任傳奇 魏正英 王 鑫 白 浩 杜 軍
(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)
增材制造 (additive manufacturing,AM) 技術(shù)是基于離散—堆積成型原理的新型數(shù)字化成形技術(shù),可實(shí)現(xiàn)無(wú)模快速制造,解決許多難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件的成形,極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本,被譽(yù)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”,成為制造技術(shù)領(lǐng)域新的戰(zhàn)略方向[1-4]。高能束熱源的金屬增材制造[5-9]、金屬熔滴沉積增材制造技術(shù)[10]及金屬焊接增材制造技術(shù)[11]普遍存在設(shè)備成本較高,核心元器件還主要依賴(lài)進(jìn)口,部分原材料嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口,且成形件表面質(zhì)量差,出現(xiàn)應(yīng)力集中,孔隙、組織均勻性差、形狀精度低等問(wèn)題。金屬涂覆成形工藝是基于金屬熔滴沉積工藝發(fā)展而來(lái),其本質(zhì)區(qū)別是金屬涂覆成形工藝是連續(xù)的金屬液流層層沉積而金屬熔滴沉積工藝則是斷續(xù)的金屬液滴由點(diǎn)到線到面進(jìn)行沉積。金屬涂覆成形工藝具有以下特點(diǎn):取材廣泛,不受材料形式限制,可以是棒料、粉料、絲料等多種形式,且該技術(shù)無(wú)需特殊模具和昂貴的設(shè)備。
焊接增材領(lǐng)域中,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在工藝參數(shù)對(duì)成形形貌的影響規(guī)律,定量化研究參數(shù)影響效應(yīng)等方面已經(jīng)取得巨大進(jìn)展。Onwubolu等學(xué)者[12]在單道激光熔覆實(shí)驗(yàn),利用響應(yīng)面法和分散搜索法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了預(yù)測(cè)熔覆層接觸角的數(shù)學(xué)模型。Hussam等人[13]對(duì)激光熔覆過(guò)程中,構(gòu)造單道熔覆層橫截面形狀特征參數(shù)與成形工藝參數(shù)之間的線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)采用圓弧模型能更好地預(yù)測(cè)熔覆層橫截面形貌。哈爾濱工業(yè)大學(xué)熊俊[14]等人研究不同電弧增材工藝下單層單道的成形形貌和工藝參數(shù)關(guān)系,建立了工藝參數(shù)和特征形貌尺寸模型。大連理工大學(xué)謝紅梅[15]采用正交實(shí)驗(yàn)法研究了熔覆層弓形橫截面的顯微形貌及其成形原因,并分析了各工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形狀參數(shù)的影響主次。本文采用曲面響應(yīng)法(RSM)中的中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì),該方法實(shí)驗(yàn)次數(shù)少,同時(shí)滿(mǎn)足正交性和旋轉(zhuǎn)性,并且具有避免回歸系數(shù)相關(guān)性等優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中,為縮減試驗(yàn)次數(shù)同時(shí)有效反映出金屬熔融涂覆打印工藝參數(shù)對(duì)輸出變量的作用,通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件平臺(tái),采用回歸設(shè)計(jì)與分析方法將試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和回歸模型集中統(tǒng)一處理的方法,在保證科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕A(chǔ)上,極大提升了試驗(yàn)效率。
金屬熔融涂覆成形原理如圖1所示,低熔點(diǎn)合金材料(Sn63Pb37)通過(guò)感應(yīng)加熱方式被熔化,經(jīng)惰性氣壓驅(qū)動(dòng)金屬熔體由噴頭微流道穩(wěn)定流出,高溫合金熔體遇到相對(duì)冷的基板或已凝固成形層,熔體開(kāi)始凝固鋪展,凝固組織與基板有較強(qiáng)的貼合,因此與基板保持同步移動(dòng),而凝固相界面對(duì)臨近凝固相界面處熔體產(chǎn)生剪應(yīng)力,從而形成薄的金屬熔體鋪展層。通過(guò)控制基板的移動(dòng)改變成形位置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬材料的堆積累加成形,最終實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的無(wú)模快速成形制造。

本文所使用金屬熔融涂覆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)原理如圖2所示,系統(tǒng)主要包括金屬感應(yīng)加熱熔煉裝置、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、溫度壓力控制模塊、惰性氣體及氣壓控制模塊等。本文集中精力研究基板運(yùn)動(dòng)速度、涂覆壓力、涂覆噴頭至基板距離對(duì)單道沉積層表面形貌的影響,其他因素固定在一定水平上。

