劉美紅，洪恩航，黎振華，滕寶仁

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.昆明理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，云南 昆明 650500)

電弧增材制造依托于近凈成形手段，被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密制造等領(lǐng)域[1]。但是電弧增材可調(diào)參數(shù)多，焊接熔池可控性差，焊接過程不穩(wěn)定[2]，使得電弧增材制造在成形精度與性能方面存在不足[3]。目前，通過輔助手段進(jìn)行制件成形分析并通過數(shù)值仿真模擬工藝過程，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

圖像處理作為一種提取增材成形的輔助手段，被大量用于成形評測中。基于拍攝的圖像，文獻(xiàn)[4]采用Photoshop CS4直接測距的方式已逐漸被數(shù)字圖像處理取代。數(shù)字圖像處理通過圖像去噪、邊緣檢測[5-7]等操作提取與實(shí)際焊道成形相匹配的焊道輪廓。在單道多層的成形評測中，文獻(xiàn)[8]將黑白格標(biāo)定板作為計(jì)算像素大小工具用于獲得粗糙度等評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，本文采取任意已知尺寸的物品作為標(biāo)定物簡化黑白標(biāo)定板，通過OpenCV截取圖片頂層焊道形貌，設(shè)置閾值二值化圖像后提取焊道輪廓，并遍歷輪廓像素點(diǎn)計(jì)算預(yù)期評價(jià)值。

焊接仿真主要用于計(jì)算焊道溫度場，輔助分析增材制造過程。該輔助方法已由線、面熱源在平面的移動[9-10]逐漸發(fā)展為依托生死單元受熱模擬熔滴搭接，使仿真更貼近實(shí)際制造情況。但是，生死單元與移動熱源相對獨(dú)立，設(shè)置較為復(fù)雜。為了研究熱源移動時(shí)溫度場的變化情況，本文采用自主開發(fā)的專用電弧增材系統(tǒng)。該系統(tǒng)可保證雙橢球熱源對應(yīng)運(yùn)動方向的一致性，配合使用分析步與生死單元仿真軟件和移動熱源與路徑規(guī)劃仿真軟件，可快捷高效地進(jìn)行焊接仿真處理。

基于上述分析，本文主要在單道單層獲得優(yōu)質(zhì)成形的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，針對單道多層增材成形進(jìn)行研究，通過先探索層寬、層高變化規(guī)律并確定抬槍高度，為后續(xù)單道多層增材打下基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)針對焊機(jī)模式及掃描策略，輔以圖像處理與數(shù)值仿真進(jìn)行分析和對比，從而優(yōu)選焊接模式及掃描策略。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 增材設(shè)備及成形

1.1.1 增材制造系統(tǒng)及焊接模式

增材試驗(yàn)以Fronius CMT(Cold Metal Transfer)TPS3200焊接電源配合ABB IRB1410工業(yè)機(jī)器人構(gòu)建的增材成形系統(tǒng)作為焊道成形基礎(chǔ)，采用控制柜集成主要增材硬件并輔以計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。Fronius CMT TPS3200焊接電源采用了冷金屬過渡技術(shù)，可減少焊接缺陷并提高成形質(zhì)量[11]，但仍無法避免成形過程中尺寸偏差較大等問題。焊接電源有兩種模式可供選擇，CMT模式為常規(guī)冷金屬過渡模式，而CMT+Pulse在常規(guī)模式基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過增加脈沖電流增大熱輸入，并可增強(qiáng)熔覆過程中氣體溢出能力[12]。為探究不同模式對焊道堆積成形的影響，本文針對焊接電源的CMT和CMT+Pulse兩種模式進(jìn)行了單道多層成形研究及比較。

圖1 電弧增材系統(tǒng)構(gòu)成Figure 1. Composition of the wire arc additive manufacturing system

1.1.2 成形基本參數(shù)

為方便將焊接電源的兩種不同模式進(jìn)行統(tǒng)一比較，本文選取線能量密度作為參照。線能量密度計(jì)算式為

η=p/v

(1)

