電弧填絲增材制造的寬度尺寸建模及分析

尹凡，王克鴻，馮曰海，羅添元

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 序言

近年來，在低成本、快速成型的制造業大背景下，基于“加法”加工模式的電弧增材制造技術越來越得到重視，具有廣泛的應用前景。電弧增材制造技術(wire and arc additive manufacture)是采用逐層堆焊的方法來實現致密金屬構件的精密制造，因其以電弧為熱源，相較于激光或電子束，具有熱輸入高、成行速度快的特點，特別適用于大、中型構件快速高效凈成型，并且由于產品制造過程與結構復雜性無關，因此可用于制造傳統工藝無法加工的復雜零件[1-2]。特別在航空制造領域，關鍵部件的生產往往采用切、削、銑的傳統“減法”加工方式，存在資源利用率低、投入產出比高的缺點，而采用電弧增材制造技術，可有效解決這些問題[3-4]。

現階段電弧增材制造的研究難點主要集中在尺寸精度的控制方面。柏久陽[5]等研究了鋁合金熔化極電弧增材制造，以電流、焊速、送絲速度及層間溫度為參數，采用二次回歸模型，有效擬合了焊道寬度并分析了各參數對焊道寬度的影響。溫斌和[6]等研究了碳鋼填絲增材制造，基于二次回歸通用旋轉組合試驗方法，建立了等離子弧絲材增材制造堆覆層高度關于堆覆電流、堆覆速度、層間等待時間的多元函數模型。

本文以等離子弧為熱源，ER308L不銹鋼焊絲為填充材料，以焊接電流、堆覆速度及送絲速度為參數，設定層間等待時間80 s，基于二次回歸旋轉組合實驗，建立直壁體堆覆層層寬的數學模型，并分析各參數對層寬的影響。

1 試驗設備

試驗采用等離子弧焊接系統，如圖1所示，主要包括YR-MH A0006弧焊機器人、MagicWave 3000型焊機、Thermalcut PMW300等離子焊槍以及自行研制的等離子電弧控制器。此外還包括二軸協同變位機和送絲系統。試驗用焊絲為ER308L不銹鋼，直徑1.0 mm，基板采用304不銹鋼板材，板厚6～10 mm。

圖1 機器人電弧增材制造系統

2 熔敷層寬度尺寸與工藝參數建模

2.1 參數設定

等離子弧填絲增材制造工藝參數較多，主要有鎢極直徑、保護氣流量、離子氣流量、等待時間、送絲速度、堆覆速度及電流等，堆覆尺寸的大小主要由熔池形態決定，而熔池的形態主要由溫度和金屬填充量決定，在規定了焊絲直徑的情況下，熔池的形態主要由堆覆電流、送絲速度和堆覆速度決定。為確保試驗精確度，選取堆覆電流、堆覆速度和送絲速度為變量，其余參數設為固定值。預設參數見表1。

表1 預設參數

堆覆電流、堆覆速度和送絲速度的參數范圍由單層單道和少量多層單道焊試驗確定。經過試驗，發現當堆覆電流在110A～116A、堆覆速度在20cm·min-1～40cm·min-1以及送絲速度在0.8m·min-1～1.4m·min-1之間時，等離子弧增材制造成形外觀較好。為確定堆覆電流、堆覆速度和送絲速度的具體參數點，將依據二次回歸正交旋轉試驗的方法來選定。由文獻[7]可知，P個變量的二次回歸旋轉實驗，均由3類點組成：1) 兩水平(-1,1)的全小因小試驗點Mc個；2) 分布在P個軸上距離中心點r的星號點，共2P個；3) 各變量都取零的中心試驗點，共M0個。當P=3，時，取Mc=2P=8，r=1.682，M0=6，故可獲得試驗總次數n：

n=Mc+2P+M0=20

(1)

