基于尺寸預測的激光立體成形30CrNi2MoVA工藝參數研究

張震， 王敏， 范華獻， 劉廣志

(中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000)

0 引言

激光立體成形(LSF)技術是一種以激光為能量源的送粉式增材制造技術，能夠兼顧零件的快速、自由、高性能成形[1]。因此，LSF技術有望成為兵器工業新型、復雜零件制造的新途徑，并為提升裝備結構設計效能，縮短新裝備研發周期，實現結構功能一體化優化設計創造有利條件。

30CrNi2MoVA鋼是一種中碳低合金結構鋼，因其淬透性好、沖擊韌性高的特點而被大量應用于兵器裝備制造業耐沖擊零件的制造中[2]。伴隨著新型裝備的研制需求，對于零件的結構功能一體化設計要求越來越高，也對設備、工藝、工裝等提出了更高的要求，傳統工藝越來越難以滿足新型零件的制造要求，利用LSF直接制造30CrNi2MoVA鋼零件便有了巨大的應用前景。

在LSF過程中，最大的問題在于如何使成形零件的幾何尺寸與力學性能達到預期設計要求，而成形過程所選用的工藝參數決定了最終的零件成形效果，要實現金屬零件的高質量成形需要結合實時監測與閉環控制系統，以實現加工過程中的工藝調整[3-5]。而厘清工藝參數與熔覆層宏觀尺寸之間的定量關系正是實現工藝條件閉環控制的基礎。

影響LSF加工過程的主要工藝參數有：激光功率、掃描速率、送粉率、光斑直徑等。而表征熔覆層宏觀尺寸的參數主要是熔覆寬度、熔覆高度等[5-8]。為能夠在較短時間內利用較少的實驗建立一個較全面且具有較高預測精度的定量關系模型以解決工藝參數優化問題，本文采用了正交實驗設計，并利用統計產品與服務解決方案(SPSS)軟件和數值分析MATLAB軟件對實驗結果進行了分析。本文結論為今后采用LSF技術制造30CrNi2MoVA鋼零件的工藝選擇與工藝過程控制實現提供了實驗依據與理論參考。

1 實驗設備、材料與方案

1.1 實驗設備與材料

本文實驗在自制的送粉式LSF設備上進行，該設備采用機器人作為運動機構、配以同軸送粉噴嘴及高精度智能送粉器。激光器采用通快TruDisk4006碟片式光纖激光器，光纖直徑600 μm.

實驗所用粉末材料為氣霧化法制備的30CrNi2MoVA鋼粉末，粉末主要成分如表1所示。粉末粒度范圍在100～200目，如圖1所示。基材采用45號鋼，尺寸為300 mm×200 mm×10 mm，實驗前用細砂紙打磨基材表面并用丙酮清洗干凈。實驗中采用氬氣作為保護氣體，氣體流量6～8 L/min，實驗后測量試樣尺寸。

表1 30CrNi2MoVA鋼化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of 30CrNi2MoVA (mass fraction) %

圖1 30CrNi2MoVA鋼粉末形貌(放大100倍)Fig.1 Morphology of 30CrNi2MoVA powders (100×)

1.2 實驗方案

根據正交實驗特點，依據前期實驗經驗，選擇適當激光功率P、掃描速率v、送粉率F及光斑直徑D作為輸入量，以熔覆層寬度W、熔覆層首層高度Hf和單層平均高度Ha作為輸出量，設計4因素5水平實驗,參數如表2所示。實驗均采用單道成形，按照設定的實驗參數沿光斑運動方向熔覆一層，之后沿垂直光斑運動方向移動，同一參數熔覆5層，各道之間間隔10 mm.

2 實驗結果與討論

2.1 回歸分析與預測模型建立

根據測量結果，在顯著性概率為95%的前提下采用SPSS統計軟件建立了激光功率、掃描速率、送粉率和光斑直徑4個工藝參數對熔覆寬度和熔覆高度之間的函數關系。利用曲線估計方法對各類模型擬合效果進行估計，發現指數型模型效果較好，而該模型由Oliveira等[9]最先用于熔池寬度預測，因此采用指數型模型作為分析模型。基于指數模型建立如下回歸方程：

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

注:送粉率1 r/min≈10 g/min.

E(y)=K(PαvβFγDδ)+c，

(1)

式中：E(y)為回歸模型輸出值；K、α、β、γ、δ為回歸系數；c為回歸常數。

結合正交實驗測量結果數據和(1)式，借助SPSS統計軟件進行回歸分析得到各回歸系數，建立預測模型如下：

W=0.053×(P0.463v-0.4F0.182D0.825)+0.565，

(2)

Hf=2.126×(P0.127v-1.085F0.887D0.11)-0.033，

(3)

Ha=2.224×(P0.018v-0.924F1.139D0.196)+0.061.