式中，p是焊接熱源功率(單位為W)；V是焊接速度(單位為mm·s-1)；η是線能量密度(單位為J·m-1)。本文統(tǒng)一了CMT與CMT+Pulse模式的線能量密度，在基板不變形的前提下，篩選出各模式工藝參數(shù)，如表1所示。基于不同模式下相同線能量密度的單道單層焊道成形連續(xù)且寬窄一致，宏觀成形如圖2所示，表明其可作為單道多層成形基礎(chǔ)。

表1 相同線能量密度下的工藝參數(shù)Table 1. Process parameters under the same linear energy density

(a)

(b)圖2 不同模式下單道單層優(yōu)選焊道成形 (a)CMT+Pulse模式 (b)CMT模式Figure 2. Single-pass and single-layer optimized bead forming in different modes(a)CMT+Pulse mode (b)CMT mode

1.1.3 增材相關(guān)參數(shù)

本文采用直徑1.2 mm的4043鋁合金焊絲，高純度氬氣保護(hù)氣體氣流量為15 L·min-1，焊道各層增材長度統(tǒng)一為105 mm，起弧處層間溫度為100 ℃。

1.2 焊道成形質(zhì)量評價(jià)

1.2.1 層寬、層高成形尺寸評價(jià)

電弧增材制造以焊道作為最小成形單位，在層層堆焊過程中，將各層焊道的層寬、層高作為描述宏觀成形和觀察成形變化規(guī)律的主要參數(shù)。層寬、層高是判斷增材散熱達(dá)到穩(wěn)定的基礎(chǔ)，層高是用于設(shè)置抬槍高度的關(guān)鍵。為此，對成形焊道在焊接方向進(jìn)行5等份劃分，在1層增材冷卻后，基于劃分點(diǎn)處，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別測量等份點(diǎn)處寬度及高度。將當(dāng)前層各等份點(diǎn)寬度取均值得到層寬；將當(dāng)前層各等份點(diǎn)高度取均值，并且將當(dāng)前層高度與前1層高度相減，所得結(jié)果即為當(dāng)前層層高。

1.2.2 頂層焊道表面成形質(zhì)量評價(jià)

電弧增材成形后處理是進(jìn)一步提高焊道成形精度的必要手段，該手段涉及對頂層焊道表面的銑削加工。成形件加工余量決定后處理效率，為減少加工余量，頂層焊道表面成形質(zhì)量為增材不可忽視的關(guān)注點(diǎn)，需要進(jìn)行有效評價(jià)。針對頂層焊道表面成形質(zhì)量，本文采用數(shù)字圖像處理的方式進(jìn)行處理，以易獲尺寸物體作為標(biāo)定物。評價(jià)指標(biāo)包括粗糙度和斜率，詳細(xì)流程如下圖3所示。

圖3 圖像處理頂層焊道表面流程圖Figure 3.Flow chart of top bead surface with image processing

粗糙度與斜率核心計(jì)算步驟如下：

步驟1在調(diào)整相機(jī)焦距以獲得清晰物體輪廓的前提下，選取電導(dǎo)嘴為標(biāo)定物，將成形焊道與電導(dǎo)嘴放在置同一豎直平面內(nèi)，如圖4(a)所示；

圖4 焊道圖片與標(biāo)定物像素位置(a)清晰實(shí)物圖 (b)頂、底部像素位置Figure 4. Pictures of weld bead and pixel position of the calibration object(a)Object picture with high definition (b)Top and bottom pixel positions

步驟2根據(jù)電導(dǎo)嘴高度L=35.0 mm，基于OpenCV測得電導(dǎo)嘴在圖像中頂、底部所處像素位置，如圖4(b)所示。通過計(jì)算兩位置差值獲取電導(dǎo)嘴圖像中像素大小Lp。每個(gè)像素對應(yīng)實(shí)際尺寸大小Lr如式(2)所示；

