激光熔覆錘擊系統控制電路的設計

張旭方，郭開波

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

中空激光熔覆是一個局部快速加熱和冷卻的過程，它引起的不均勻溫度場和應力場，使成形件內部產生較大的殘余應力，從而導致成形件發生開裂和翹曲，嚴重影響熔覆成形件的質量[1]。錘擊是熔覆過程中對熔覆層的處理，以消除或者減小熔覆層殘余應力的一種加工工藝。錘擊帶來的振動效果可以抑制熔覆層缺陷的產生，而且可以使熔池凝固的速度加快，結晶組織被錘碎，經過再結晶形成較細小的晶粒，組織的塑性韌性提高，力學性能得到了改善。所以操作方便的錘擊法可以節約大量的能源和資金，帶來巨大的經濟效益。因此，國內外學者進行了關于錘擊的一系列研究，SIMONEAU[2]等研究了錘擊法消除不銹鋼材料的焊接結構件的焊接殘余應力；SIDHOM[3]針對不銹鋼研究表明，錘擊處理可顯著提高焊接接頭的疲勞強度；王曉鵬[4]對激光模具修復錘擊消除應力方法研究，分析了在不同錘擊力和錘擊頻率下，對焊接中應力的影響，但在進行錘擊試驗時準確控制錘擊參數是個難題。為了提高系統參數的控制精度，實現錘擊設備的低成本、高質量、高效率的目的，本文采用AT89C52[5]單片機為核心，從基于單片機控制系統出發，設計了錘擊力和錘擊頻率的控制電路，完善了錘擊力和錘擊頻率的準確、獨立調節。

1 ANSYS模擬應力場的結果

為了研究熔覆層的應力分布情況，而熔覆層受到的主要拉應力是掃描路徑方向，設為y方向，所以本文只討論y方向上的應力。在熔覆層中心所得截面中選取節點A(x=0mm，z=0mm)、B(x=0mm，z=0.2mm)、C(x=0mm，z=0.4mm)、D(x=0mm，z=0.6mm)，是路徑D到A方向，如圖1所示。

圖1 應力測試的路徑

圖2是應力場的仿真云分布圖，圖2(a)是冷卻到40.4167s的等效應力Von Mises 的云分布圖，熔覆層的最大應力達到241MPa，這時應力的分布基本上達到穩定。圖2(b)中是x方向的應力云分布圖，激光束中心處的拉應力值最大，達到279MPa。圖2(c)是y方向上云分布圖，應力的最大值是190MPa，但出現最大應力的地方(即圖片中深色的區域)并不是很多，分布在27MPa～74MPa。z方向上應力大小如圖2(d)所示，分布在209MPa～252MPa之間，而且分布比較均勻。

圖2 應力場云分布圖

根據前面的基本熔覆工藝參數，分別采用0N(未進行錘擊處理)、400N、800N、1200N的力，在熔覆開始3s后單次錘擊作用在節點D上，冷卻到40.4167s后，對應的x方向和y方向的應力分布規律如圖3所示。

圖3 不同錘擊力下熔覆層的殘余應力分布

從圖3(a)可以看出，熔覆層中x方向上的殘余應力主要是壓應力，隨錘擊力的增大，從節點D到A在熔覆層的殘余應力逐漸增大，在熔覆層下0.2mm～0.3mm處殘余應力發生大的跳變。從圖3(b)可以看出，隨著錘擊力的增加，節點D到A各個位置都是呈現降低的趨勢，殘余應力不斷減小；在不同錘擊力的作用下，各個節點的殘余應力降低的趨勢是一致的，都是在熔覆層下0.3mm處應力達到最大值。產生這樣情況的原因是，在x方向上表現出來的壓應力，在y方向上表現出來的拉應力；在錘擊力的作用下，使熔覆層金屬質點沿徑向流動，產生兩維伸長，這種徑向延伸抵消了殘余拉伸應變，使y方向上的殘余應力降低了。

2 錘擊系統的總體設計

錘擊系統設計思路是通過控制電流大小來控制錘擊力的大小，改變電磁錘的通電時間來調節脈沖頻率，控制電路的電源來控制電磁裝置的啟動和停止。系統框圖如圖4所示，單片機AT89C52發出信號，經過PWM恒頻脈寬調制[6]電路，進行功率的調節，并且通過驅動器對信號進行放大，來控制電磁裝置的控制開關。

圖4 錘擊控制系統框圖

3 電路設計

3.1 控制電路電源的設計

控制系統的各個執行裝置采用不同的驅動電壓，所以在整個控制電路中要對220V的交流電源進行重新設計。提供適合執行裝置的穩壓電源，控制電路的電源設計如圖5所示，在220V交流電通過變壓器降壓和整流電路的處理，使其產生+16V和-16V的電壓，圖中a和b的接線點的電壓分別是+16V和-16V，用變壓器中心抽頭為地的±12V電源電路、7812正電壓三端穩壓集成塊和7912負電壓三端穩壓集成塊,再在±12V后接7805(正電壓三端穩壓集成塊)和7905(負電壓三端穩壓集成塊)就產生±5V的電源。

