描線圈和Y方向掃描線圈組成，如圖1所示。

圖1 電子束高速掃描系統(tǒng)Fig.1 High-speed electron beam scanning system

在電子束熔絲增材制造過程中，根據(jù)隨行退火工藝要求提前編寫好G 代碼文件，然后再通過隨行退火系統(tǒng)控制界面讀入該G 代碼掃描路徑文件。控制程序自動對G 代碼文件進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)換成X、Y方向的掃描數(shù)據(jù)，再將掃描數(shù)據(jù)寫入任意波形發(fā)生卡，啟動任意波形發(fā)生卡后輸出X、Y方向兩路輸出波形，該輸出波形再分別經(jīng)X、Y方向掃描線圈電流驅(qū)動電路連接至高頻高速掃描線圈，進(jìn)而產(chǎn)生變化可控的磁場，實現(xiàn)電子束偏轉(zhuǎn)掃描。同時，解析G 代碼后還得到掃描路徑上各點的動態(tài)聚焦電流數(shù)據(jù)，也輸入任意波形發(fā)生卡得到動態(tài)聚焦電流輸出波形，再經(jīng)動態(tài)聚焦線圈電流驅(qū)動電路后連接至動態(tài)聚焦線圈，實現(xiàn)動態(tài)聚焦線圈電流的實時調(diào)節(jié)。

1.1 掃描線圈

基于Helmholtz 線圈的工作原理，結(jié)合電子槍的結(jié)構(gòu)，X方向和Y方向的掃描線圈均采用一對彼此平行且連通的共軸線圈組成，并且兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，且線圈之間的距離與線圈邊長的一半近似相等，這樣在其公共軸線中心點附近小范圍區(qū)域可以產(chǎn)生均勻的磁場[10]。為了獲得較低的感抗，提高掃描線圈驅(qū)動電流的變化率，掃描線圈采用空心結(jié)構(gòu)。設(shè)計好的X方向和Y方向線圈匝數(shù)為120匝，電感量約為1.25mH。當(dāng)線圈驅(qū)動電流為2A 時，掃描線圈中心區(qū)域的磁感應(yīng)強度均＞20Gs，可以滿足大角度偏轉(zhuǎn)掃描的要求[11]。

1.2 動態(tài)聚焦線圈

動態(tài)聚焦線圈的主要功能是在掃描過程中動態(tài)實現(xiàn)電子束的高速聚焦與散焦。當(dāng)掃描點需要加熱時，動態(tài)聚焦線圈加載適當(dāng)?shù)尿?qū)動電流，電子束聚焦于工件表面對工件進(jìn)行加熱；當(dāng)掃描點不需要加熱時，快速調(diào)整動態(tài)聚焦線圈驅(qū)動電流，使電子束散焦，使得工件表面熱輸入減小，加熱效果不明顯。動態(tài)聚焦線圈采用空心螺線管結(jié)構(gòu)，線圈匝數(shù)為400 匝，線圈電感為3.8mH，動態(tài)聚焦電流在0～1A 變化時，可以滿足高速動態(tài)聚焦的要求。

1.3 掃描線圈高速驅(qū)動電路

基于高頻、高電壓、大電流功率的放大器PA93，提出了一種雙逆推電路拓?fù)?，結(jié)合PI 調(diào)節(jié)電路設(shè)計了掃描線圈驅(qū)動電路，實現(xiàn)了掃描線圈驅(qū)動電流的快速變化和高精度輸出。其中，X方向的掃描線圈驅(qū)動電路工作原理圖如圖2所示。

工控機(jī)將解析后獲取的掃描數(shù)據(jù)寫入任意波形發(fā)生卡，得到X、Y方向兩路輸出波形，分別作為X和Y方向掃描線圈驅(qū)動電流閉環(huán)控制的電流給定信號IgX和IgY。在圖2中，電流給定信號IgX與掃描線圈的電流反饋信號IfX進(jìn)行誤差運算，誤差運算結(jié)果再輸入PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)電路中得到輸出電壓值UgX；該UgX再輸入雙逆推功放電路，在高壓大電流PA93 功率放大電路Ⅰ的輸出端可以得到線圈驅(qū)動電壓UOX+，UOX+再經(jīng)PA93 功率放大電路Ⅱ反向放大后得到驅(qū)動電壓UOX-；然后，PA93功率放大電路Ⅰ的輸出端和PA93 功率放大電路Ⅱ的輸出端再分別連接至X方向掃描線圈的兩端，驅(qū)動掃描線圈產(chǎn)生掃描電流。當(dāng)PI 閉環(huán)調(diào)節(jié)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時，IgX與IfX的誤差為零，就可以實現(xiàn)了X方向掃描線圈驅(qū)動電流的閉環(huán)精確控制。同樣的工作原理，可以實現(xiàn)Y方向掃描線圈驅(qū)動電流的閉環(huán)精確控制。X、Y方向兩路輸出波形的電壓范圍為-5～+5V，進(jìn)掃描線圈電流驅(qū)動電路后產(chǎn)生-2～+2A 的掃描線圈驅(qū)動電流。試驗表明，當(dāng)X、Y方向掃描線圈中的驅(qū)動電流分別在-2～+2A 連續(xù)變化，電子束在X方向和Y方向的掃描痕跡長度為350mm，由此可知電子束的最大掃描范圍為350mm×350mm。

