程 蓉，伍曉宇，羅偉洪，雷建國

深圳市模具先進制造技術重點實驗室，深圳大學機電與控制工程學院，深圳518060

金屬材料直接成形近終端產(chǎn)品成為目前快速成形技術領域的研究熱點［1-4］. 所謂近終端產(chǎn)品，即成形件具有近100%的相對密度、冶金結合組織、較高的尺寸精度及較好的表面粗糙度，無須后處理或僅需簡單后處理(如噴砂、拋光或回火等)即可投入使用［5-6］. 2009 年本課題組提出一種新型金屬零件快速成形疊層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)方法［7-8］，即阻焊式雙工位疊層實體制造 (resistance welding double-staged LOM，DLOM)，該技術克服現(xiàn)有LOM 技術金屬板料層黏結困難、廢料難以剔除的問題，是低成本直接快速制造金屬零件的有效方法.

DLOM 系統(tǒng)主要由激光切割、電阻點焊以及帶料運動控制組成. 由于金屬材料的熔點高、熱傳導性好，該技術要求能直接成形高致密性、冶金結合且有較高尺寸精度及較好表面粗糙度的金屬零件，因此對各部分設計都有特殊要求. 為此，本文就上述3 個關鍵技術進行深入研究，以厚度為0.1 mm的302 不銹鋼薄板為造型材料，進行金屬零件的分層快速制造，驗證設計的正確性.

1 DLOM 成形方法及系統(tǒng)構成

圖1 為阻焊式雙工位疊層金屬零件直接成形流程，其結構如圖2. 系統(tǒng)流程為:將3 維模型切片離散，計算機逐層調(diào)入切片輪廓信息，根據(jù)排樣計算公式，激光器在第1 工位實現(xiàn)連續(xù)切割多層內(nèi)腔，完成后鋼板帶料移動至第2 工位. 阻焊焊接和激光對外框切割在第2 工位交替進行，直到在第1工位所切割的多層薄板都完成焊接和外框切割，激光器回到第1 工位進行下次循環(huán)，如此反復直到最后形成金屬實體.

圖1 阻焊式雙工位疊層金屬零件制造系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of DLOM process

圖2 阻焊式雙工位疊層金屬零件制造系統(tǒng)的結構示意圖Fig.2 Illustration of DLOM equipment

本系統(tǒng)采用雙工位工藝流程，與現(xiàn)有LOM 工藝中采用切割和黏接交替進行的方式不同，工件的余料在第1 工位就已經(jīng)脫落，從而節(jié)省激光對余料進行網(wǎng)格化切割的時間和能量，同時減去工件加工完成后剝離余料的工序. DLOM 成形工藝具有步驟多、工序緊湊和效率高的特點.

2 激光切割工藝

本系統(tǒng)中激光器主要用于切割制件的內(nèi)外輪廓. 考慮到激光模式、激光功率和切割速度共同決定激光切割質(zhì)量［9］，采用波長為1 064 nm 的100 W半導體側(cè)面泵浦Nd∶YAG 激光器. 其特點在于:①多運行模式，可以在連續(xù)、脈沖、調(diào)Q 及鎖模的狀態(tài)下運行;②固體工作物質(zhì)多達百種，拓寬激光應用的波長范圍;③結構緊湊、牢固耐用，價格適宜;④導光系統(tǒng)簡單.

對特定工件，激光的輸出功率P 為

其中，q 為激光能量密度;D 為光斑直徑;v 為光斑移動速度.

由式(1)可見，激光器輸出功率與切割速度相關. 當激光功率較大而移動速度相對較慢時，由于氧的燃燒速度高于激光束的移動速度，單位時間內(nèi)輸入工件的能量高于正常切割的能量，熱影響區(qū)較大，會造成切縫寬度增加，切口質(zhì)量不好. 當激光速度過快而功率相對不足時，則不能有效地切斷薄鋼板，余料不能脫離. 通過實驗對厚度為0.2 mm的304 不銹鋼進行激光切割工藝優(yōu)化，實驗結果如表1.

激光功率從50 W 開始，設上限為85 W，實驗以變化輸入熱量為目的，同時觀察熱量的利用率.結果表明，當激光器功率為85 W，切割速度為190 mm/min 時，切割的表面質(zhì)量較為理想.

表1 不同激光功率與切割速度對應的切割質(zhì)量Table 1 Quality of cutting with different laser power and laser speed

3 電阻點焊工藝

焊接主要參數(shù)包括:焊接電流I，焊接時間t 和電極力F，其中，焊接電流對焊接質(zhì)量的影響最為顯著［10-11］. 在其他焊接參數(shù)不變的情況下，焊接電流密度應該有一個合理的上下限. 當焊接電流小于下限時，產(chǎn)生的熱量過小，不能形成熔核;當焊接電流高于上限時，電流密度過大，加熱速度過快，產(chǎn)生飛濺，反而降低焊接質(zhì)量.

