激光熔覆單層單道軌跡成形控制方法

練國富,楊 謖,陳昌榮,姚明浦

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118)

1 引 言

激光熔覆成形技術(shù)是將快速成型原理與激光熔覆技術(shù)結(jié)合起來,形成的一種能夠制造致密金屬零件的快速成型技術(shù),其熔覆成形是“光-粉”(激光和粉末)耦合作用的復(fù)雜過程。因此,建立工藝參數(shù)與工藝結(jié)果之間的簡析表達(dá)式,以解釋激光熔覆的復(fù)雜過程,揭示工藝參數(shù)與工藝結(jié)果之間的內(nèi)在規(guī)律具有極其重要的意義[1]。激光熔覆單層單道軌跡成形控制是高價值舊件的再制造、零件直接制造、熔覆與切削的混合制造的精確形狀控制的前提和基礎(chǔ),建立工藝參數(shù)與工藝結(jié)果結(jié)構(gòu)尺寸的定量對應(yīng)關(guān)系,才能為選擇工藝參數(shù)和實現(xiàn)單道軌跡的預(yù)測與控制提供重要依據(jù)。

Badkar等采用響應(yīng)面法研究了激光功率、掃描速度和聚焦位置對熔覆的寬度、深度和輪廓入口角的影響,建立了數(shù)學(xué)模型,并且通過試驗證實了該模型的可靠性,最后用該方法對激光熔覆參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[2]。Onwubolu等采用響應(yīng)面法研究了激光功率、掃描速度和送粉速率對濕潤角的影響,結(jié)果表明濕潤角取決于熔覆層的寬度、高度[3]。Mondal等以熔覆層的寬度、深度為衡量指標(biāo),通過正交試驗設(shè)計、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合方差分析法探究出各個工藝參數(shù)對熔覆層影響程度[4]。Graf等采用中心復(fù)合設(shè)計法(Central Composite Design,CCD)確定工藝參數(shù)對熔覆層寬度和高度的影響,試圖找出熔覆層特性與主要熔覆參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系,并優(yōu)化參數(shù)[5]。Manonmani等利用響應(yīng)面法來預(yù)測了激光工藝參數(shù)對焊接成形的影響[6]。Cheikh等采用全因素試驗研究了激光功率、掃描速度、送粉量對熔覆層的寬度、高度、面積以及熔池深度的影響；并且提出了2種模型：一是分析模型即粉末進(jìn)入熔覆時的分布分別為高斯、均勻和多項式；二是由于熔覆層表面張力的影響,認(rèn)定熔覆層截面軌跡為圓弧,去預(yù)測單道熔覆層軌跡的形狀與幾何特征[7]。Liu等采用實驗和統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法研究了粉末利用率與工藝參數(shù)同熔覆層幾何形狀之間的規(guī)律[8]。申屹豪等采用響應(yīng)面法,分別以激光功率、掃描速度、送粉速率與熔覆層的寬度、高度、高寬比為因素與響應(yīng)值,建立熔覆形貌的數(shù)學(xué)模型,并通過ANSYS軟件模擬分析進(jìn)而對熔覆中的溫度進(jìn)行控制[9]。Barekat等通過線性回歸分析研究了激光功率、掃描速度、送粉速率與單道熔覆層幾何特征(熔寬、熔高、稀釋率、潤濕角等)之間的關(guān)系；并設(shè)計了所需熔覆層特性的工藝參數(shù)選擇指南[10]。

現(xiàn)有的研究針對激光功率、掃描速度、送粉率、離焦量等各工藝參數(shù)對熔覆層幾何形貌的影響,以及如何確定最優(yōu)工藝參數(shù)的研究較多,但是,關(guān)于熔覆層截面軌跡成形控制,如何通過建立工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸的定量對應(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)預(yù)定形狀的工藝參數(shù)選擇,以及如何通過工藝參數(shù)的選擇來控制與預(yù)測軌跡形狀方面的研究還有待深入。因此,實驗通過采用響應(yīng)面法中的中心復(fù)合設(shè)計法,研究激光功率、掃描速度、氣流量、離焦量對激光熔覆成形的耦合作用規(guī)律,獲得激光熔覆單層單道截面軌跡的數(shù)學(xué)模型,實現(xiàn)熔覆單層單道軌跡形狀的控制與預(yù)測。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