在對因子進行二次回歸分析時，一般要對各因子進行數據編碼。由文獻[7]提供的數據編碼方式，得到三因子水平編碼表，如表2所示。

表2 因子水平編碼表

2.2 試驗方案及結果

試驗用等離子弧焊方法堆覆直壁體的方式獲得寬度。因基板未曾預熱，電流太大或太小都會影響第一層的成形。為了保證第一層成形良好，將第一層電流調到定值，取130A，其余參數按照已設定的值選取即可。對于同一組參數，熔敷體積是一定，即熔敷寬度與厚度成反比，研究工藝參數對尺寸的影響，只需研究寬度尺寸即可，寬度的選取方法為取5個不同位置的寬度后取其平均值。參數與寬度對應結果如表3、圖2所示。

表3 試驗方案與結果

圖2 多層單道直壁體

3 堆覆層寬度建模及分析

3.1 寬度建模

回歸試驗可獲得多個因子與結果之間的函數關系，P個因子的二次回歸方程的一般形式為：

(2)

其中，b0，bj，bkj均為待定系數。本試驗采用MATLAB對試驗結果進行建模[8]，得到堆覆層寬度W與堆覆電流X1、堆覆速度X2與送絲速度X3的二次回歸模型為：

W=4.145 8+0.324 8X1-0.351 9X2+0.082 2X3-

0.242 5X1X2+0.047 5X1X3-0.017 5X2X3+

(3)

對式(3)進行顯著性判斷，得到F=8.092 4>F0.95(9 10)，判定系數(R-Square)0.879 3，該方程式是顯著的。

將堆覆電流、堆覆速度和送絲速度的水平編碼值代入方程，得到擬合的堆覆層寬度，與實際堆覆層寬度差異如圖3所示。其最大誤差12%，平均誤差為0.3%。對應表3可知，當堆覆電流過大或過小以及送絲過快或過慢時，誤差比較大，其原因在于在此條件下進行增材制造成型較差，測量獲得的數據波動大，誤差也較大，對試驗結果有一些影響。

為驗證該方程的準確性，選取特定電流值、堆覆速度及送絲速度進行增材制造試驗，測量得到實際層寬，并將各參數轉化為編碼值代入公式得到層寬估計值，試驗結果如表4。由這部分參數獲得的實際堆覆層寬度與預測值對比可知，相對誤差在8%以內，估計值與實際值十分接近，說明該方程是可以對堆覆層寬度進行預測的。

圖3 堆覆層寬度實際測量值與擬合值對比

表4 部分試驗參數下堆覆層寬度

3.2 堆覆層寬度尺寸影響因素分析

式(3)是利用二次回歸得到的擬合模型，反應了堆覆電流、堆覆速度以及送絲速度對堆覆層寬度尺寸的共同影響。為了獲得各因素對層寬大小影響方程，要將3個因素的水平編碼值置0，獲得如下方程：

(4)

(5)

(6)

其中，W1、W2和W3分別表示堆覆電流、堆覆速度以及送絲速度單一因素下堆覆層的層寬。各個參數對堆覆層寬度尺寸的影響如圖4所示。

對圖4進行分析， 由電流—堆覆層寬度曲線可知，堆覆層寬度與堆覆電流成正相關。當電流編碼值在-1.682～-0.5(110A～120.5A)之間時，隨著電流增大，層寬變化較為平緩；當電流編碼值在-0.5～1.682(120.5A～140A)之間時，隨著電流增大，層寬變化明顯，且隨著電流加大，曲線斜率變大，電流對層寬的影響變大。堆覆電流主要對電弧的能量有巨大影響，電流增大，電弧能量變大，與周圍環境的能量交換增加，其次用于熔化上一層的能量提高，熔池變大，最終導致層寬增加。

圖4 單個參數對層寬的影響

由堆覆速度—堆覆層寬度曲線可以看出，堆覆速度對堆覆層寬度尺寸的影響變化很大，當堆覆速度編碼值在-1.682～0.4(20 cm·min-1～32 cm·min-1)之間時，堆覆層寬度與堆覆速度成負相關，堆覆層寬度尺寸隨著送絲速度增大而減小；當堆覆速度編碼值在0.4～1.682(32 cm·min-1～40 cm·min-1)之間時，堆覆層寬度與堆覆速度成正相關，堆覆層寬度隨著送絲速度增大而增大。堆覆速度對線能量和熔敷量都有影響，當堆覆速度較小時，隨著堆覆速度增大， 單位長度上堆覆的量變少，且電弧能量減少，故堆覆層寬度變窄，層高增加；當堆覆速度較大時，隨著堆覆層增加，噴嘴距離堆覆表面越來越遠，弧壓增大，弧柱在堆覆表面直徑增大，熔池直徑變大，促進金屬鋪展，層高降低，導致噴嘴距離堆覆表面更遠，在圖4中表現為在0.4～1.682之間，曲線斜率增大。