實(shí)驗(yàn)流程:將處理好的錫鉛合金Sn63Pb37原料放入坩堝內(nèi),然后向密閉的坩堝內(nèi)通入氬氣同時(shí)對(duì)手套箱內(nèi)進(jìn)行氬氣置換,在氧含量降低到100 ppm(百萬(wàn)分之一)以下時(shí),設(shè)定坩堝的加熱溫度,通過(guò)感應(yīng)加熱裝置對(duì)低熔點(diǎn)合金原材料進(jìn)行加熱熔化,為了保證錫鉛合金的充分熔化,當(dāng)坩堝溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),保溫30 min后,開(kāi)始對(duì)噴頭進(jìn)行加熱,通過(guò)溫控儀控制加熱圈的功率使噴頭的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的溫度,待噴頭達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí),調(diào)節(jié)涂覆噴頭至基板距離,設(shè)置基板運(yùn)動(dòng)速度,施加驅(qū)動(dòng)氣壓,開(kāi)始單道的成形;基板運(yùn)動(dòng)速度大小在涂覆成形控制軟件中進(jìn)行設(shè)置;涂覆噴頭至基板距離的調(diào)節(jié)通過(guò)先將涂覆噴頭與基板輕微接觸,然后將z軸下降相應(yīng)的距離,即實(shí)現(xiàn)了涂覆噴頭至基板距離的調(diào)節(jié)(噴頭至基板距離的校正或標(biāo)定過(guò)程相對(duì)冗雜),如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中工藝參數(shù)范圍設(shè)為表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中工藝參數(shù)

工藝參數(shù)數(shù)值涂覆噴頭加熱溫度Ttf/℃260基板預(yù)熱溫度Tjb/℃60涂覆驅(qū)動(dòng)壓力p/kPa40~140基板運(yùn)動(dòng)速度v/(mm/s)7~20涂覆噴頭至基板距離s/mm08~24涂覆噴頭微流道孔徑d/mm03
單層單道樣件截面尺寸是金屬熔融涂覆可成形的最小工藝單元,其截面尺寸主要包括單道單層樣件的高度h和寬度w,如圖4所示。沉積層的高度影響于豎向薄壁件成形,控制著在垂直方向上的成形精度,對(duì)層厚、層與層之間結(jié)合有重要影響;沉積層寬度影響于單層多道搭接質(zhì)量,對(duì)樣件填充、成形效率有顯著影響。

本文采用回歸設(shè)計(jì)方法建立金屬涂覆工藝參數(shù)(涂覆壓力、基板運(yùn)動(dòng)速度、噴頭至基板距離)與單道沉積層截面尺寸的預(yù)測(cè)模型,并在所建立模型基礎(chǔ)上分析工藝參數(shù)對(duì)單道截面尺寸的影響規(guī)律。
金屬涂覆工藝參數(shù)與單道沉積層尺寸的回歸模型的輸入變量為基板運(yùn)動(dòng)速度、涂覆壓力、噴頭至基板距離,輸出變量設(shè)定為單道沉積層的高度和寬度。在經(jīng)驗(yàn)成形良好形貌區(qū)內(nèi)開(kāi)展單層單道涂覆實(shí)驗(yàn),其工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。
表2 工藝參數(shù)范圍

工藝參數(shù)涂覆壓力p/kPa基板速度v/(mm/s)噴頭至基板距離s/mm參數(shù)范圍72~1128~121~16
p個(gè)實(shí)驗(yàn)變量共進(jìn)行n次試驗(yàn)的二次回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)點(diǎn)由3個(gè)類(lèi)型組合而成,總的試驗(yàn)次數(shù)n可以表示為:
n=mc+mr+m0=mc+2p+m0
(1)
其中:mc為零水平的因子試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù);p為模型的輸入變量個(gè)數(shù);r為星號(hào)臂;m0為各變量都取零水平的中心點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)。
為使得回歸方程具有旋轉(zhuǎn)性,星號(hào)臂r的值可以通過(guò)試驗(yàn)次數(shù)mc來(lái)確定:
(2)
試驗(yàn)設(shè)計(jì)中考慮的因素有:掃描速度、涂覆壓力及噴頭至基板距離3個(gè)因素,p取值為3。試驗(yàn)采用全實(shí)施試驗(yàn),通過(guò)文獻(xiàn)[16]查表可知:mc=8,mr=6,m0=6,r=1.682,n=20,可對(duì)上述工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行水平編碼見(jiàn)表3。
表3 3個(gè)因素各編碼水平下所對(duì)應(yīng)值