圖2中PA93 功率放大電路采用±48V 電源進(jìn)行供電，功放電路的輸出電壓范圍在-40～+40V 左右，與普通運放電路相比線圈的驅(qū)動電壓大大提高；同時，采用雙逆推電路結(jié)構(gòu)通過正反向兩路PA93 功率放大電路輸出端的正向電壓和反向電壓推拉，X方向掃描線圈的驅(qū)動電壓為UX+與UX-的差值，是單路功率放大電路驅(qū)動電壓的2 倍。綜合上述兩方面的設(shè)計，大大提高了掃描線圈的驅(qū)動電源電壓，使得線圈電流可以快速變化，從而實現(xiàn)了電子束的高速掃描。

圖2 X 方向掃描線圈高速驅(qū)動電路工作原理Fig.2 Working principle of X direction scanning coil high-speed drive circuit

1.4 動態(tài)聚焦線圈驅(qū)動電路

動態(tài)聚焦線圈驅(qū)動電路的工作原理與掃描線圈驅(qū)動電路基本相同，經(jīng)任意波形發(fā)生卡得到一路動態(tài)聚焦電流輸出波形作為動態(tài)聚焦線圈驅(qū)動電流閉環(huán)控制的電流給定信號，然后采用電流霍爾傳感器反饋聚焦電流，并通過PID 調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)動態(tài)聚焦電流的閉環(huán)精確控制。

2 控制軟件設(shè)計

2.1 控制界面

基于LabVIEW 軟件[12]開發(fā)了電子束熔絲增材隨行退火系統(tǒng)控制程序，主界面如圖3所示。

圖3 電子束高速掃描控制程序主界面Fig.3 Interface of electron beam high-speed scanning control program

該控制程序支持圓、橢圓、矩形，以及圓面、橢圓面和矩形面掃描，掃描頻率和掃描間距可設(shè)定。此外，為了方便觀察輸入的掃描數(shù)據(jù)是否正確，在主界面上還可以模擬顯示掃描的圖形。

2.2 掃描控制方法

為提高掃描位置和熱輸入量的控制精度，采用像素點陣定位方法來實現(xiàn)電子束掃描的精確控制，即將連續(xù)的掃描空間（350mm×350mm）離散到點，實現(xiàn)精確到每個點的偏轉(zhuǎn)數(shù)字量控制，并通過單獨設(shè)定每個點的停留時間來精確控制熱輸入量。選擇0.1mm 作為點間距對350mm×350mm 的掃描區(qū)域進(jìn)行離散化，將掃描范圍劃分為3500×3500 個網(wǎng)格。根據(jù)點的偏轉(zhuǎn)距離進(jìn)行離散化可以得到點的行列數(shù)值，然后再根據(jù)行列值查詢掃描線圈驅(qū)動電流的數(shù)字控制量，從而實現(xiàn)精確到點的掃描控制。其中，X方向掃描值對應(yīng)掃描陣列的行值，Y方向掃描值對應(yīng)掃描陣列的列值。通過0.1mm 精細(xì)劃分和掃描位置標(biāo)定可以實現(xiàn)精確的掃描熱源輸入位置控制。

在設(shè)定面熱源掃描工藝時，根據(jù)是否加熱對每個掃描點將會賦值一個動態(tài)聚集線圈電流值，當(dāng)電子束掃描到某一點位置時，對應(yīng)的動態(tài)聚焦電流數(shù)據(jù)通過任意波形發(fā)生卡輸出至動態(tài)聚集線圈驅(qū)動電路，實時調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，實現(xiàn)聚焦或散焦控制，從而實現(xiàn)精確到點的熱輸入控制。

2.3 控制流程

面熱源掃描數(shù)據(jù)輸入采用G 代碼文件格式，其控制程序流程如圖4所示。程序讀入G 代碼文件（TXT格式文件）后對文件進(jìn)行逐行解析，通過檢索文件中的G 代碼命令關(guān)鍵字，并根據(jù)不同命令及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行運算，計算掃描軌跡中各點坐標(biāo)，通過查表的方式生成X、Y方向兩路掃描電流數(shù)據(jù)和動態(tài)聚焦電流數(shù)據(jù)。在解析完所有G 代碼文件后分別將兩路掃描電流數(shù)據(jù)和動態(tài)聚焦電流數(shù)據(jù)寫入到波形發(fā)生卡中，然后啟動波形發(fā)生卡即可同步輸出X、Y方向兩路掃描電流控制波形和動態(tài)聚焦電流波形，分別作為X和Y方向掃描線圈驅(qū)動電流閉環(huán)控制的電流給定信號IgX和IgY。