Lr=L/Lp

(2)

步驟3針對整張圖片設(shè)置閾值進(jìn)行二值化[13]處理，如圖5所示。在二值化圖像基礎(chǔ)上，提取頂層焊道輪廓[14]，如圖6所示；

圖5 圖像二值化Figure 5. Image binarization

圖6 焊道頂層輪廓的提取Figure 6. Extraction of top contour of weld bead

步驟4最小二乘法是一種通過最小化誤差平方和來達(dá)到最佳擬合效果的方法。針對提取出的焊道頂層輪廓的各像素點(diǎn)位置，采用最小二乘法進(jìn)行一次函數(shù)擬合。所獲擬合函數(shù)的斜率代表焊道上表面幾何輪廓的傾斜程度；

步驟5粗糙度[15]是描述制件成形后表面不平度的評價(jià)手段。本文以輪廓的平均算術(shù)偏差(Ra)作為粗糙度，用于評測頂層焊道輪廓。使用步驟4中最小二乘法擬合的直線作為中線，如式(3)所示。

Ax+By+C=0

(3)

圖6中，輪廓上各點(diǎn)距中線的距離絕對值的平均算術(shù)偏差為粗糙度，如式(4)所示。

(4)

綜上，基于OpenCV進(jìn)行圖像處理并編寫上述擬合與粗糙度計(jì)算式，計(jì)算實(shí)際頂層焊道表面的粗糙度和斜率。粗糙度代表焊道對應(yīng)像素點(diǎn)偏離中線的離散程度，粗糙度越大則說明加工余量越大，頂層焊道表面成形質(zhì)量越差。斜率代表頂層焊道相較于水平線的傾斜程度，數(shù)值為正值代表實(shí)際頂層焊道成形為右高左低，數(shù)值為負(fù)值代表實(shí)際頂層焊道成形為左高右低。

1.3 數(shù)值模擬溫度場計(jì)算及評價(jià)

溫度場計(jì)算依賴于自主開發(fā)的電弧增材專用數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)聯(lián)合使用以下兩款自主開發(fā)軟件，分別是分析步與生死單元軟件和移動熱源與路徑規(guī)劃軟件，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)生死單元激活與移動熱源加熱的過程，達(dá)到等效實(shí)際熔滴過渡搭接的目的。增材數(shù)值模擬計(jì)算將焊接過程抽象為熱源在預(yù)設(shè)軌跡上的移動過程，仿真抽象后，不同焊接模式僅有熱源模型參數(shù)發(fā)生了變化，該數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)可將焊接模式進(jìn)行有效統(tǒng)一。

本文主要使用該仿真系統(tǒng)進(jìn)行基于相同熱源的單向、往復(fù)路徑的溫度場計(jì)算，以確定最優(yōu)掃描策略，因此任選一種焊接模式即可。在實(shí)際焊接中，CMT+Pulse模式的電流、電壓圍繞焊機(jī)基值變化較大，故本文選擇CMT模式進(jìn)行溫度場計(jì)算。

1.3.1 增材模型及數(shù)值計(jì)算參數(shù)

增材過程中，隨著增材層數(shù)逐漸升高，散熱環(huán)境趨于穩(wěn)定，此時(shí)散熱主要方式為層間散熱[16]。為確保散熱環(huán)境的穩(wěn)定性與一致性，本文在預(yù)設(shè)30層焊道的基礎(chǔ)上分別針對不同掃描策略進(jìn)行4層堆焊，增材模型如圖7所示。

圖7(a)表示30層預(yù)設(shè)焊道，圖中焊道均處于室溫狀態(tài)。在整個(gè)增材數(shù)值模擬仿真中，最底層焊道均為深色，表明由移動熱源產(chǎn)生的熱量通過層間傳遞到底層時(shí)已散失殆盡，散熱過程主要發(fā)生在層間。由此可見，30層預(yù)設(shè)焊道符合實(shí)際增材散熱工況。