工藝參數(shù)水平-168-101+1682p/kPa728092104112v/(mm/s)8881011212s/mm11121314816
回歸模型的輸出變量為沉積層的寬度w和高度h。實(shí)驗(yàn)在其他的實(shí)驗(yàn)因素一定的情況下,根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行單道沉積層的成形實(shí)驗(yàn),每個(gè)單道成形長(zhǎng)度120 mm,成形軌跡為蛇字形成形,在每個(gè)參數(shù)下成形3個(gè)單道。由于沉積層的首段和末段液流的啟停并不能快速響應(yīng),會(huì)產(chǎn)生少量液流積聚現(xiàn)象,所以在測(cè)量沉積層的寬度w和高度h時(shí)應(yīng)選擇中間部分每隔1 cm選取1個(gè)測(cè)量點(diǎn)采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行反復(fù)測(cè)量,總共選取9個(gè)測(cè)量點(diǎn)并計(jì)算其平均值,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)調(diào)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
應(yīng)用Design-Exper 8.0.6計(jì)算統(tǒng)計(jì)軟件,對(duì)應(yīng)于進(jìn)行的二次通用回歸實(shí)驗(yàn)作相應(yīng)的設(shè)置,選擇二次多項(xiàng)式進(jìn)行回歸方程的計(jì)算,得到回歸方程的完整的二次多項(xiàng)式,即單道沉積層寬度w和高度h的二次表達(dá)式分別為

表4 單層單道涂霞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)編號(hào)規(guī)范變量Zj涂覆工藝參數(shù)寬度高度Z1Z2Z3p/kPav/(mm/s)s/mmw/mmh/mm1-1-1-1808811236812621-1-1104881124101383-11-180112112296121411-11041121123551295-1-11808814827617061-11104881483541767-11180112148238156811110411214828116591682007210013029813410168200112100130360159110168209280130372162120168209212013029613013001682921001003781211400168292100160258181150009210013036213816000921001303501361700092100130352142180009210013035614119000921001303411452000092100130342142
w=3.51+0.24Z1-0.27Z2-0.35Z3-0.022Z12+0.025Z13+
0.020Z23-0.082Z11-0.065Z22-0.12Z33
(3)
h=1.41+0.056Z1-0.068Z2+0.18Z3-0.00239Z12-
0.014Z23+0.019Z11+0.018Z22+0.035Z33-0.006194Z13
(4)
在建立輸出變量關(guān)于輸入變量回歸模型后,為了驗(yàn)證回歸模型是否科學(xué)、可信,需要對(duì)回歸方程應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論進(jìn)行合理的檢驗(yàn)。對(duì)回歸方程的檢驗(yàn)通常有回歸方程顯著性檢驗(yàn)、回歸方程擬合度檢驗(yàn)及回歸系數(shù)顯著性校驗(yàn)。
2.4.1 回歸方程顯著性校驗(yàn)
通過(guò)回歸方程顯著性檢驗(yàn)驗(yàn)證涂覆工藝的工藝參數(shù)是否能很好解釋所成形單道沉積層的尺寸信息。采用F值檢驗(yàn)方法對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn):
(5)
式中:U為回歸平方和;fu為回歸平方和自由度;Qe2為殘差平方和;fe2為殘差平方和自由度
根據(jù)上述回歸方程校驗(yàn)公式,代入數(shù)值分別檢驗(yàn)沉積層寬度和高度的二次回歸方程里著性。沉積層寬度回歸方程的顯著性檢驗(yàn):
(6)
檢驗(yàn)結(jié)果表明沉積層寬度回歸方程是高度顯著的,通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件計(jì)算出的R2=0.9707,涂覆過(guò)程的工藝參數(shù)能夠很好地解釋沉積層的寬度總變化的97.07%,說(shuō)明沉積層寬度回歸方程的擬合效果較好。
沉積層高度回歸方程顯著性檢驗(yàn):

