本文對激光-冷金屬轉(zhuǎn)移復(fù)合增材制造的ELE路徑策略進(jìn)行優(yōu)化。

圖形摘要

送絲增材制造在制造通常包含許多網(wǎng)格加筋板結(jié)構(gòu)的大型航空零部件方面具有很大的潛力。網(wǎng)格中交叉的累積往往會產(chǎn)生孔隙、裂縫和表面不均勻等問題。在之前的工作中，我們提出了一種解決這一問題的方法，即端側(cè)延伸(ELE)，即焊縫軌跡沿交叉截面延伸，并提供了適度的效益。本文繼續(xù)對ELE路徑策略進(jìn)行優(yōu)化。焊珠和交叉點(diǎn)通過激光和冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）混合增材制造進(jìn)行沉積。

首先，基于給定的理想CAD模型與模型掃描點(diǎn)云之間的體積偏差，提出了一種交叉口模型的表面質(zhì)量度量方法;該度量標(biāo)準(zhǔn)用于優(yōu)化一組參數(shù)，包括起始和結(jié)束停留時(shí)間、焊接電流、行走速度、平行路徑偏移距離、擴(kuò)展和平行路徑偏移距離以及交叉中擴(kuò)展路徑長度。實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)。建立了參數(shù)與響應(yīng)變量之間的二次模型，分析了參數(shù)對響應(yīng)的影響。然后進(jìn)行變量優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)置。在最佳設(shè)置下進(jìn)行的驗(yàn)證測試顯示，剖面質(zhì)量得到了顯著提高，這在工業(yè)實(shí)踐中是可以接受的。

1.介紹

增材制造是一種通過切割3D模型并逐層制造零件的過程。它具有低買飛比、短生產(chǎn)時(shí)間、低能耗、能制造復(fù)雜幾何形狀產(chǎn)品、產(chǎn)品開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

金屬增材制造已經(jīng)開發(fā)了多種技術(shù)，如基于液滴的3D打印、粉末床融合(PBF)和定向能沉積(DED)。基于液滴的3D打印技術(shù)，利用液滴沉積零件，具有快速制造微結(jié)構(gòu)的潛力。PBF使用激光或電子束熔化粉末，粉末被壓在封閉的腔室中，通常用于制造小而復(fù)雜的零件。能量源包括激光束(LB)、電子束(EB)和電弧等離子體。原料通常包括粉末和金屬絲。材料通常在惰性氣體(電弧系統(tǒng)或激光)和真空(EB系統(tǒng))下沉積。DED-LB使用激光形成熔池，并將金屬粉末/金屬絲送入熔池。該方法適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和零件的維修。

該工藝在真空環(huán)境下進(jìn)行，適用于制備性能優(yōu)良、沉積速率高的活性合金。線材電弧增材制造(WAAM)是以電弧為能源，以金屬絲為原料。WAAM在生產(chǎn)中、大型零件方面具有低成本、高沉積率和潛在的無限體積的優(yōu)勢。在屏蔽環(huán)境下，WAAM還可以制備反應(yīng)性合金，如Ti-6Al-4?V。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗秃蠹庸?，WAAM可以高效地生產(chǎn)高質(zhì)量的航天零部件。

增加物理逼真度，顯著改變傳熱，熔池深度和流動。紅色偽色對應(yīng)4000K上限的溫標(biāo)，藍(lán)色為293K。紅色的輪廓線是熔體線。激光(功率150 W)向右移動10 μs(速度1 m/s)，將粉末顆粒照亮。熔體軌跡是三維模擬的2D切片(激光功率為200 W，掃描速度為1.5 m/s)，展示了改進(jìn)的物理建模對熔體池的影響。

L-PBF是一個(gè)熱驅(qū)動過程，需要對其進(jìn)行精確建模。激光能量沉積在粉末射線的交點(diǎn)上。為了減少計(jì)算復(fù)雜度，光線在反射時(shí)不跟隨。直接激光沉積是對文獻(xiàn)中常用的體積能量沉積(能量作為固定z軸參考的函數(shù))的一種改進(jìn)。首先，在現(xiàn)實(shí)中，熱是在激光照射到粉末顆粒表面并向內(nèi)擴(kuò)散的地方產(chǎn)生的，而均勻沉積則均勻地加熱顆粒的內(nèi)部體積。其次，光線跟蹤表面，可以重現(xiàn)陰影。在圖a中，150W的高斯激光束最初以位于襯底上的27 μm粒子為中心，并以1 m/s的速度向右移動。對于體積能量沉積，粒子內(nèi)部各處同時(shí)發(fā)生熔化。與襯底的潤濕接觸迅速增加，人為地增加了散熱。另一方面，在真實(shí)的激光追蹤中，熔化是不均勻的，因?yàn)樗紫劝l(fā)生在粉末顆粒表面。與均勻激光沉積相比，粉末顆粒內(nèi)部積累了更多的熱量，因?yàn)樗ㄟ^狹窄的點(diǎn)接觸緩慢釋放到基片。如果沉積的熱量不足，則顆粒會部分熔化，并導(dǎo)致表面和孔隙缺陷。激光追蹤熱源有助于更好地耦合表面熱傳遞和熔體流體動機(jī)械背后的物理。