在4層堆焊過程中，為保證起弧溫度均為100 ℃，如圖7(b)所示，將第1層增材視為預(yù)熱層，即當(dāng)前層冷卻時(shí)的溫度場分布視為后續(xù)增材層的預(yù)熱基礎(chǔ)，層間等待時(shí)間由當(dāng)前層冷卻時(shí)間確定，保障了起弧層間溫度的一致性。后3層按照不同的掃掠方式進(jìn)行如下增材：

(1)同向掃描策略。在第1層焊道預(yù)熱的基礎(chǔ)上，后續(xù)焊道增材方向均保持同向，增材方向如圖7(c)所示；

(2)往復(fù)掃描策略。在第1層焊道預(yù)熱的基礎(chǔ)上，第2層反向增材，如圖7(d)所示。后續(xù)第3、第4層增材方向分別對應(yīng)第1、第2層的增材方向，分別如圖7(b)、圖7(d)所示，即各層增材方向皆與前1層增材方向相反，以此實(shí)現(xiàn)往復(fù)掃描路徑的規(guī)劃。

圖7 不同增材策略仿真過程示意圖(a)30層模型焊道 (b)增材第1層 (c)第2層同向增材 (d)第2層反向增材Figure 7. Schematic diagram of different additive strategies for simulation process(a)30 layers for weld bead model (b)Additive manufacture for the first layer (c)Unidirection for the second layer (d)Reciprocating direction for the second layer

在自主開發(fā)的電弧增材數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)中，默認(rèn)將雙橢球熱源模型[17-18]作為移動熱源。該熱源模型可較準(zhǔn)確地描述電弧焊接過程中前半部分熱源溫度梯度變化陡峭而后半部分熱源溫度梯度變化較為緩慢的特點(diǎn)。熱源及相關(guān)數(shù)值仿真參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值仿真參數(shù)Table 2. Numerical simulation parameters

1.3.2 溫度場計(jì)算結(jié)果評定標(biāo)準(zhǔn)

仿真計(jì)算結(jié)果關(guān)聯(lián)實(shí)際焊道成形是有效利用仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。在實(shí)際增材過程中，由于基板的預(yù)熱作用，焊道呈現(xiàn)起弧“最高且最窄”、收弧“最矮且最寬”的特點(diǎn)。依據(jù)此成形特點(diǎn)，在對仿真模型節(jié)點(diǎn)溫度的分析中，利用起弧與熄弧時(shí)熔滴溫度低于625 ℃(4043鋁合金熔點(diǎn))所用時(shí)間差作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

TD=Te-Ts

(5)

式中，Te為熄弧后生死單元對應(yīng)節(jié)點(diǎn)冷卻至凝固點(diǎn)所消耗時(shí)間(單位為s)；Ts為起弧后生死單元對應(yīng)節(jié)點(diǎn)冷卻至凝固點(diǎn)所消耗時(shí)間(單位為s)；TD代表一條焊道起弧與熄弧熔滴凝固的時(shí)間差，TD值越小說明起弧與熄弧兩極端位置熔滴凝固時(shí)間越接近，焊道凝固越穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同模式層寬、層高變化規(guī)律及抬槍高度確定

2.1.1 CMT+Pulse模式下直壁各層成形變化規(guī)律

基于CMT+Pulse模式并利用往復(fù)掃描策略，增材10層的層高、層寬變化趨勢如圖8所示。

圖8 CMT+Pulse模式下 10層層高變化趨勢Figure 8. Trend of average weld bead height for 10 layers with CMT+Pulse