以45號鋼為基體材料,其規(guī)格(長×寬×高)為40 mm×20 mm×10 mm；熔覆的金屬粉末為W6Mo5Cr4V2高速鋼粉末,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 W6Mo5Cr4V2的化學(xué)成分wt%Tab.1 W6Mo5Cr4V2 chemical composition wt%

2.2 熔覆裝置

激光熔覆裝置如圖1所示,分別由FANUC的M-710iC/50工業(yè)機(jī)器人、同飛的TFLW-4000WDR-01-3385激光水冷卻機(jī)、IPG的YLS-3000激光器、激光傳輸系統(tǒng)、分時關(guān)閘和Lasermech提供的FDH0273/焦距300mm激光熔覆頭,以及CR-PGF-D-2氣流式送粉系統(tǒng)、Mitsubishi制PLC整機(jī)控制系統(tǒng)、SX14-012PULSE激光脈沖波形控制系統(tǒng)組成。

圖1 激光熔覆系統(tǒng)Fig.1 Laser cladding system

2.3 響應(yīng)面法(RSM)

實驗采用響應(yīng)面法中的CCD設(shè)計方法,通過響應(yīng)面分析軟件(Design-expert V8)建立了24個軸向點(diǎn)和6個復(fù)制中心點(diǎn)的4因素、3水平CCD矩陣實驗。其中,4個因素分別為激光功率(LP)、掃描速度(SS)、氣流量(GF)與離焦量(DA)；每個因素的上水平編碼為+1,下水平編碼為-1,零水平編碼為0,如表2所示；實驗設(shè)計如表3所示。為了確定響應(yīng)值與熔覆工藝參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,最常用和最有效的方法之一是多元線性回歸方法。因此,使用二階回歸模型來擬合試驗數(shù)據(jù),如等式(1)所示[11]：

(1)

其中,y是預(yù)測響應(yīng)值;β0是截距系數(shù);βj是線性系數(shù);βjj是二次系數(shù);βij是一次耦合關(guān)系系數(shù);xj是熔覆參數(shù);k是因子的數(shù)量;ε是相關(guān)的誤差。

表2 熔覆的參數(shù)與水平Tab.2 Cladding parameters and levels

熔覆前,用丙酮將基材表面油污清洗干凈,隨后用酒精再清洗干凈并烘干,同時將粉末置于真空烘干機(jī)中烘干30 min。熔覆后的樣件隨后進(jìn)行線切割、鑲嵌打磨,用顯微鏡拍攝熔覆層橫截面的幾何形貌,多次測量取平均得到熔覆層的寬度、高度、橫截面積。試驗結(jié)果分別為圖2、表3所示,其中Width表示熔寬、Height表示熔高、Area表示截面面積。

圖2 熔覆試件的外貌圖Fig.2 Appearance of laser cladding samples 表3 中心復(fù)合設(shè)計與結(jié)果 Tab.3 Central composite design and results

RunLP/kWSS/(mm·s-1)GF/(L·h-1)DA/mmWidth/mmHeight/mmArea/μm2100202．4961．10331252211-1-12．8021．777589413-1-1112．4130．9002241341-1112．6131．36539812500002．6281．39943406602001．8761．03324210711112．4550．7331886781-1-1-22．6532．075797979-111-22．0911．342389391000002．6941．187381931100002．3491．19135281120-2002．5071．579537791320002．8841．4605108814-11-1-12．0911．543468621500-203．0341．7056510416-11112．0580．6321529717-11-112．0251．205303391800002．2321．227337351900022．3390．8002114520111-12．4801．575497522100002．5461．3123742622000-22．6361．584499972311-112．4961．24834615241-1-112．5451．416425882500002．5951．23038144261-11-12．6532．1787451627-20002．1321．0752721428-1-1-1-12．5892．0506804929-1-1-112．7521．4224592630-1-11-12．1991．54046772