Al-Cu合金以其高強(qiáng)度重量比、高剛度和優(yōu)良的焊接性在航空航天工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。Bai等人使用鎢惰性氣體(TIG)增材制造生產(chǎn)了2219鋁薄壁和幾種組件。研究了采用CMT工藝生產(chǎn)低氣孔率、機(jī)械性能良好的2319鋁合金零件。與傳統(tǒng)的熔融惰性氣體(MIG)工藝相比，CMT工藝具有熱輸入少、飛濺少的特點(diǎn)。CMT有不同的版本，包括常規(guī)CMT、CMT- pulse (CMT- p)、CMT- advanced (CMT- adv)和CMT- padv (CMT-padv)。

由于CMT-P在建筑多層零件中具有較好的孔隙率、較高的剛度和較高的形狀質(zhì)量等性能，本文采用CMT-P作為主要成形工藝。最近，激光和電弧混合增材制造因其穩(wěn)定的電弧、高沉積速率和細(xì)小的晶粒尺寸而受到越來越多的關(guān)注。由于兩種熱源的協(xié)同作用，該方法降低了氣孔率，提高了機(jī)械性能，提高了薄壁件的型材質(zhì)量。采用CMT-P與激光焊接相結(jié)合的方法增材制造了2319件鋁合金零件。

圖中熔體流動的時(shí)間快照顯示飛濺和剝蝕。與正向流動（Vx>0；紅色）相比，由于Marangoni效應(yīng)和反沖，熔體具有較大的反向流動（藍(lán)色；Vx<0）。后向凈流在頸縮處的時(shí)間較晚。速度標(biāo)度上限為+-1 m/s，以便更好地顯示。右側(cè)面板270μs（流動旋轉(zhuǎn)+90°）的放大視圖顯示了凹陷處的速度分量（Vx、Vy、Vz）和溫度（帶等高線）。白色字母O表示激光中心不在凹陷底部。（有關(guān)此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的web版本。）

可以將熔體軌跡細(xì)分為三個(gè)可區(qū)分的區(qū)域:位于激光光斑的凹陷區(qū)、靠近激光光斑的熔體軌跡末端區(qū)域以及兩者之間的過渡區(qū)(見上圖在241 μs時(shí))。這種細(xì)分的選擇是基于在凹陷處后坐力的指數(shù)優(yōu)勢和在冷卻過渡和尾部區(qū)域表面張力的優(yōu)勢。

柵格結(jié)構(gòu)因其高剛度與重量比而廣泛應(yīng)用于火箭和飛機(jī)上。WAAM已成功制造出一些帶有網(wǎng)格加筋板的薄壁部件，如起落架肋、襟翼和翼梁。路徑規(guī)劃一直是制造這些交叉特征的關(guān)鍵步驟。Mehnen等人通過反向角度路徑策略解決了薄壁交叉口的峰值發(fā)育問題和沉積失效問題。Shi等人提出了一種歐拉路徑/電路路徑規(guī)劃算法，該算法生成一種連續(xù)成形路徑來制作多節(jié)點(diǎn)多軌跡數(shù)據(jù)。F. Michel開發(fā)了特征識別和模塊化解決方案，以創(chuàng)建用于生產(chǎn)復(fù)雜零件的刀具路徑。G. Venturini等人將交叉特征分為多種類型，并采用振蕩/并行組合擴(kuò)展路徑制備無缺陷的方形交叉。