圖8中，第1～4層的層高變化較大，從第4層開始，層高逐漸趨于穩(wěn)定。從層寬角度可發(fā)現(xiàn)，第1～4層的層寬變化較大，從第4層開始層寬趨于穩(wěn)定，這是散熱條件發(fā)生變化所導(dǎo)致的。在CMT+Pulse模式的優(yōu)選工藝參數(shù)增材過程中，散熱條件對焊道成形至關(guān)重要，在第1層主要由基板散熱，隨著層數(shù)不斷增加，散熱方式也逐漸變化，由原先的基板散熱變?yōu)閷娱g散熱。值得注意的是，此處的空氣對流與熱輻射相較于基板與焊道散熱而言，散熱所占比例很小，可忽略不計(jì)。由于第1～4層的散熱條件發(fā)生改變，導(dǎo)致焊道成形尺寸差異較大。為避免撞槍，需要預(yù)留一定高度，以解決突發(fā)的焊接過程不穩(wěn)定情況，本文所選抬槍高度為1.0 mm。

2.1.2 CMT模式直壁各層成形變化規(guī)律

在CMT模式的往復(fù)掃描策略條件下，堆焊10層的各層層寬、層高的變化趨勢如圖9所示。

由圖9可知，對于各層層高，第1～2層層高的變化最為明顯；隨著增材過程的進(jìn)行，熱輸入與熱散失逐漸達(dá)到平衡，從第3層開始層高趨于穩(wěn)定。同理，從第3層開始，層寬逐漸達(dá)到穩(wěn)定。為避免撞槍，需預(yù)留一定高度，以解決突發(fā)的焊接過程不穩(wěn)定情況，此處的抬槍高度宜設(shè)定為1.65 mm。

圖9 CMT模式下10層層高變化趨勢Figure 9. Trend of average weld bead height for 10 layers with CMT

綜上所述，在相同的線能量密度下，CMT模式相較于CMT+Pulse模式率先達(dá)到散熱穩(wěn)定，抬槍高度分別設(shè)為1.65 mm和1.0 mm，為后續(xù)增材奠定了基礎(chǔ)。

2.2 掃描策略對頂層焊道成形的影響與選擇

雖然電弧增材不同模式對應(yīng)的電源參數(shù)各不相同，但基于同一焊接模式來研究不同掃描策略對焊道成形的影響，對不同焊接模式而言，具有代表性和普遍性。本文以CMT模式下的工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，分別研究不同掃描策略對數(shù)值仿真結(jié)果與頂層焊道成形的影響。

2.2.1 數(shù)值仿真結(jié)果分析

各層起弧、熄弧熔滴冷卻時(shí)間差所對應(yīng)的掃描策略如圖10所示。增材層的第1層為預(yù)熱層，不同策略的第1層焊接路徑相同，該層起弧、熄弧熔滴冷卻時(shí)間差相同。從增材層第2層開始，往復(fù)路徑下起弧、熄弧熔滴冷卻時(shí)間差均小于單向路徑起弧、熄弧熔滴冷卻時(shí)間差。由此可判斷，在往復(fù)路徑下，焊道溫度場分布趨于一致性較好并保證焊道凝固更穩(wěn)定。

圖10 各層熔滴冷卻時(shí)間差Figure 10. Difference between solidification time of molten droplet on each layer

2.2.2 不同掃描策略下頂層焊道表面成形分析

基于CMT模式的電弧增材，從第3層開始達(dá)到散熱穩(wěn)定狀態(tài)，因此在不同掃描策略下進(jìn)行10層增材的焊道成形足以體現(xiàn)成形趨勢。不同掃描策略下焊道成形如圖11所示。圖11中，單向掃描策略的成形符合單道單層焊道成形特點(diǎn)，單道單層由于熔滴搭接致使焊道溫度不斷升高，導(dǎo)致起弧處溫度較于熄弧處溫度低，熔池在熄弧處流動性增強(qiáng)，從而造成焊道起弧層高較高，熄弧處發(fā)生下塌的現(xiàn)象。在增材過程中，由于這一現(xiàn)象帶來的偏差逐層疊加，10層焊道宏觀成形出現(xiàn)起弧處焊道過高且熄弧處焊道過低的特征。

(a)