圖4 G 代碼文件輸入控制程序流程Fig.4 Flow chart of G code file input control program

3 均勻面熱源掃描

3.1 掃描路徑

在電子束熔絲增材制造過程中，需要采用均勻面熱源對成形零件的局部區(qū)域進(jìn)行加熱，可以減小熱應(yīng)力和變形。因此，為了獲得均勻的面熱源，采用3 種直線往復(fù)掃描路徑對工件的局部區(qū)域進(jìn)行掃描加熱，其中，圖5（a）為單向直線往復(fù)掃描，束斑在縱向一個方向下上作來回逐點往復(fù)移動。圖5（b）為雙向直線往復(fù)掃描，束斑先進(jìn)行縱向掃描，再進(jìn)行橫向掃描。圖5（c）為雙向直線往復(fù)加輪廓往復(fù)掃描，束斑在雙向直線往復(fù)掃描的基礎(chǔ)上，對掃描區(qū)域的輪廓進(jìn)行3 次直線往復(fù)掃描。

圖5 3 種掃描路徑Fig.5 Three kinds of scanning paths

3.2 掃描溫度測量

在實際掃描試驗中，電子束加速電壓為60kV，工作距離500mm，束流30mA，掃描速度20m/s，工件材料為TC4 鈦合金，尺寸為150mm×150mm×10mm，掃描區(qū)域為100mm×100mm，掃描輪廓為100mm×100mm 區(qū)域邊緣5mm 范圍，見圖5（c）。掃描區(qū)域溫度采用放在工件底部孔中的9 支k 型熱電偶測量，如圖6所示。

圖6 熱電偶測溫點安裝示意圖（mm）Fig.6 Schematic diagram of installation of thermocouple temperature measurement point (mm)

分別采用3 種掃描路徑對工件進(jìn)行重復(fù)掃描，當(dāng)中心點（第5 點）的溫度達(dá)到800℃時，記錄下各測溫點的溫度值。不同掃描路徑下9 個溫度點的溫度分布如圖7所示?？梢钥闯?，單向往復(fù)掃描時，掃描區(qū)域溫差較大，為59℃，溫度均勻性最差；雙向往復(fù)掃描時，面熱源品質(zhì)比單向往復(fù)掃描的面熱源均勻性稍好，但最大溫差仍然較大，為46℃。雙向往復(fù)加3 次輪廓掃描，掃描區(qū)域的最大溫差顯著降低，為23℃，面熱源溫度分布比較均勻。

圖7 3 種掃描方式下溫度點最大溫差Fig.7 Maximum temperature difference of temperature points in three kinds of scanning modes

由上述試驗可知，利用輪廓掃描進(jìn)行外圈補償，可有效提高面熱源均勻性。為了獲得更加均勻的面熱源，在雙向往復(fù)加3 次輪廓掃描的基礎(chǔ)上再增加3 次輪廓掃描，掃描區(qū)域的溫度測量結(jié)果如圖8所示。

從圖8可見，增加3 次輪廓掃描后，掃描區(qū)域邊緣熱輸入增加，使得整個掃描區(qū)域的溫差進(jìn)一步減小為9℃。因此，在電子束熔絲增材制造過程中，根據(jù)零件成形區(qū)域的溫度分布或變形控制要求，可以采用電子束對特定區(qū)域進(jìn)行隨行退火掃描，通過掃描路徑規(guī)劃，改善零件成形區(qū)域的溫度分布，達(dá)到減小應(yīng)力、控制變形的目的，從而提高零件的成形質(zhì)量。

圖8 雙向往復(fù)掃描加6 次輪廓掃描Fig.8 Two-way reciprocating scan plus six times contour scans

4 結(jié)論

（1）搭建了電子束熔絲增材制造隨行退火系統(tǒng)，提出了基于像素點陣定位和動態(tài)聚集的控制方法，實現(xiàn)了電子束掃描的精確定位和熱輸入控制，最大掃描范圍可達(dá)350mm×350mm，可以滿足電子束熔絲增材制造過程中隨行退火的要求。

（2）采用3 種直線往復(fù)掃描路徑對成形零件100mm×100mm 的局部區(qū)域進(jìn)行掃描加熱，并采用多點同步測溫電路對掃描區(qū)域進(jìn)行溫度測量。試驗結(jié)果表明，采用雙向往復(fù)掃描并增加輪廓掃描可以改善面熱源溫度分布的均勻性，當(dāng)采用雙向往復(fù)加6 次輪廓掃描時，面熱源的溫差減小到9℃。