由于缺乏足夠大的HIPing設(shè)備，像熱等靜壓(HIP)這樣的后處理固結(jié)技術(shù)，可以減少孔隙度和熔合不足，但很難應(yīng)用于大型部件。因此，無缺陷沉積對于建造要求高結(jié)構(gòu)完整性的初級結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。Ding等人的研究表明，在WAAM中，沉積質(zhì)量與所使用的刀具路徑策略有著根本性的聯(lián)系。因此，WAAM技術(shù)需要一種專門的軟件方法來生成優(yōu)化路徑，從而保證均勻沉積，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的商業(yè)解決方案。事實(shí)上，許多研究都集中在這個(gè)特定的主題上，可以從這兩個(gè)主要的方法中區(qū)分出來。

第一種方法是對幾何圖形進(jìn)行切片，并使用相同的路徑規(guī)劃策略為每個(gè)生成的層生成路徑。雖然該解決方案已成功應(yīng)用于其他AM工藝，如FDM，但它并不直接適用于WAAM，因?yàn)閃AAM具有電弧焊沉積固有的特定要求。實(shí)際上，正如Ding等人在他們的研究中所描述的，一些路徑特征，如不連續(xù)面、急劇轉(zhuǎn)彎和重疊，會導(dǎo)致不穩(wěn)定沉積，一層又一層，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。這些限制已經(jīng)被理解了很長一段時(shí)間，事實(shí)上，早期的研究已經(jīng)為WAAM設(shè)計(jì)了生成連續(xù)路徑的路徑規(guī)劃策略。不幸的是，消除不連續(xù)性會增加急轉(zhuǎn)彎等其他因素。為此，Ding等人引入了幾種路徑規(guī)劃策略，同時(shí)限制一條路徑中所有的缺陷因素，以改善沉積。然而，在這種方法中，無論層的形狀如何，所有提出的解決方案都應(yīng)用相同的路徑規(guī)劃策略。然而，幾何的拓?fù)鋸?fù)雜性越高，就可能出現(xiàn)越多的不連續(xù)點(diǎn)和急轉(zhuǎn)彎。因此，最終的質(zhì)量可以根據(jù)幾何形狀的不同而有很大的變化。

使用基于特征的設(shè)計(jì)方法構(gòu)建示例。

另一種方法是Kazanas等人提出的基于特征的設(shè)計(jì)。在他們的研究中，他們證明了WAAM能夠通過設(shè)計(jì)一種符合特定目標(biāo)形狀要求的路徑策略來建造復(fù)雜的部件，比如封閉結(jié)構(gòu)。隨后，交叉結(jié)構(gòu)、t形交叉特征和最近的多向管道接頭 (如上圖)相繼采用了該解決方案。因此，該方法表明，針對給定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特殊路徑策略可以保證沉積質(zhì)量;然而，這種解決方案需要對每個(gè)新部件進(jìn)行耗時(shí)的路徑設(shè)計(jì)研究，這與AM的目的是不兼容的。

交叉缺陷是一種常見的缺陷。拉緊發(fā)生在引弧和滅弧發(fā)生的位置。Li等人提出了一種名為末端外側(cè)延伸(ELE)的路徑策略，該策略已在T交叉口、方形交叉口和任意角交叉口進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，該方法消除了缺陷，提高了表面質(zhì)量，并取得了良好的拉伸性能。圖1顯示了不同的刀軌和對應(yīng)的T交叉樣本。采用ELE路徑策略消除了緊致缺陷。然而，ELE路徑策略并沒有對交叉口表面質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。熱積累改變了傳熱速率，從而影響了焊珠的形狀。因此，ELE路徑策略應(yīng)考慮路徑和工藝參數(shù)的優(yōu)化。

圖1 T交叉的不同刀具路徑和相應(yīng)的樣本。

以往的研究大多采用寬度和高度兩個(gè)參數(shù)來描述珠子的幾何形狀，該參數(shù)適用于單直路。ELE中路徑具有彎曲特性，目前的方法無法對其進(jìn)行表征。此外，在現(xiàn)有的研究中，直接可控變量(電流、速度、時(shí)延、重疊等)對被控參數(shù)(高度、寬度、平整度)的影響幾乎沒有研究。

目前比較流行的在線控制解決方案是機(jī)器學(xué)習(xí)，它試圖繞過上述關(guān)系，在可控變量與平面度之間建立模糊權(quán)值網(wǎng)。但是，這種方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和大量的計(jì)算資源，因此無法在行業(yè)中應(yīng)用。本文提出了一種評價(jià)構(gòu)建平面度的新方法，優(yōu)化了構(gòu)建平面曲面的工藝參數(shù)，并分析了工藝參數(shù)與剖面之間的有效性映射。最后，以某商用飛機(jī)承載架制造過程中的一層為例，驗(yàn)證了優(yōu)化后的ELE路徑策略在大型零件交叉口構(gòu)建中的可行性。