為考察焊接電流對焊點質(zhì)量的影響，以0.1 mm 厚的5 層304 不銹鋼板單點焊接為研究對象(每1 層焊接1 次，共5 次焊接)，在其他焊接參數(shù)不變的情況下，只改變焊接電流大小，從較小的焊接電流開始，直至焊點發(fā)生噴濺結束. 焊接的其他參數(shù)如下:電極直徑為3 mm;電極材料為彌散氧化鋁;焊接時間為6 cyc (1 cyc =0.03 s);焊機氣壓為1.4 kfg/cm2;預壓時間為25 cyc;維持時間為3 cyc;休止時間為10 cyc. 焊接完成后，用線切割把焊點從中間破開，然后鑲嵌、制樣、打磨和拋光，最后用質(zhì)量分數(shù)為10%的草酸溶液腐蝕，在低倍電鏡下測量焊點的熔核直徑和焊透率. 用尖頭千分尺測量試樣的壓痕深度，同時在金相顯微鏡下觀察組織變化.

3.1 焊接電流對點焊接頭焊接特性的影響

分別測量不同焊接電流時，點焊接頭的壓痕深度、熔核直徑和焊透率，并對實驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析，進而得出焊接特性隨焊接電流變化的規(guī)律曲線，如圖3. 可見，熔核直徑、焊透率和壓痕深度都隨著焊接電流的增加而增加. 當焊接電流在2 300 ～2 900 A 變化，對熔核尺寸和壓痕深度的影響比較明顯，但對焊透率的影響不大.

圖3 焊點熔核直徑、焊透率及壓痕深度隨焊接電流變化Fig.3 The nugget diameter，weld penetration and depth under different welding current

3.1.1 焊接電流對熔核尺寸的影響

其總體趨勢為熔核尺寸隨電流的增加而增大，見圖3(a). 當焊接電流為1 570 A 時，所產(chǎn)生的熱量不足以在不銹鋼薄板上形成熔核，僅在基板上出現(xiàn)小部分月牙形熔核，從不銹鋼薄板的焊接情況看，第1、2 層之間能夠形成有效連接，出現(xiàn)晶粒吞并現(xiàn)象，但晶粒尺寸比較粗大，平均達到66 μm，如圖4(a). 當焊接電流為1 700 A 時，出現(xiàn)熔核形貌. 焊接電流從1 900 A 開始，熔核尺寸隨焊接電流的增大而增大，通過焊接區(qū)的電流密度漸增，析出熱量也不斷增大，熔核尺寸逐漸變大. 當焊接電流為3 100 A 時出現(xiàn)環(huán)形熔核，如圖4(b).焊接電流為3 300 A 時出現(xiàn)噴濺，因電流密度過大，塑性環(huán)來不及形成，熔核迅速增大，在電極力的作用下，熔核被擠出，同時帶走大量熱量，焊件的抗拉剪強度和表面質(zhì)量明顯降低，形貌如圖4(c).

3.1.2 焊接電流對焊透率的影響

圖4 焊接熔核金相組織形貌隨焊接電流變化圖Fig.4 The nugget microstructure morphology

隨焊接電流的升高，焊透率增加，并最終趨于穩(wěn)定，見圖3(b). 這是由于隨著焊接電流的升高，焊接的熱輸入量漸增，焊件接觸面金屬熔化的效率更高，使熔核直徑增加，試樣在厚度方向的焊透率也增大.

3.1.3 焊接電流對壓痕深度的影響

壓痕深度隨焊接電流的增大呈近似線性增大趨勢. 因為隨焊接電流的增加，焊點中熔融金屬的范圍漸增，熔核周圍軟化區(qū)的范圍也相應擴大，使得在壓力作用下電極壓入更加容易，尤其是隨著電流過大產(chǎn)生飛濺，一部分熔融金屬被擠出熔核，焊點的壓痕深度增大更為顯著.

3.2 焊接電流對焊接接頭金相組織的影響

焊件的金相組織決定其機械性能，微觀觀察材料的組織變化，分析焊件金相，為提高焊接質(zhì)量提供反饋信息. 304 不銹鋼薄板的平均奧氏體晶粒尺寸為18 μm. 這種奧氏體不銹鋼的組織較為穩(wěn)定，從高溫自然冷卻時不會發(fā)生馬氏體相變，它的馬氏體相變點Ms 約為-50 ℃.

當焊接電流為1 700 A，熔核剛開始形成時，由于其中心溫度大概在1 100 ℃左右，還沒有達到不銹鋼薄板的熔點(1 440 ℃)，仍屬于固態(tài)相變轉(zhuǎn)變過程，大晶粒吞并小晶粒. 熔核的組織由粗大的奧氏體為基體，晶界有珠光體析出，如圖4(a).這種組織的力學性能不夠理想，表現(xiàn)為抗拉強度低.