(4)

根據回歸分析結果，熔覆寬度預測模型方程如(2)式所示，其擬合優度判定系數為0.841，綜合各參數對應回歸系數可知，激光功率、掃描速率和光斑直徑對熔覆寬度的影響最為顯著(光斑直徑>激光功率>掃描速率)，隨著激光功率、光斑直徑的增加，掃描速率減小，熔覆寬度增加；從回歸系數F0.182≈1可以看出，送粉率對熔覆寬度的影響幾乎可以忽略不計。

單道首層熔覆層高度預測模型(3)式的擬合優度判定系數為0.94. 針對熔覆層高度，掃描速率和送粉率的影響顯著性最高(送粉率>掃描速率)，而激光功率與光斑直徑基本不影響熔覆層高度，且隨著送粉率增加，掃描速率減小，熔覆層高度增加；單道5層平均單層高度模型(4)式具有同(3)式類似的影響規律，其擬合優度判定系數達到0.956.

忽略熔池對流、氣流對熔池沖擊等影響因素，假設熔覆層的輪廓為拋物線，且材料熱物理性質不隨溫度改變，由質量守衡和能量守衡能夠得到如下平衡關系：

(5)

(6)

式中：k為粉末有效利用系數；t為激光作用時間；ρ為材料密度；αP為激光吸收率；η為遮光率；β為基材吸熱利用率；ΔT為溫度變化；ΔHm為基材熔化潛熱。由(5)式、(6)式可以看出，掃描速率與熔覆層寬度、高度呈反比，送粉率與熔覆層高度呈正比，激光功率與熔覆層寬度呈正比。此規律與預測模型得到的規律相同。

分析其產生原因：激光功率增大，激光束的能量密度增大導致粉末束邊緣處的熔化量增加，從而增加熔覆層寬度；掃描速率增大，單位時間內的激光輻照能量減少，熔覆層寬度和高度均減小；送粉率增大，單位時間內熔化的粉末量增加，熔覆層高度增加；光斑直徑增大，激光輻照區增大，熔覆層寬度增加。

圖2 宏觀尺寸的實際測量結果與模型預測結果對比Fig.2 Comparison of measured and predicted results of macro-sizes

根據上述各模型擬合優度判定系數，并對比實際測量結果與預測結果，如圖2所示，初步表明本文所建立的預測模型能夠較好地吻合不同工藝參數條件下熔覆層的宏觀尺寸。另外，對比圖2(b)、圖2(c)所示的熔覆高度可以發現，當熔覆5層后，熔覆層的平均高度會明顯低于首層熔覆高度，這是由于隨著熔覆層數的增加，已成形部分的熱累積增加導致熔覆高度會有一定程度的降低，而根據文獻[10]描述，通常認為5層以后熔池溫度趨于穩定，因此在今后的工藝參數選擇中應綜合考慮熔覆層的首層高度值與平均高度值。

2.2 預測模型驗證

為進一步驗證工藝參數對熔覆層尺寸的影響顯著性及它們之間的定量關系，同時驗證利用回歸分析結果預測熔覆層宏觀尺寸方面的有效性，本文采用單因素變量法，分別針對激光功率、掃描速率和送粉率3個主要因素設置3水平單道成形實驗，實驗參數設置如表3所示，所得實驗結果以圖3形式展示。

表3 驗證實驗參數設置Tab.3 Parameter setting for verification experiment

圖3 不同工藝參數下的熔覆層尺寸Fig.3 Deposed layer sizes under different process parameters

表4是對實驗結果的分析。通過觀察熔覆層尺寸隨某一參數的變化而變化的幅度來判斷該工藝參數對相應熔覆層尺寸的影響顯著性。實驗結果顯示各參數對熔覆層形貌的影響顯著性與所建立的模型預測結果吻合性較高，驗證了回歸分析結果的有效性。

將所獲得的熔覆層幾何尺寸信息與利用指數回歸模型定量關系(2)式、(3)式和(4)式計算的熔覆層幾何尺寸信息進行比較。圖4展示了功率變化時熔覆層宏觀尺寸計算值與實測值之間的差距。由圖4可知，計算所得熔覆層尺寸參數基本落在實際熔覆尺寸的10%誤差內(圖中虛線為±10%誤差線標示)。在考慮測量方法和數值讀取帶來的誤差基礎上，達到此預測精確度已能說明該預測模型的準確性較好。