2. 方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料和工具

激光- cmt混合增材制造系統(tǒng)如圖2所示。一種數(shù)控機(jī)床(Fana, FA2818HG)，帶有一個(gè)提供焊接運(yùn)動的平臺。采用焊接系統(tǒng)(Fronius, CMT Advanced 4000R)和光纖激光系統(tǒng)(Raycus,RFL-C3300W)作為熱源。該光纖激光系統(tǒng)由一個(gè)最大輸出功率為3.3?kW、波長為1080?nm的激光源、一個(gè)輸出頭和冷卻設(shè)備組成。采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器(Gocator, 2150C-3R-R-01-T)對焊縫形貌進(jìn)行掃描。

圖2 激光- cmt混合增材制造系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)中使用的導(dǎo)線為ER2319鋁合金，直徑1.2?mm。所有的結(jié)構(gòu)都是在2219鋁合金基底上。將底座(尺寸為400?mm?×?250?mm?×?40?)用無水乙醇研磨清洗。導(dǎo)線和襯底的化學(xué)成分如表1所示?；鹁婧图す廨敵鲱^安裝在數(shù)控機(jī)床的主軸上。它們的相對位置如圖3a所示。激光輸出頭與基片之間的距離為225?mm，夾角為40°。激光光斑的位置與焊絲重合，如圖3b所示，其中紅光為激光器的導(dǎo)光。

表1 金屬絲和基板的化學(xué)成分。

圖3 (a)激光- cmt混合增材制造原理圖。(b)激光光斑和導(dǎo)線照片。

為了進(jìn)一步了解實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象,一個(gè)有效的方法是使用一些可視化方法。然而，在金屬液滴印刷工藝中，由于鋁液液滴尺寸小、溫度高、處于惰性氣體環(huán)境，傳統(tǒng)的高速攝像技術(shù)難以直接捕捉液滴的詳細(xì)動態(tài)行為。為此，有限元方法被廣泛應(yīng)用于研究各種工藝參數(shù)對最終成形件成形質(zhì)量的詳細(xì)影響。本文采用基于VOF方法的數(shù)值模型分析了沉積過程中的形狀演變和固相分?jǐn)?shù)分布。我們在之前的工作中報(bào)道了對模型的詳細(xì)開發(fā)和驗(yàn)證。如下圖(a) (b)所示，考慮下坡和上坡兩個(gè)掃描方向。三維計(jì)算域的尺寸為2.5 × 1.5 × 1.5 mm，對應(yīng)網(wǎng)格尺寸為14 × 14 × 14 μm。數(shù)值模型邊界條件的定義與我們前期工作中定義的相似。

在(a)下坡模式和(b)上坡模式下，兩個(gè)鋁液滴依次沉積在斜基板上的三維數(shù)值模型;分別在(c)下坡模式和(d)上坡模式下，模擬了一個(gè)新來液滴在一個(gè)已沉積液滴上的流動和固相分?jǐn)?shù)分布。

2．2. 激光和CMT混合增材制造

激光功率分別為0?kW、1?kW、2?kW和3?kW時(shí)，進(jìn)行了激光累積實(shí)驗(yàn)。圖4為采用不同功率和三種截面的激光制備的單層焊珠。從每個(gè)珠子的10個(gè)點(diǎn)測量高度和寬度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，用來評估這些樣品的平整度。3?kW的激光功率值最小。圖5a顯示的是用0?kW、1?kW、2?kW和3?kW的激光功率建造的墻體的照片。壁采用沉積后T6熱處理。拉伸試樣尺寸取樣位置如圖5b-5c所示;水平方向3個(gè)試件，垂直方向3個(gè)試件。圖5d的直方圖顯示了2319的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。隨著激光功率的增加，水平方向和垂直方向的拉伸強(qiáng)度增大。表2所示的參數(shù)在表面質(zhì)量和機(jī)械性能方面產(chǎn)生了理想的結(jié)果，并在整個(gè)研究中被用作名義參數(shù)。

圖4 (a)焊接不同激光功率的微珠。(b)珠子不同位置的截面圖(σW為寬度的標(biāo)準(zhǔn)差，σH為高度的標(biāo)準(zhǔn)差)。

圖5 (a)不同激光功率制作的墻壁照片。(b)采樣位置示意圖。(c)拉伸試樣的尺寸。(d)不同激光功率下CMT?+?激光加工的力學(xué)性能(H為水平方向;V表示垂直方向)。