隨著焊接電流的增大，析熱不斷增強，溫度逐漸提高，熔核的組織有較明顯的變化，熱影響區(qū)的組織變化不大. 當焊接電流為1 900 A 時，熔核溫度在1 200 ℃左右，仍未達到熔點，在粗大的奧氏體晶界上析出大量的鐵素體，成網(wǎng)狀分布，并向晶界內(nèi)生長，出現(xiàn)過熱的魏氏組織，如圖5(a). 當焊接電流為2 100 A 時，熔核上出現(xiàn)的組織為羽毛狀貝氏體，如圖5(b). 以上兩種組織的機械性能都不好，韌性嚴重降低，容易發(fā)生脆性斷裂. 當焊接電流為2 500 A 時，中心溫度已超過熔點溫度1 400 ℃，熔核形成柱狀樹枝晶. 雖然奧氏體不銹鋼的熱導率低，但薄板厚度只有0.2 mm，加之電極上有水冷裝置，因此焊件的整體散熱能力強，獲得高的冷卻速度，所以熔核從液相向固相轉(zhuǎn)變時可以獲得致密的組織. 當電流為2 700 A 時，組織更加致密，如圖5(c).

圖5 焊接電流1 700 A 時焊點金相組織Fig.5 The nugget microstructure under welding current 1 700 A

通過觀察不同焊接電流條件下，熔核和熱影響區(qū)的組織情況，并結合熔核尺寸的大小，發(fā)現(xiàn)焊接電流為2 700 A 時，能獲得組織致密的熔核，且熔核尺寸比較理想.

圖6 不同電流的熔核內(nèi)部組織Fig.6 The nugget microstructure under different welding current

4 帶料運動控制

金屬薄板在送料過程容易出現(xiàn)彎曲和變形，這會直接影響激光切割和電阻點焊焊接，因此要求送料機構有很好的平直輸送能力，圖7 為送料系統(tǒng)結構圖.

圖7 送料系統(tǒng)結構圖Fig.7 Structure of feeding system

步進電機帶動卷料筒轉(zhuǎn)動，帶料向前移動. 停止時由于慣性作用，帶料仍會向前移動，摩擦裝置對這一現(xiàn)象有很好的抑制. 摩擦裝置的摩擦力大小可以調(diào)節(jié)，通常調(diào)節(jié)到帶料始終處于平直和繃緊狀態(tài). 6 根光軸起導向作用，同時支撐夾緊裝置.

送料機構中帶料在傳送過程是否能保持直線運動，主要取決于兩個滾筒間的平行度. 在實際加工和裝配中很難使兩個滾筒達到絕對平行，兩者間會有一個錯位角θ，如圖8(a). 這個誤差會隨卷數(shù)的增加而不斷累積. 為消除這種誤差，使兩個滾筒能很好的配合，在卷料筒上增加一對調(diào)節(jié)螺釘，如圖8(b). 這使卷料筒在軸向有調(diào)節(jié)空間，裝配時通過調(diào)節(jié)螺釘，同時讓卷料筒運轉(zhuǎn)數(shù)圈，觀察其偏移情況，直到不發(fā)生偏移為止.

圖8 滾筒平行度偏差及調(diào)節(jié)螺釘設置Fig.8 Parallelism error of rollers and adjusting screw

由于層與層之間的定位靠接近開關保證，所以帶料的移動速度須有一個合理的范圍，帶料移動速度過快則接近開關來不及反應，速度過慢則影響加工效率. 經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，帶料傳送速度為80 mm/min 時，傳動平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯偏移.

圖9 是采用上述工藝研究結果，利用DLOM 技術加工出的金屬零件，零件與設計的幾何形狀一致，x 和y 方向的尺寸誤差在0.5 mm 以下，零件表面粗糙度均勻，結合面強度超過600 MPa.

為驗證本實驗制造零件的硬度和精度，將該零件作為模芯，以ABS 為注塑材料進行注塑，得到的注塑零件如圖10. 注塑件尺寸精度和表面粗糙度均滿足要求. 以上實驗結果表明，在金屬零件及復雜模具制造領域，DLOM 可發(fā)揮重要作用.

圖9 DLOM 制造的金屬零件原型Fig.9 The metallic part prototype made by DLOM

圖10 注塑零件Fig.10 The injection part

結 語

本研究結果表明:①采用100 W 脈沖Nd∶YAG激光器切割0.2 mm 厚的304 不銹鋼，當激光器功率為85 W，切割速度為190 mm/min 時，鋼板能完全割斷，熱影響區(qū)僅為1.6 mm，切口寬度僅為0.43 mm，切割質(zhì)量較好;②熔核尺寸隨著焊接電流的增大而增大，但是超過一定值會出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象;隨著焊接電流的增大，焊透率增加，并最終趨于一個穩(wěn)定值，且壓痕深度呈現(xiàn)出近似線性增加的趨勢. 通過觀察不同焊接電流條件下，熔核和熱影響區(qū)的組織情況，并結合熔核尺寸的大小發(fā)現(xiàn)，焊接電流在2 700 A 時，能獲得組織致密的熔核，且熔核尺寸比較理想;③帶料平穩(wěn)、準確移動是控制成形質(zhì)量的關鍵因素之一，可以通過機械結構設計和控制帶料的移動速度來保證.

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