3 試驗結(jié)果與分析

通過響應(yīng)面分析軟件對響應(yīng)值(寬度、高度與橫截面積)進(jìn)行了方差分析,建立了相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并分析了各個因素對響應(yīng)值的影響。

3.1 熔 寬

Width=2.48+0.17×LP-0.13×SS-0.086×GF+0.091×LP×SS-0.085×SS2+0.058×GF2

(2) 表4 熔寬方差分析表Tab.4 Analysis of variance of clad width

圖3為熔寬回歸方程學(xué)生化殘差的概率分布圖,圖4為熔寬預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系圖。由圖3可知,30組熔寬的學(xué)生化殘差值均逼近直線,滿足正態(tài)假設(shè),表明該模型擬合的較好；由圖4可知,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)近線性分布,沒有出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)點(diǎn),進(jìn)一步證明該模型與實測結(jié)果擬合良好。

圖3 熔寬的殘差分布概率Fig.3 Probability distribution of clad with residuals

圖4 熔寬預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系圖Fig.4 Comparison of model predicted and actual clad widths

表4同時說明激光功率與掃描速度的交互作用對熔寬的影響顯著。圖5和圖6分別為激光功率和掃描速度對熔寬影響的等高線圖和3D響應(yīng)面圖。由圖5與圖6可知,等高線呈橢圓形分布,進(jìn)一步驗證了方差分析表的結(jié)果。當(dāng)掃描速度較大時,熔覆層寬度與激光功率成線性關(guān)系；當(dāng)掃描速度較小時,熔覆層寬度與激光功率成非線性關(guān)系。

圖5 熔寬的等高線圖Fig.5 Contour plot of clad width

圖6 熔寬的3D響應(yīng)面圖Fig.6 3D response surface of clad width

圖7為3個因素與響應(yīng)值熔寬之間的影響關(guān)系圖。由圖可知,隨著激光功率增加,熔覆層寬度也增加,這是由于在其他因素不變的情況下,激光功率增加使得單位體積基體與粉末吸收的能量增加,擴(kuò)大熔覆的影響范圍,從而更有利于基體與金屬粉末的冶金結(jié)合,讓熔寬增加。當(dāng)掃描速度增加到中心點(diǎn)值時,熔覆層寬度先緩慢減小,隨著掃描速度持續(xù)增加時,熔寬則迅速減小。當(dāng)氣流量增加到中心點(diǎn)值時,熔覆層的寬度迅速減小；隨著氣流量持續(xù)增加,熔寬則開始緩慢的減小,最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 3個因素與熔寬之間的影響關(guān)系Fig.7 Correlation between 3 factors and clad width

3.2 熔 高

Height=1.31+0.1×LP-0.17×SS-0.15×GF-0.26×DA+0.1×LP×GF-0.064×SS×GF+0.049×GF2

(3) 表5 熔高方差分析表Tab.5 Analysis of variance of clad height

圖8和圖9分別為熔高回歸方程學(xué)生化殘差的概率分布圖和熔高預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系圖。由圖8可知,30組熔高的學(xué)生化殘差值均逼近直線,滿足正態(tài)假設(shè),表明該模型擬合的較好；由圖9可知,數(shù)據(jù)呈明顯的線性分布,且沒有出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)點(diǎn),證明該模型與實測結(jié)果擬合良好。

圖8 熔高的殘差分布概率圖Fig.8 Probability distribution of clad height residuals

由表5可知激光功率與氣流量的交互作用對熔高的影響顯著。圖10和圖11分別為激光功率和氣流量對熔高影響的等高線圖和3D響應(yīng)面圖。由圖10與圖11可知,等高線呈橢圓形分布,進(jìn)一步證實了方差分析表的結(jié)果。當(dāng)氣流量較大時,即送粉量較多,熔覆層高度隨激光功率的增加而增加；當(dāng)氣流量較小時,激光功率對熔覆層高度影響不大。

圖9 熔高預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系圖Fig.9 Comparison of model predicted and actual clad heights