送絲速度對層寬尺寸的影響不明顯，從圖4中可以看出，送絲速度較小時，隨著送絲速度增大熔敷層寬度尺寸緩慢下降；當送絲速度編碼值在0～1.682(1.1m/min-1～1.4 m/min-1)，隨著送絲速度增大，堆覆層寬度增大，但幅度較小。送絲速度與熔敷量相關送絲速度較小時，隨著送絲速度增加，熔敷量增加，層高增大，噴嘴距離堆覆表面靠近，弧壓下降，熱量減少，導致熔池變小，層寬變窄；送絲速度較大時，噴嘴距離堆覆表面更近，保護氣氣壓大，吹開熔池，使層寬增大。

由圖4可知送絲速度對堆覆層寬度尺寸影響較小，在考慮多個參數對堆覆層寬度影響時可先忽略送絲速度的影響，著重考慮堆覆電流與堆覆速度對寬度的影響。將式(3)中送絲速度置于零水平下，得到堆覆層寬度關于堆覆電流與堆覆速度的方程：

W12=4.145 8+0.324 8X1-0.351 9X2

(7)

其中，W12表示送絲速度置零條件下在堆覆電流、堆覆速度作用下堆覆層寬度。將式(7)用三維圖表示出來，如圖5所示。

圖5 堆覆電流與堆覆速度相互作用對堆覆層寬度的影響

由圖5可知，當電流編碼值在1～1.682(134 A～140 A)之間、堆覆速度編碼值在-1.682～-1(20 cm·min-1～24 cm·min-1)之間時，堆覆層寬度尺寸變化最為明顯；當電流編碼值在-1.682～-1(110 A～116 A)之間、堆覆速度編碼值在1～1.682(36 cm·min-1～40 cm·min-1)之間時，堆覆層寬度尺寸變化較為明顯；當電流編碼值在1～1.682(134 A～140 A)之間、堆覆速度編碼值在1～1.682(36 cm·min-1～40 cm·min-1)之間或當電流編碼值在-1.682～-1(110 A～116 A)之間、堆覆速度編碼值在-1.682～-1(20 cm·min-1～24 cm·min-1)之間時，堆覆層寬度尺寸有變化，但變化不是很明顯；當電流、堆覆速度處于中間值時，堆覆層的變化最不明顯。

綜合考慮堆覆層各參數的影響，得到表5的參數匹配方案，當參數與處于表中范圍時，獲得較好的成形。如需要堆覆4 mm厚度的構件，取堆覆電流120 A，堆覆速度30 cm·min-1、送絲速度0.9 m·min-1，其余參數按預設參數設定，即可獲得該厚度尺寸的堆覆件，如圖6所示。

4 結語

1) 基于二次回歸旋轉組合試驗，擬合得到等離子弧填絲增材制造堆覆層寬度尺寸與堆覆電流、堆覆速度以及送絲速度的回歸方程，有效預測堆覆層寬度尺寸。

表5 工藝參數匹配方案

圖6 特定參數下增材件

2) 堆覆速度對堆覆層寬度尺寸的影響最大，其次為堆覆電流，送絲速度對堆覆層寬度尺寸變化的影響較小，具體影響為堆覆層寬度隨堆覆速度增大而先減小后增大，隨電流、送絲速度增大而緩慢增大。

3) 恒定送絲速度條件下，對堆覆層寬度尺寸的影響依次為：大電流低堆覆速度>小電流高堆覆速度>大電流高堆覆速度和小電流低堆覆速度>中等電流與中等堆覆速度。

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