表2 激光- cmt復(fù)合增材制造工藝參數(shù)研究。

2．3. ELE路徑策略設(shè)計(jì)

ELE是在WAAM中提出的一種生成交叉特征的路徑策略。圖6a中的標(biāo)簽①-⑥給出了路徑的順序。ELE中標(biāo)注①和②為兩條平行直線路徑;它們之間的距離定義為平行路徑偏移距離(L1)。③—⑥表示彎曲路徑。延伸發(fā)生在交叉的路徑的末端，并平行于直線路徑。延伸路徑和平行路徑之間的偏移距離是L2。擴(kuò)展路徑長度為L3。這些距離是與ELE路徑構(gòu)建相關(guān)的參數(shù)，它們是通過優(yōu)化交叉口輪廓的實(shí)驗(yàn)確定的。

圖6 (a) ELE路徑策略示意圖和相貫標(biāo)本的尺寸。(b)直線路徑，一端側(cè)伸。(c)橫向延伸并與試樣大小相對應(yīng)的滅弧和滅弧路徑。

由于沉積方向在層間交替，在橫向延伸處依次起弧熄弧，如圖6b所示。這兩個(gè)區(qū)域的動態(tài)過程是不穩(wěn)定的。在打弧區(qū)域，液滴與工件接觸后迅速凝固。焊槍運(yùn)動時(shí)，金屬液在電弧力的作用下流向熔池尾部，然后部分回流到之前凝固的區(qū)域，形成凸出的焊道。在滅弧區(qū)，由于熔融金屬沒有時(shí)間回流，迅速凝固，熔池形狀呈傾斜狀。異常區(qū)域的形狀取決于金屬沉積量和熱積累過程，而熱積累過程又受到駐留時(shí)間、電流和移動速度等輸入?yún)?shù)的影響。本文采用兩條彎道的路徑，研究參數(shù)對引弧和滅弧區(qū)域的影響，如圖6c所示。

2．4． 滅弧面積幾何評價(jià)方法

僅考慮焊道的寬度和高度是很難判斷焊道彎曲區(qū)域幾何形狀的。本研究提出了一種基于給定的理想CAD模型與建筑物掃描點(diǎn)云之間的偏差來評估彎曲路徑中電弧的擊弧和熄滅區(qū)域輪廓的新方法。首先，采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器對焊縫點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，然后利用Geomagic Studio軟件對點(diǎn)云進(jìn)行三角化擬合，如圖7a-c所示。為了研究電弧擊弧和熄滅區(qū)域的輪廓，將理想模型定義為具有八個(gè)平面的正則實(shí)體。寬度為8?mm，高度為2.3?mm，這是通過測量珠內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)域來確定的，如圖7d所示。圖7e-f為理想模型與掃描點(diǎn)云的比較，以及在擊弧和熄滅場中計(jì)算出的偏差。

圖7 理想模型與實(shí)際模型偏差計(jì)算示意圖。(a)焊接珠。(b)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。(c)配合面。(d)理想CAD模型的尺寸。(e)理想CAD模型與掃描點(diǎn)云對比。(f)引弧和熄滅區(qū)域的偏差。

電弧撞擊區(qū)掃描點(diǎn)云為As，理想模型為Bs。三維立體的布爾運(yùn)算是兩個(gè)模型的特定組合，以生成新的三維立體，包括并、交和減法。Bs-As是Bs和As之間的減法。它表示理想模型大于掃描點(diǎn)云的部分。由于微珠的截面為半橢圓形，無法得到完美的模型。因?yàn)锳s -Bs可以表示珠的過度流動。Cs是Bs和As的并集。Cs定義為理想模型與掃描點(diǎn)云之間的偏差。Cs的體積越小，實(shí)際珠子越接近完美模型。

其中U和-分別是并和和減法。

滅弧區(qū)計(jì)算方法與滅弧區(qū)計(jì)算方法相同。

其中AE為滅弧實(shí)際模型，BE為理想模型，CE為理想模型與掃描點(diǎn)云之間的偏差。

來源：Optimization of the geometry for the end lateral extension pathstrategy to fabricate intersections using laser and cold metal transfer hybridadditive manufacturing，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2020.101546

參考文獻(xiàn)：R. Huang, M. Riddle, D. Graziano, J. Warren, E. Masanet，Energy andemissions saving potential of additive manufacturing: the case of lightweightaircraft components，J. Clean. Prod., 135 (2015), pp. 1559-1570, 10.1016/j.jclepro.2015.04.109