(7)
由統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)可知,沉積層高度回歸方程是高度顯著的,計(jì)算出R2 =0.9730,涂覆過(guò)程的工藝參數(shù)能夠很好地解釋沉積層的高度總變化的97.30%,說(shuō)明沉積層高度回歸方程的擬合效果較好。
2.4.2 回歸方程擬合度檢驗(yàn)
通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣件截面尺寸數(shù)據(jù)信息所建立的回歸方程滿(mǎn)足回歸方程顯著性校驗(yàn),說(shuō)明模型方程在試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)上與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好,但是為了檢驗(yàn)回歸方程在整個(gè)研究范圍內(nèi)的擬合情況,進(jìn)行回歸方程的失擬性檢驗(yàn)[16]。
(8)
式中:Q4為回歸平方和;Qe為殘差平方和;fLf為回歸平方和自由度;fe為殘差平方和自由度。
根據(jù)上述公式,代入數(shù)值分別檢驗(yàn)單道沉積層寬度和高度的二次回歸方程失擬性。沉積層寬度失擬性檢驗(yàn):

(9)
校驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,單層單道涂覆樣件寬度回歸模型方程的失擬性不顯著,說(shuō)明回歸模型擬合很好。
沉積層高度失擬性檢驗(yàn):

(10)
檢驗(yàn)結(jié)果表明,高度回歸方程的失擬性不顯著,回歸模型與實(shí)際情況擬合得很好。
2.4.3 回歸方程系數(shù)顯著性校驗(yàn)
在滿(mǎn)足回歸方程顯著性校驗(yàn)和回歸方程擬合度校驗(yàn)的情況下,需要對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性校驗(yàn),從而得到單層單道涂覆成形過(guò)程工藝參數(shù)中交叉項(xiàng)和二次項(xiàng)對(duì)截面寬度和高度的影響程度,剔除那些不顯著的回歸方程系數(shù),得到的回歸方程更加簡(jiǎn)潔。
Design-Expert 8.0.6軟件中可以直接計(jì)算回歸方程系數(shù)統(tǒng)計(jì)量F值和顯著性p值,通過(guò)這兩個(gè)值進(jìn)行對(duì)應(yīng)回歸系數(shù)的顯著性校驗(yàn)。p值代表所建立模型方程中該項(xiàng)的影響程度, 通常情況下p值取值越小,模型方程中對(duì)應(yīng)項(xiàng)的影響權(quán)重越大,p值取0.05以下的時(shí)候,說(shuō)明因素極顯著,p值為0.05~0.1時(shí)說(shuō)明因素顯著,p值為0.1以上時(shí)說(shuō)明因素不顯著。在表5中,F(xiàn)值和p值均是從軟件中導(dǎo)出的,手動(dòng)將p值超過(guò)0.1的不顯著系數(shù)項(xiàng)剔除,簡(jiǎn)化冗余方程。對(duì)于沉積層的寬度,涂覆壓力p、基板移動(dòng)速度v以及噴頭至基板距離s的顯著性p值小于0.000 1,說(shuō)明3個(gè)變量對(duì)于沉積層寬度變化影響很大。對(duì)于沉積層高度,噴頭至基板距離s顯著性p值小于0.000 1,而涂覆壓力p、基板移動(dòng)速度v的顯著性p值分別為0.000 5,0.000 1,說(shuō)明噴頭距離s對(duì)于沉積層高度變化影響最大。
表5 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)F值

工藝參數(shù)規(guī)范變量寬度F值寬度p值高度F值高度p值pZ16818<00001259500005vZ28581<00001375400001sZ3148676<0000128187<00001pvZ12035056490007509329psZ130440523401906750vsZ230280608309003644p2Z118560015231301073v2Z225330043625901389s2Z3318720001510590008
根據(jù)表5,去掉回歸方程中不顯著項(xiàng)的系數(shù),得到優(yōu)化的沉積層層寬和層高的預(yù)測(cè)回歸方程為
h=1.43+0.057Z1-0.069Z2+
0.19Z3+0.035Z33
(11)
w=3.51+0.24Z1-0.27Z2-0.35Z3-
0.082Z11-0.065Z22-0.12Z33
(12)
上述得到回歸方程是在編碼空間表示的,將回歸方程的規(guī)范變量轉(zhuǎn)換為涂覆過(guò)程的3個(gè)工藝參數(shù):
w=-9.49481+0.12722p+0.69177v+7.94715s-
0.045797v2-3.81322s2-0.000582211p2
(13)
h=1.90901+0.0047439p-
0.056762v-1.56582s+1.00104s2
(14)
根據(jù)單層單道寬度和高度的回歸模型方程,預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比繪制曲線,圖6中對(duì)角線為測(cè)量值和預(yù)測(cè)值相等的直線,觀察發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值隨機(jī)緊密排布在直線臨近位置,說(shuō)明所建立回歸模型方程能夠較好的說(shuō)明涂覆單層單道成形截面尺寸與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。
分析單道沉積層截面尺寸的二次回歸預(yù)測(cè)模型,通過(guò)MATLAB在離線情況下,保持其中一個(gè)參數(shù)變化,其他工藝參數(shù)固定在編碼零水平,計(jì)算出不同工藝參數(shù)下成形涂覆單道的尺寸特征,揭示工藝參數(shù)對(duì)涂覆單道的影響規(guī)律。