圖11 熔高的3D響應(yīng)面圖Fig.11 3D response surface of clad height

圖12為4個因素與熔高之間的影響關(guān)系圖。從圖中可知,隨著激光功率增加,熔覆層變高；這是由于在其他因素不變的情況下,激光功率增加使熔化的粉末增加。相反,隨著掃描速度與離焦量的增加,投射到粉末的激光能量減少,從而降低了熔高。隨著氣流量的增加,熔覆層的高度逐漸減少。這是由于氣流量的增加稀釋了激光能量,使熔化的粉末量減少。盡管氣流量的二次項對熔高有影響,并不顯著。

圖12 4個因素與熔高的影響關(guān)系Fig.12 Correlation between 4 factors and clad height

3.3 橫截面積

橫截面積的數(shù)學(xué)模型為式(4),其方差分析如表6所示。

Area=39087.51+5343.23×LP-7566.71×SS-6860.48×GF-10438.67×DA+3477.49×LP×GF-1899.86×LP×DA+2915.51×GF2

(4) 表6 橫截面積方差分析表Tab.6 Analysis of variance of cross sectional area

圖13和圖14分別為橫截面積回歸方程學(xué)生化殘差的概率分布圖和橫截面積預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系圖。由圖13可知,30組橫截面積的學(xué)生化殘差值均逼近直線,滿足正態(tài)假設(shè),表明該模型擬合的較好；由圖14可知,數(shù)據(jù)呈明顯的線性分布,且沒有出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)點(diǎn),證明該模型與實測結(jié)果擬合良好。

圖13 橫截面積的殘差分布概率圖Fig.13 Probability of cross section area residuals

圖14 橫截面積預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系圖Fig.14 Comparison of model predicted and actual clad cross section areas

由表6可知激光功率與氣流量的交互作用對橫截面積的影響顯著。圖15和圖16分別為激光功率和氣流量對橫截面積影響的等高線圖和3D響應(yīng)面圖。由圖15與圖16可知,等高線呈橢圓形分布,進(jìn)一步證實了方差分析表的結(jié)果；當(dāng)氣流量較大時,即送粉量較多,熔覆層橫截面積隨激光功率的增加而增加；當(dāng)氣流量較小時,激光功率對熔覆層橫截面積影響不大。

圖15 橫截面積的等高線圖Fig.15 Contour plot of cross section area

圖16 橫截面積的3D響應(yīng)面圖Fig.16 3D response surface of cross section area

圖17為4個因素與橫截面積之間的影響關(guān)系圖。從圖中可知,隨著激光功率增加,熔覆層的橫截面積變大。這是由于在其他因素不變的情況下,激光功率增加使熔化的粉末增加。相反,隨著掃描速度與離焦量的增加,投射到粉末的激光能量減少,從而減小了橫截面積。隨著氣流量的增加,熔覆層的橫截面積逐漸減小。這是由于氣流量的增加稀釋了激光能量,使熔化的粉末量減少。由表6可知,氣流量的二次項對橫截面積的影響顯著,所以,橫截面積減小的趨勢明顯。

圖17 4個因素與橫截面積的影響關(guān)系Fig.17 Correlation between 4 factors and cross sectional area

4 試驗驗證

為了確定所得回歸模型的可靠性,需要通過試驗進(jìn)行驗證。驗證的試驗參數(shù)及其結(jié)果如表7所示。從表7中可知,所有響應(yīng)的預(yù)測值與實驗值的偏差都在5%以內(nèi),說明其數(shù)學(xué)模型具有普遍適用性。

表7 數(shù)學(xué)模型驗證結(jié)果Tab.7 Validation results of three mathematical models

5 結(jié) 論

通過響應(yīng)面實驗揭示了熔覆層的寬度、高度和橫截面積與激光功率、掃描速度、氣流量、離焦量之間的內(nèi)在函數(shù)關(guān)系,構(gòu)建了工藝參數(shù)與工藝結(jié)果結(jié)構(gòu)尺寸的二階回歸模型,并通過試驗驗證了模型的可靠性,為工藝參數(shù)的選擇和實現(xiàn)單道軌跡的預(yù)測與控制提供重要依據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果,可得到以下結(jié)論：