實驗過程中利用同軸電荷耦合元件(CCD)相機實時觀測并記錄了各參數在成形過程中對應的熔池形貌，主要表現了熔池的寬度特征。表5所示為驗證實驗9組參數下成形單道單層試樣中間位置的熔池圖像，從圖像中也可以看出，熔池寬度的變化規律同模型預測結果相同。盡管由于等離子體發光的影響，相機采集的熔池寬度與熔覆層寬度并不能定量的對應，但熔覆層寬度的變化規律能夠反映到熔池寬度上，CCD相機所采集的圖片經特定算法處理后能夠作為輸入量用于今后的反饋控制系統中。

2.3 工藝參數范圍確定

在設備允許的范圍內，工藝參數的選擇范圍很大，且各參數值之間還可以相互組合，但通過正交實驗可以發現，并不是每一種參數組合得到的成形效果都比較好，需要通過篩選確定一個工藝參數選擇范圍。在這4個關鍵工藝參數中，光斑直徑雖然對熔覆層尺寸的影響顯著，但通常選定某一直徑后不會通過改變光斑直徑來調節熔覆層尺寸，因此主要需要確定的是激光功率、掃描速率和送粉率的工藝參數范圍，故給定光斑直徑3.5 mm，利用前文求得的(2)式和(3)式得到如圖5所示結果。

表4 實驗結果分析Tab.4 Analysis of the experimental results

注:“-”號僅代表相關性。

圖4 預測模型定量關系驗證Fig.4 Validation of quantitative relation of prediction model

表5 驗證實驗熔池圖像

Tab.5 Images of verification experimental molten bath

光斑直徑一定時若熔覆層寬度過小會導致粉末利用率低，甚至導致融合不良的產生，熔覆層質量較差，而熔覆層寬度過大則會使得熔覆層出現厚度不均勻現象。在3.5 mm光斑條件下，熔覆層寬度應處在3～4 mm之間，結合圖5(a)可知激光功率應在1 300～3 000 W之間。基于尺寸預測，將熔覆層寬高比作為判斷指標，根據相關研究[11-12]可知，僅考慮成形尺寸因素的情況下，假設熔覆層橫截面輪廓為拋物線，當寬高比在4～6的范圍內時，熔覆層具有潤濕性良好的接觸角，能保證多道多層成形時的良好搭接，得到較好的成形效果。同時，根據實驗驗證，LSF形成的30CrNi2MoVA鋼在寬高比3.5～4.5范圍內成形效果最好，結合熔覆層寬度范圍可知，單層熔覆層高度應在0.7～1.2 mm范圍內選擇，因此送粉率應在0.7～2.5 r/min之間，掃描速率應處于5～12 mm/s之間。

綜上所述，在3.5 mm光斑下滿足寬高比3.5～4.5約束的工藝參數區間位于圖5所示虛線框選區域中，并可根據實際制造時對效率和表面精度的需求選擇合適的參數組合。當光斑直徑發生改變時，可通過預測模型用相同方法提前找尋合適工藝參數范圍，圖6所示為4 mm光斑直徑時，利用預測模型以寬高比4為約束設定工藝參數成形得到的試樣。

圖5 工藝參數范圍Fig.5 Value range of process parameters

圖6 成形試樣展示Fig.6 Formed sample

3 結論

1) 獲得了工藝參數對30CrNi2MoVA鋼熔覆層寬度和熔覆層高度的影響顯著性規律：激光功率、掃描速率和光斑直徑顯著影響熔覆層寬度，而掃描速率和送粉率顯著影響熔覆層高度。

2) 通過回歸分析，利用指數回歸模型建立了關于熔覆層寬度和熔覆層高度的預測模型：W=0.053×(P0.463v-0.4F0.182D0.825)+0.565，Hf=2.126×(P0.127v-1.085F0.887D0.11)-0.033，Ha=2.224×(P0.018v-0.924F1.139D0.196)+0.061. 對比單因素變化實驗測量結果與CCD相機實時監測圖像信息，驗證了預測模型的有效性。

3) 以寬高比為約束條件，通過預測模型所得成形尺寸計算值確定了3.5 mm光斑直徑下LSF形成的30CrNi2MoVA鋼工藝參數窗口：激光功率在1 300～3 000 W之間，送粉率在0.7～2.5 r/min之間，掃描速率在5～12 mm/s之間。為獲得較高可信度的工藝參數區間提供了方法。