噴頭至基板距離表征其垂直空間的相對(duì)位置,不同間距對(duì)成形單道沉積層影響巨大。涂覆壓力為92 KPa和基板運(yùn)動(dòng)速度為10 mm/s時(shí),計(jì)算得到單道沉積層尺寸關(guān)于噴頭至基板距離的變化曲線,其中距離分別為1 mm和1.6 mm截面形貌為圖7中編號(hào)為13和14的截面。從圖8可以看出當(dāng)距離逐漸增大時(shí),單道沉積層的高度逐漸升高,寬度逐漸減小。分析認(rèn)為在涂覆壓力和基板運(yùn)動(dòng)速度不變時(shí),由質(zhì)量守恒定律,隨著沉積層高度的增加必然導(dǎo)致沉積層寬度方向上的減少。在1 mm時(shí),當(dāng)噴頭距離基板較近時(shí),流出的熔融金屬熔體在噴頭和基板的綜合擠壓下,平整的鋪展在基板上,沉積層的截面形狀呈現(xiàn)橢圓扁平狀,如編號(hào)為13的截面所示。在1.6 mm時(shí),當(dāng)噴頭距離基板較遠(yuǎn)時(shí),受到噴頭和基板的綜合擠壓的作用較小,金屬液流在自身的表面張力以及重力的作用下,沉積層的截面形狀呈現(xiàn)圓弧狀,如編號(hào)為14的截面所示。因此噴頭至基板的距離很大程度上決定了沉積層的截面形狀。


噴頭至基板距離1.3 mm和成形速度為10 mm/s時(shí),得到單道沉積層尺寸關(guān)于涂覆壓力的變化曲線,如圖9所示??梢钥闯鲭S著涂覆壓力的變大,沉積層的高度和寬度也隨之增加,分析認(rèn)為由于基板運(yùn)動(dòng)速度一定,涂覆壓力越大單位時(shí)間從噴頭流出的熔融的金屬熔體量越多,那么沉積層的幾何尺寸必然會(huì)增加,由于熔體自身重力及噴頭至基板距離對(duì)成形高度方向上的約束影響,沉積層高度的增加速率較小。

基板運(yùn)動(dòng)速度決定成形過(guò)程中單位長(zhǎng)度沉積層堆積金屬熔體的量。在噴頭至基板距離1.3 mm和涂覆壓力92 kPa下,基板運(yùn)動(dòng)速度對(duì)單層單道沉積層尺寸的曲線,如圖10所示。

由圖10可以看出隨著基板運(yùn)動(dòng)速度的逐漸增加,沉積層寬度和高度在不斷減小。分析認(rèn)為不同成形速度時(shí)涂覆相同尺寸所用時(shí)間不同,基板速度越高所用的成形時(shí)間越短,由于在涂覆壓力一定時(shí),成形沉積層的時(shí)間越短流出的金屬熔體越少,沉積層的幾何尺寸也會(huì)相應(yīng)減小。
本文在已搭建金屬熔融涂覆平臺(tái)上開(kāi)展單層單道實(shí)驗(yàn),通過(guò)回歸設(shè)計(jì)建立工藝參數(shù)-形貌特征模型,為后期深入研究金屬熔融涂覆成形形貌精細(xì)化預(yù)測(cè)提供一定研究基礎(chǔ),為繼續(xù)探索工藝參數(shù)優(yōu)化及成形形貌
主動(dòng)控制擴(kuò)展提供一定技術(shù)儲(chǔ)備。本文對(duì)成形過(guò)程參數(shù)和成形形貌進(jìn)行分析,工作主要結(jié)果可概括如下:
(1)采用回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法,依托Design-Expert 8.0.6軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),建立單層單道工藝參數(shù)-形貌特征模型。
(2)分析所建立模型,定量化研究金屬熔融涂覆工藝參數(shù)對(duì)形貌尺寸的研究規(guī)律,得到不同工藝參數(shù)的影響作用曲線。
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