圖5 電源設計的電路圖

3.2 錘擊力的控制電路

通過調節電流大小，可實現對錘擊力控制。錘擊力的控制電路如圖6所示，單片機輸出合適的電流，通過DAC0832轉換器，送到比較器與采樣得到的電流大小進行比較，后經PWM進行調節得到穩定的電流值，以輸出的電流實現錘擊力大小的控制。該電路由單片機、模數轉換器DAC0832、運算放大器和電流的采樣電路組成。

圖6 錘擊力的控制電路圖

3.3 錘擊頻率的控制電路

頻率控制的準確度，直接影響著熔覆層錘擊實驗的結果，因此頻率的控制電路需要按要求的精度進行設計，如圖7所示，當電磁錘通電，單片機AT89C52輸出仿真頻率相當的觸發脈沖，通過調節輸出脈沖的頻率來實現頻率的控制。頻率的控制電路由功率驅動電路TLP250[7]、后接觸發器4013和與非門4081組成，該控制電路可以完成調節頻率，控制電路成為功率場效應管的驅動電路。

圖7 錘擊頻率的控制電路圖

3.4 步進電機的控制電路

錘擊系統中為了準確調節錘擊頭的位置，采用步進電機更改錘擊頭的位置。錘擊裝置的步進電機采用86BYG450A作為執行裝置，控制步進電機的驅動器采用MS-2H090M。步進電機的控制電路如圖8所示，單片機AT89C52的P2.5和P2.6引腳輸出信號連接在驅動器MS-2H090M的CP和DIR引腳，驅動器再和步進電機86BYG450A連接。DIR信號控制電機的正反轉，單片機發出的CP脈沖的個數，使步進電機完成定位。

圖8 步進電機驅動的控制電路圖

4 試驗結果與分析

根據上面設計的錘擊裝置，在中空激光熔覆時，對熔覆層進行錘擊試驗。為了解錘擊前后熔覆層拉應力(沿路徑D到A)的分布情況，對熔覆層采用X-350A型X射線衍射儀測定應力，測量時采用側傾固定ψ交互關法定峰,傾斜角ψ依次選擇0°、24.2°、35.3°、45°，掃描起始角為132°，結束時為125°，2θ掃描步距為0.1°，計數時間1.0s，準直管直徑2mm。采用1∶1 的高氯酸與甲醇混合溶液，對錘擊的熔覆層進行逐層剝離電解拋光，沿路徑上的應力如圖9所示。

圖9 應力圖

實驗測得熔覆層應力和仿真時的趨勢一致；從圖9(a)可知，當錘擊頻率一定時，隨著錘擊力的增加，熔覆層沿D到A路徑上應力降低的效果越明顯；從圖9(b)可知，當錘擊頻率一定時，隨著錘擊頻率的增加，熔覆層沿D到A路徑上應力消除越來越明顯。

沿著節點的路徑將熔覆層切開，通過鑲樣、磨樣和腐蝕處理，用德國某公司生產的光學顯微鏡LaicaDM4000M[8]觀察熔覆層的顯微組織。熔覆層放大1000倍的金相圖如圖10所示。

圖10 錘擊頻率4 Hz熔覆層金相組織圖

圖10(a)中的金相組織圖顯示的是沒有進行錘擊的熔覆層金相組織圖，圖10(b)-圖10(d)分別是頻率為4Hz時錘擊力為400N、800N、1200N時的金相組織圖，隨著錘擊力的增加，晶界被打破，晶粒進一步變小，組織的塑性韌性提高，其力學性能得到了改善。對比分析：可以看出錘擊使熔覆層組織改善的原因是：1) 錘擊使熔池凝固的速度加快，結晶組織被錘碎，經過再結晶形成較細小的晶粒；2) 熔池凝固的速度加快，析出強化相，產生固溶強化和沉淀強化，提高了接頭組織的致密度，減少了表面缺陷。

5 結語

1) 通過電流的大小來控制錘擊力的大小，通過與非門4081的2號引腳的頻率輸出來控制錘擊裝置的頻率；

2) 設計出來的錘擊系統，具有工作穩定，控制簡單，可以快速地進行啟動和停止，方便調節和控制，錘擊的頻率符合精度要求；

3) 在中空激光熔覆時，對熔覆層進行錘擊處理，試驗的結果表明，晶界被打破，晶粒進一步變小，組織的塑性、韌性提高，其力學性能得到了改善。