(1)揭示了“光-粉”耦合作用對激光熔覆成形的影響規(guī)律。激光功率增加,掃描速度降低,都有利于增加熔覆過程的能量輸入,使熔覆層的寬度、高度和橫截面積相應(yīng)地增加；氣流量增加,使熔覆粉末的供給增加,稀釋了輸入的激光能量,使3個響應(yīng)值相應(yīng)地減??；離焦量與熔寬之間不存在相互影響關(guān)系；但離焦量增加,熔高、橫截面積會相應(yīng)地減小。

(2)構(gòu)建了激光熔覆工藝參數(shù)與工藝結(jié)果的簡析表達(dá)式,確定了工藝參數(shù)與熔覆形狀之間的關(guān)系,指導(dǎo)工藝實施與單道軌跡的預(yù)測與控制。

(3)熔寬、熔高和橫截面積的二階回歸模型的調(diào)整R方值分別為0.7321,0.8749和0.9137,預(yù)測R方值分別為0.6371,0.8007和0.8630,表明3個響應(yīng)模型能夠很好擬合并預(yù)測試驗組數(shù)據(jù),驗證了回歸模型在工藝分析理論中的可靠性。

(4)3組驗證實驗得到的3個響應(yīng)預(yù)測值與實驗值的誤差均小于5%,表明所得回歸模型對其他熔覆參數(shù)下的形貌預(yù)測可靠性好,證明了單道截面幾何形狀變化規(guī)律分析的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] GAO Shiyou,LI Jian,LI Chenguang,et al.Research on the variation regulirity of single laser tracks cross-section morphology during laser cladding[J].Chinese Journal of Lasers,2013,40(5):1-7.(in Chinese)

高士友,李健,李臣光,等.激光熔覆單道沉積軌跡截面形貌變化規(guī)律研究[J].中國激光,2013,40(5):1-7.

[2] Badkar D S,Pandey K S,Buvanashekaran G.Application of the central composite design in optimization of laser transformation hardening parameters of commercially pure titanium using Nd∶YAG laser[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,59(1):169-192.

[3] Onwubolu G C,Davim J P,Oliveira C,et al.Prediction of clad angle in laser cladding by powder using response surface methodology and scatter search[J].Optics & Laser Technology,2007,39(6):1130-1134.

[4] Subrata Mondal,Asish Bandyopadhyay,Pradip Kumar Pal.Application of artificial neural network for the prediction of laser cladding process characteristics at Taguchi-based optimized condition[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2014,70(9-12):2151-2158.

[5] Graf B,Ammer S,Gumenyuk A,et al.Design of experiments for laser metal deposition in maintenance,repair and overhaul applications[J].Procedia CIRP,2013,11:245-248.

[6] Manonmani K,Murugan N,Buvanasekaran G.Effects of process parameters on the bead geometry of laser beam butt welded stainless steel sheets[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,32(11):1125-1133.

[7] El Cheikh H,Courant B,Branchu S,et al.Analysis and prediction of single laser tracks geometrical characteristics in coaxial laser cladding process[J].Optics and Lasers in Engineering,2012,50(3):413-422.

[8] Shuang Liu,Radovan Kovacevic.Statistical analysis and optimization of processing parameters in high-power direct diode laser cladding [J].Optics and Lasers in Engineering,2014,74(5-8):867-878.

[9] SHEN Yihao,ZHANG Ke,ZHAI Wei,et al.Adjustment of accumulation process for thin-wall part by laser cladding rapid forming[J].Hot Working Technology,2016,45(24):39-42.(in Chinese)

申屹豪,張軻,翟偉,等.激光快速成型薄壁墻堆積工藝調(diào)控[J].熱加工工藝,2016,45(24):39-42.

[10] Barekat M,Razavi R S,Ghasemi A.Nd∶YAG laser cladding of Co-Cr-Mo alloy on γ-TiAl substrate[J].Optics & Laser Technology,2016,80:145-152.

[11] Wu C F J,Hamada M S.Experiments:planning,analysis,and optimization[M].John Wiley & Sons,2011.