(b)圖11 不同掃描策略下的焊道成形 (a)單向掃描策略 (b)往復(fù)掃描策略Figure 11. Bead forming under the different path scanning strategies(a)Unidirection (b)Reciprocating direction

往復(fù)掃描策略通過當(dāng)前層熄弧位置為后1層起弧位置的路徑規(guī)劃手段，針對單道單層焊道成形特點(diǎn)，利用層高互補(bǔ)，彌補(bǔ)了單向掃描策略的不足。

綜上，不同掃描策略下頂層焊道表面粗糙度與斜度的判斷數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知，單向掃描策略頂層焊道成形粗糙度是往復(fù)策略的2.5倍；兩種策略下斜率均為負(fù)值，且單向掃描策略下斜率數(shù)值是往復(fù)斜率的69.5倍。從表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，相對于單向掃描策略，往復(fù)掃描策略對焊道上表面斜率的提升最為明顯，其次是粗糙度。此外，兩種策略下的斜率均為負(fù)值，說明不同掃描策略下第10層表面均向第1層焊道的熄弧位置傾斜，但往復(fù)路徑減緩了傾斜程度。從數(shù)值仿真與焊道成形兩個(gè)角度考察，在穩(wěn)定增材階段，往復(fù)路徑的焊道凝固穩(wěn)定性和頂層焊道表面成形質(zhì)量較好。綜上所述，優(yōu)選掃描策略為往復(fù)路徑。

表3 不同掃描策略下頂層焊道表面粗糙度與斜率Table 3. Surface roughness and slope of bead forming under different scanning strategies

2.3 不同模式對頂層焊道成形影響與選擇

基于優(yōu)選往復(fù)掃描策略，采用同一線能量密度，研究在不同焊接模式下增材10層的頂層焊道成形，焊道成形如圖12所示。

(a)

(b)圖12 往復(fù)掃描路徑下，不同焊接模式10層增材焊道成形(a)CMT+Pulse模式 (b)CMT模式Figure 12. Bead forming of 10 layers in reciprocating direction with CMT+Pulse/CMT mode(a)CMT+Pulse mode (b)CMT mode

由圖12可知，CMT+Pulse模式下的頂層出現(xiàn)駝峰焊道，即頂層焊道上表面高低起伏，且CMT+Pulse焊道兩端塌陷相對嚴(yán)重，CMT模式直觀成形較好?；陧攲雍傅郎媳砻娲植诙扰c斜率進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。CMT+Pulse模式的頂層焊道表面粗糙度和斜率相較于CMT模式分別增大3.9倍和2倍，說明針對同一線能量密度，CMT模式增材成形質(zhì)量明顯優(yōu)于CMT+Pulse模式，其中CMT+Pulse模式對粗糙度的影響最大。針對單道多層直壁制備，為獲得較好的頂層焊道成形，優(yōu)選CMT模式。

表4 不同模式下頂層焊道表面粗糙度與斜率Table 4. Surface roughness and slope of bead forming under CMT+Pulse/CMT

3 結(jié)束語

在同一線能量密度的單道單層優(yōu)質(zhì)成形前提下，針對不同模式進(jìn)行單道多層增材，基于各層焊道層高、層寬的變化情況，分析得出CMT+Pulse模式與CMT模式分別從第4層和第3層開始焊道成形趨于穩(wěn)定，CMT模式率先達(dá)到散熱穩(wěn)定條件。

基于不同掃描策略，比較10層增材制件的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與頂層焊道成形。結(jié)果表明，相較于單向路徑，往復(fù)路徑在焊道凝固穩(wěn)定性和頂層焊道成形方面均具有優(yōu)勢，因此優(yōu)選往復(fù)路徑。

針對不同模式進(jìn)行往復(fù)路徑的10層增材的研究表明， 在CMT+Pulse模式下，焊道頂層表面呈現(xiàn)駝峰焊道并且粗糙度、傾斜度均大于CMT模式下優(yōu)選參數(shù)的增材成形數(shù)值，因此應(yīng)優(yōu)選CMT模式。